一種基于PLC的煙氣脫硫監控系統的研究與實現

馬　壯

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

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一種基于PLC的煙氣脫硫監控系統的研究與實現

馬壯

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

摘要：設計了一種煙氣脫硫監控系統：采用濕式石灰石煙氣脫硫工藝作為系統脫硫控制方案；硬件方面采用PLC作為監控系統的下位機，采集實時數據與控制現場設備；將工控機作為上位機，通過組態軟件實現對下位機的實時監控。經實驗室調試證明：此監控系統實現了運行參數與數據的實時監控，具有控制簡單、界面友好、維護性好等特點。

關鍵詞：PLC；脫硫監控系統；組態軟件

0引言

空氣中硫元素的含量是影響空氣質量的一個非常重要的因素，影響著人們的身體健康。隨著我國工業化水平的不斷提升，煤炭作為主要動力能源，其消耗量逐年遞增，2013年超過了42.4億t；盡管近兩年受經濟下滑因素的影響，消耗量有所減少，但2015年也在37億t左右。二氧化硫作為煤炭燃燒后的產物，加劇了空氣污染，嚴重破壞著自然環境。因此煙氣脫硫技術在火電廠、燃煤鋼廠中的應用尤為重要[1-3]。

目前國內外對脫硫技術理論的研究日趨成熟。不同公司設計的脫硫控制系統各有特點，均能達到一定的控制效果。本文以此為背景，利用西門子中性價比較高的S7-200系列PLC設計了脫硫監控系統。

1脫硫工藝概述以及選擇

現今鍋爐的脫硫技術方式繁多，但總體上可分為三種：①燃燒前脫硫；②爐內脫硫；③煙氣脫硫。燃燒前脫硫工藝方式是用物理與生物化學的方法將煤中的硫分除去，但其最大的缺點是只能去除煤中的無機硫。爐內脫硫是將煤和固硫劑混合送入爐膛燃燒，其最終的燃燒產物硫酸鹽則可以作為化肥用于農業中，但此技術方式成本較高。而煙氣脫硫技術則對煙氣進行化學和物理反應處理，最終達到煙氣排放的標準。表1為常用脫硫方法特點的比較。

表1　常用脫硫方法特點比較

而現階段煙氣脫硫技術(flue gas desulfurization，簡稱FGD)不僅在我國脫硫領域占據著相當大的比例，在國際上也起著舉足輕重的作用[4-5]。目前，煙氣脫硫技術可分為濕法、干法和半濕法。本系統確定為濕法煙氣脫硫技術，方法是將石灰磨碎后和脫硫副產物混合制成脫硫劑，經漿液泵升壓送入脫硫塔霧化，其目的是充分與煙氣接觸發生反應，提高脫硫效率。

對于煙氣脫硫工程技術而言，不僅要考慮其經濟性，而且要考慮其可靠性、穩定性和安全性，因此選擇濕法煙氣脫硫技術，其脫硫產物——石膏可作為陶瓷廠或者水泥廠的原料。

與其他脫硫方式相比較，濕法煙氣脫硫技術具有如下特點[6]：①具有高效的脫硫率；②單塔處理煙氣量大、SO2被吸收劑充分吸收；③對于不同的煤種都適用；④具有高效的反應物顆粒傳遞速度；⑤反應靈敏，外圍設備發生變化能做出回應；⑥煙氣凈化程度高；⑦石灰石作為吸收劑，產量豐富，經濟可靠；⑧石膏作為脫硫產物能夠被綜合利用，產生可觀的經濟效益。

2系統組成及工藝控制要求

本監控系統針對濕法煙氣脫硫技術設計，其系統結構如圖1所示。

圖1　系統整體功能框圖

脫硫系統的工藝控制過程為：煙氣先經電除塵器或者布袋除塵器進行除塵，此過程可除去煙氣中的飛灰以及部分金屬顆粒；氣體再流經空氣壓縮機進行增壓，便于煙氣與脫硫劑充分接觸發生反應；增壓后的煙氣通過氣體換熱器進行降溫，目的是將煙氣降到一定的溫度后，有利于脫硫塔中的脫硫反應；降溫后的煙氣再經空氣壓縮機進行加壓后進入脫硫吸收塔，在脫硫塔中與漿液吸收劑充分接觸，發生物理與化學反應，最終在脫硫塔底部析出副產物石膏。循環漿液是由漿液泵送至脫硫塔中，并且由脫硫塔中的噴漿層噴射到塔內與SO2反應，從而可以除去SO2，SO3，HCL和HF等酸性氣體。

3PLC選型與I/O分配以及梯形圖程序設計

3.1PLC外部I/O分配

根據系統工藝控制要求，結合濕法煙氣脫硫技術的特點，設置本系統主要輸入點數為15點，輸出點數為20點，其分配表見表2，其內部元件地址不作說明。本監控系統采用西門子S7-200系列PLC，型號為S7-226XP，同時需1個擴展模塊EM222，2個EM235模塊；除塵器選擇靜電除塵方式。

表2　PLC控制系統I/O分配簡表

3.2梯形圖程序設計及上位機

因篇幅所限，這里僅介紹吸收塔的pH值控制部分。此部分主要采用PID算法，通過對石灰石漿液的流量控制來達到控制pH值的目的。

3.2.1控制原理介紹

吸收塔中石灰石漿液的pH值是影響二氧化硫吸收的一個重要因素，漿液pH值一般要求在5.5～6.2之間。系統將采集上來的pH值與設定值相比較，并且將偏差值信號傳送給變頻器，通過變頻器控制閥門開度從而控制漿液的流量，以使煙氣達到凈化的目的。漿液pH值的PID控制作為主PID控制，而漿液的流量控制為副PID控制，以確保有合適流量的漿液流入吸收塔，維持吸收塔中漿液的pH值在預定的范圍。

3.2.2PLC系統PID算法實現

控制器對數據采集、分析、計算，并保存偏差值，同時對積分項前值也要進行保存，其數學模型簡化為如下算式：

Mn=KC*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)。

(1)

式中：Mn是在第n個采樣時間回路輸出的計算值；KC是回路增益；en是采樣時刻n的回路誤差值；en-1是回路誤差的前一個數值(在第n-1個采樣時間)；KI是積分項的比例常數；MX是積分項的前一個數值(在第n-1個采樣時間)；KD是微分項的比例常數。

在使用PLC的PID指令時，要注意輸入PID指令的過程變量、給定值和輸出值是0.0和1.0之間的一個標準化了的實數值。而設定值和過程變量的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。因此，在設置值送進PID指令之前，需要將輸入實際值的實數值表達形式轉換成0.0～1.0之間的標準化值。

第一步，把16位整數值轉換成浮點型實數值：

ITDAIW0，AC0//將輸入值轉換為雙整數

DTRAC0，AC0//將32位雙整數轉換為實數

第二步，將現實世界值的實數值表達形式轉換成0.0～1.0之間的標準化值：

/R64000.0，AC0//累加器中的標準化值

+R0.5，AC0//加上偏置，使其在0.0～1.0之間

MOVRAC0，VD100//標準化值存入回路表

回路輸出是0.0和1.0之間的一個標準化了的實數值。在回路輸出用于驅動模擬輸出之前，回路輸出必須轉換成一個16位的標定整數值。這一過程，是將PV(過程變量)和SP(給定值)轉換為標準值的逆過程。

MOVRVD108，AC0//回路輸出值移入累加器

--R0.5，AC0//僅雙極性有此句

*R64000.0，AC0//在累加器中得到刻度值

第三步，把表示回路輸出的實數刻度值轉換成16位整數：

ROUNDAC0，AC0//實數轉換為32位整數

DTIAC0，LW0//32位整數轉換為16位整數

MOVWLW0，AQW0//16位整數寫入模擬輸出寄存器

經過窗口的設置，增加曲線，以及設置采樣周期、時間長度等，最終系統調試曲線界面如圖2所示。此系統具有對趨勢曲線進行實時曲線和歷史曲線的轉換、進行歷史曲線的查詢、設置曲線的樣式、打印趨勢曲線以及對數據進行實時監控等特點。

圖2　系統調試曲線界面

3.2.3上位機程序設計及系統調試

上位機程序設計主要配合下位機實現系統的監控。通過數據線纜可與下位機PLC進行通訊、傳輸數據、處理圖像、記錄采集數據等。系統控制界面如圖3所示。

圖3　系統整體監控界面

4結論

采用S7-200PLC作為控制器，設計了煙氣脫硫監控系統。通過實驗室模擬運行調試證明，系統基本符合預定的控制要求，具有很好的跟蹤性能，穩定性較高。但在現場實際應用中出現了pH值滯后現象，還有待調試，關鍵要設置比例系數與積分時間兩個參數，減少微分環節，具體情況需根據調節閥的特性進行針對性的調整。

參考文獻：

[1]譚鑫，鐘擂剛，甄巖，等.鈣法煙氣脫硫技術研究進展[J].化工環保，2003，23(6)：322-328.

[2]閻維平，劉忠，王春波，等.電站燃煤鍋爐石灰石濕法煙氣脫硫裝置運行與控制[M].北京：中國電力出版社，2005：5.

[3]田斌.濕法脫硫技術問題及脫硫效率探討[J].內蒙古科技與經濟，2010(2)：108-109.

[4]曾巧巧.“十二五”鋼鐵將全面實施燒結煙氣脫硫鋼鐵燒結機煙氣排放標準即將頒布實施[J].天津冶金，2011(2)：56-56.

[5]吳華雄.脫硫技術及選擇脫硫工藝的建議[J].湖北電力，1999，23(2)：38-41.

[6]李春花，王華，胡建航.影響固定床煙氣脫硫因素的研究[J].工業加熱，2005，34(5)：1-3.

(責任編校：李秀榮)

The Research and Implementation of a PLC-Based Monitoring System for Flue Gas Desulfurization

MA Zhuang

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a monitoring system for flue gas desulfurization， with the flue gas desulfurization through wet limestone process as a desulfurization system control scheme， PLC as the lower computer of the monitoring system to collect real-time data and control equipment on the spot， and an IPC as the host computer to achieve the real-time monitoring of slave computers through the configuration softwares. The laboratory tests show that the monitoring system is characterized by the real-time monitoring of running parameters and data， simple control， friendly interface， and good maintainability.

Key Words：PLC； desulfurization monitoring system； configuration software

基金項目：2015年度唐山學院教育科學研究項目(150271)

作者簡介：馬壯(1977-)，男，河北遷安人，副教授，碩士，主要從事自動控制理論與技術應用研究。

中圖分類號：TP277.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0018-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.006