基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制研究

嚴錦玉，王幼民，徐彬雪，馬飛紅，萬　鵬（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖　241000）

基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制研究

嚴錦玉，王幼民?，徐彬雪，馬飛紅，萬鵬
（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖241000）

在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術中，吸收塔工藝水（循環漿液）的酸堿度（p H值）控制是通過人工調節石灰石漿液流量來控制.針對這種控制工藝水p H值的缺陷，設計了一種基于STM32控制器的脫硫除塵工藝水p H值自動控制方案.首先分析了石灰石漿液流量與吸收塔循環漿液p H值的大小關系，提出了p H值控制方案.然后設計了整個p H值控制系統的硬件方案，選定了控制芯片STM32F103RCT6和開發板，又基于Keil MDK和ST固件函數庫對控制系統進行程序設計.最后采用了一套模擬酸堿中和反應過程的試驗裝置，驗證該脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統.基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系統能夠很好地維持吸收塔漿液p H值穩定，且自動化程度高，對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統有著重要的研究價值.

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫；漿液p H值控制；石灰石漿液流量；STM32；自動控制方案

在眾多的煙氣脫硫技術中，濕法脫硫裝置占85%左右，而其中占絕對統治地位的石灰石-石膏法從目前來看技術最成熟，且實用率達到90%以上［1］.吸收塔工藝水（循環漿液）的p H值對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫有著至關重要的影響，不但影響SO2的吸收速度及系統的脫硫效率，而且對系統設備的結垢、石灰石的溶解及產物的析出也有很大影響.因此，維持吸收塔漿液的p H值在合適范圍內顯得尤為重要.

吸收塔漿液p H值控制系統是通過調節流入吸收塔內石灰石漿液的流量來保證p H值.目前，吸收塔漿液的p H值控制方案是將石灰石漿液p H測量值送到控制器后，與設定值比較，通過人工調節石灰石漿液調節閥門的開度，使吸收塔內漿液p H值等于設定值.這種調節流量大小的方式具有隨機性和較低的可靠性，且調節閥有時會產生振動和噪聲，長期在腐蝕環境下工作容易損壞，給正常工作帶來隱患.

設計一種新型的p H值自動控制方案，當吸收塔漿液p H值發生變化時，p H計將檢測值反饋給系統控制器，與設定的理想p H值比較后，控制器輸出脈沖命令給伺服驅動器，調節伺服電機速度，使得進入吸收塔中的石灰石漿液流量發生變化，從而調節了吸收塔漿液工藝水的p H值，保證其p H值恒定.

1　p H值與石灰石漿液流量的關系

引起吸收塔漿液p H值變化的主要因素包括進入吸收塔中的煙氣流量、SO2的濃度及與其進行中和反應的石灰石漿液的流量.由于燃煤的含硫量變化不是很大，所以煙氣中SO2濃度變化通常也不大.當煙氣流量增大時，進入吸收塔的SO2變多，使得p H值降低，反之則增大.通常煙氣量浮動較大，可作為外界干擾因素.而對于石灰石漿液吸收SO2這個酸堿中和反應來說，石灰石漿液流量的變化將是影響循環漿液p H值變化最主要的因素［2］.因此，石灰石漿液的濃度和供給量的變化是引起吸收塔循環漿液p H值變化的主要因素.

利用物理化學方法，對25℃下的石灰石濕法煙氣脫硫系統進行了分析［3-4］：

SO2被吸收反應：

由電荷平衡關系有：

吸收劑溶解和中和反應：

這里煙氣中的CO體積分數為15%，分壓P（CO2）為1.5×104Pa，有關常數如下：

由電荷平衡關系有：

所以總的離子反應式為：

根據上面敘述的各個階段的離子反應，可以得到石灰石漿液流量與吸收塔漿液p H值的關系式為：

代入以上數據可以得到：

Ca的相對原子質量為40，離子濃度的單位是mol/L，參考文獻［1］設定石灰石的密度為1 120 kg/m3.石灰石漿液流量用Q表示，單位為m3/h，由式（1）便可以建立起p H值與石灰石流量的關系為：

由式（2）可知，吸收塔循環漿液的p H值是隨著石灰石漿液流量的變化而變化的，因此，采用調節石灰石漿液流量來控制循環漿液p H值的方法是可行的.

2　基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統設計

2.1脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統硬件方案設計

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統如圖1所示.由圖1可知，系統通過控制調節石灰石漿液的流量來控制工藝水的p H值，從而達到控制酸堿中和反應的速度，最終達到工藝水的排放要求［6］.

圖1　脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統硬件方案框圖

設計的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統是一種以STM32F103RCT6為核心芯片的控制系統.STM32F103RCT6的主頻是72 M Hz，采用LQFP64封裝，片內FLASH容量為256 K，SRAM容量為48 K.可采用2.0～3.6 V電壓供電，擁有3個12位AD，1 us轉換時間，多達21個輸入通道，轉換范圍為0～3.6 V.112個多功能雙向的I/O口，所有I/O口可以影像到16個外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5 V信號.多達4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或者脈沖計數的通道和增量編碼器輸入.同時接口豐富，有USART、SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口等.調試模式有串行單線調試、JTAG接口、Cortex-M3內嵌跟蹤模塊.

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統包括以STM32F103RCT6微控制器為核心的硬件控制電路、伺服驅動器、伺服電機以及離心泵.硬件控制電路向伺服驅動器發送脈沖指令，伺服驅動器則根據接收到的指令驅動伺服電機轉動，從而帶動與電機軸聯接的離心泵一起旋轉起來.其中，硬件控制電路包括電源電路、USB電路、晶振電路、復位電路、JTAG電路和反饋采樣電路［7］.由于p H計輸出的信號是4～20 m A電流信號，因此需要設計一個處理電路，并將其運用在控制器開發板上，用來接收p H計的實時反饋信號.這種反饋采樣電路圖如圖2所示.由圖2可知，p H值采樣反饋電路可以將輸入4～20 m A電流信號轉換為輸出0.66～3.3 V電壓信號，該電路由一階RC濾波電路和電壓跟隨電路構成，R5A為165Ω電阻，C3A為100 u F的極性電容，起到隔離和濾波的作用.LM358為運算放大器，這個輸出的電壓信號就可以作為STM32芯片ADC模塊的模擬輸入信號［8］.

2.2脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統軟件方案設計

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統選用的是STM32F103RCT6控制芯片，采用Keil MDK作為程序開發環境.為了軟件開發方便，使用ST公司的固件函數庫輔助編程.同時使用了ST公司的ST-LINK作為仿真器和燒寫工具，實現程序在開發板上的調試與下載功能.

圖2　反饋采樣電路圖

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統所要達到的控制效果是能夠將吸收塔中漿液的酸堿度值維持在一個理想水平值.由于吸收塔中化學反應不斷進行，使得吸收塔中的p H值處在一個時變的過程中，所以加入吸收塔中的石灰石漿液也要跟隨這個過程.因此，采用STM32控制伺服電機的速度來調節進入吸收塔內部的石灰石漿液的流量.使用STM32的定時器3的PWM模式，使得通道1發出脈沖系列到GPIOA的 PA6口，進入伺服驅動器的脈沖接口來控制伺服電機的速度，其程序流程圖如圖3所示.由圖3可知，系統初始化程序包括定時器TIM的配置、GPIO口的配置、ADC的配置、中斷優先級的配置、延時函數的配置、通信口的配置等.中斷服務程序就是定時采樣ADC程序，實時檢測p H值的大小，根據p H值的判斷值來改變PWM的輸出脈沖系列.當p H值比理想值小時，增大PWM頻率，增加伺服電機的速度；當p H值比理想值大時，減小PWM頻率，減少伺服電機的速度；當p H值與理想值相同時，則保持PWM頻率不變，進而返回主程序繼續執行.

采用模塊化編程的方法進行系統的程序設計，這些模塊化程序包括主程序、PWM輸出程序、中斷服務程序、延時程序和編碼器速度反饋程序，其中，中斷服務程序又包括ADC定時采樣程序及p H值判斷程序［9］.

圖3　基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統軟件流程圖

3　脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統試驗

驗證脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統過程中，試驗裝置系統模擬酸堿中和的反應過程，需要實現的功能包括：進入反應容器中的堿性液體的流量是可控的；反應容器中酸性液體與堿性液體發生化學反應后排出管道中的液體p H值是可測可調節的.

3.1試驗臺的搭建與試驗運行

根據要求選擇型號為TSB13302C-3NT3C的交流伺服電機，伺服驅動器要與伺服電機配套使用，其型號為TSTA75C，開關電源的型號為XWT S-400-24.伺服系統控制模式采用外部位置命令模式.p H計型號為BHZY品牌的PHG-6500型插入式p H計.首先將系統所需元器件按照要求連接好，反復檢查以確保硬件電路連接是正確的.試驗中，在酸堿度反應容器排出管道的測量支路管道上安裝了1臺插入式p H計，用來測量反應容器中溶液的p H值.在搭建試驗臺時，首先將STM32開發板、伺服驅動器、開關電源等元器件按照前文所述的方式連接好放在控制柜中，同時將p H計的電流信號輸出與STM32中GPIO的PA1口連接，PA1口用來采集外部模擬輸入信號.將伺服控制系統中的伺服電機輸出軸用聯軸器與型號為宙斯牌40UHB-UF-15-25的離心泵1輸入端連接，離心泵1由220 V ADC電源供電.其中，酸性液體的供給是由交流異步電機2和離心泵2來輸送的.交流異步電機2選擇，型號為皖達牌Y2-100L-2，其額定功率為3 KW，額定轉速為2 870 r/min.離心泵2型號為宙斯牌40UHB-UF-15-25.反應液體的排出也是由交流異步電機3和離心泵3來輸送的，其型號與酸性液體的供給回路是一樣的.交流異步電機3型號選擇皖達牌Y2-100 L-2，離心泵3型號為宙斯牌40UHB-UF-15-25.整個試驗臺的硬件連線如圖4所示［10］.

設計的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統中，將各個元器件插上電源，并設定好初始參數.在控制系統軟件Keil MDK中設置理想p H值參數為5.5，同時設置STM32的定時器自動重裝值為719，分頻系數為49，將Keil MDK編程軟件中的程序向STM32開發板中燒錄進去，使用STM32的GPIOA的PA6口發送控制脈沖到伺服驅動器，外部模擬采樣信號即為p H值電流信號通過STM32的GPIOA中PA1口進入STM32控制芯片，由此整個系統可以按照Keil MDK中設定的程序運行.

3.2試驗結果分析

利用脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統試驗平臺，每隔1 min對p H計上顯示的p H數值進行數據采集，與此同時，實時觀察控制軟件Keil MDK中的軟件參數PSC，這樣可以建立p H值與時間t的對應關系，同時與理想p H值建立比對關系，其數據圖形如圖5所示.由圖5可知，在時間為0～1 min內，系統中由于只有酸性液體回路運行，且反應液體的排出回路關閉，所以p H計采集數據為0.當1 min過后，反應液體的排出回路和堿性液體供給回路開啟，p H值開始上升，到2 min時，p H值上升至7左右，這時在STM32控制器的程序處理下，一旦檢測的p H值與理想p H值5.5不同時，隨即改變定時器的分頻系數，調節伺服電機轉速和離心泵輸出流量，使得重新檢測的p H值與理想p H值一致，因此，圖5中1 min過后會出現波動，但在5 min左右，檢測到的p H值維持在5.5上，系統趨于穩定.該脫硫除塵控制系統在沒有干擾的情況下能有效地達到p H值穩定的效果.

圖4　試驗臺硬件接線圖

圖5　系統p H值與時間t的關系圖

4　結論

設計了基于STM32的脫硫除塵工藝水p H值自動控制方案，分析了石灰石漿液流量與吸收塔循環漿液p H值的大小關系，并建立了數學模型.然后基于控制芯片STM32F103RCT6對整個p H值控制系統進行了硬件及軟件程序設計.最后采用了一套模擬酸堿中和反應過程的試驗裝置，驗證了脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統.基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系統，通過實時檢測p H值，將信號反饋給上位機控制器，與設定值比較后，上位機控制器發出控制指令以調節伺服電機的速度，從而調節石灰石漿液的流量來控制工藝水漿液的p H變化，能夠很好地維持吸收塔p H值恒定，對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統有著重要研究價值.該p H值控制系統能夠改善由儀器檢測p H值及由人工手動調節石灰石漿液流量的繁瑣，有效地節省了成本，提高了自動化程度，且具有顯著的節能效果，在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統中有著重要的工程應用價值.

［1］邊小君.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統的運行優化及其對鍋爐的影響［D］.杭州：浙江大學，2006.

［2］唐立學.脫硫系統p H值控制的過程辨識及控制器設計［D］.保定：華北電力大學，2008.

［3］李仁剛，管一明，周啟宏，等.p H值對濕式石灰石煙氣脫硫傳質反應特性的影響［J］.電力環境保護，2002，18（4）：10-12.

［4］侯慶偉，石榮桂，李永臣，等.濕法煙氣脫硫系統的p H值及控制步驟分析［J］.山東大學學報：工學版，2005，35（5）：41-44.

［5］楊志寧，張北波.p H計和溶氧儀在污水處理中的應用［J］.甘肅科技，2006，22（4）：126-127.

［6］劉向東.濕法脫硫p H值控制系統的分析與改進［J］.技術交流與應用，2009，10（4）：70-72.

［7］孔康.基于STM32的永磁同步電機的控制［D］.蘇州：蘇州大學，2013.

［8］程繼存，李業德.基于C8051F單片機的流量計設計［J］.山東理工大學學報：自然科學版，2008，22（5）：98-100.

［9］武玉婷.基于STM32的交流永磁同步電機伺服控制技術的研究［D］.西安：西安工程大學，2012.

［10］王宇.離心泵的流量調節與節能控制［J］.北京化工大學學報，2007，34（3）：234-237.

Control on Process Water p H Value of Desulphurization and Dust Removal Based on STM32

YAN Jin-yu，WANG You-ming?，XU Bin-xue，MA Fei-hong，WAN Peng
（College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

In the technical process of limestone-gypsum wet flue gas desulphurization（WFGD）technology，the slurry p H value in absorber tower was controlled through manual adjustment of the flow rate of limestone slurry.On account of the defect of slurry p H value control，the automatic control project of process water p H value of desulphurization and dust removal based on STM32 was designed in this paper.Starting from limestone-gypsum wet flue gas desulphurization technical process，the relationship between the flow rate of limestone slurry and recirculation slurry p H value in absorber tower was emphatically analyzed，meanwhile，the p H value control plan was proposed.In the flowing，this paper presented the hardware solution of entire p H value control system，including the control chip（STM32F103RCT6）and development board.After that，the entire program of control system was developed based on Keil MDK and ST firmware library.Finally，a set of simulated test of acid-base neutralization reaction device was adopted to verify the control project of process water p H value of desulphurization and dust removal.This system can maintain slurry p H value in absorber tower stability well，which demonstrates higher level of automation，has great research value to the limestone-gypsum wet flue gas desulphurization system.

limestone-gypsum wet flue gas desulphurization；slurry p H value control；flow rate of limestone slurry；STM32；automatic control project

TP273

A

1672-2477（2016）04-0047-05

2016-04-27

安徽省科技攻關基金資助項目（12010402105）

嚴錦玉（1989-），男，安徽安慶人，碩士研究生.

王幼民（1964-），男，湖北孝感人，教授，碩導.