基于PLC的活性炭輸送裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

邱榮華

(四川信息職業(yè)技術(shù)學院，四川 廣元 628040)

0 引言

國外垃圾焚燒發(fā)電廠常采用濕法和機械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣凈化工藝，國內(nèi)已建成的垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用機械旋轉(zhuǎn)噴霧半干法工藝或循環(huán)流化法和干法凈化工藝[1]。

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法采用的裝置為“旋轉(zhuǎn)噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。燒結(jié)煙氣經(jīng)過在旋轉(zhuǎn)噴霧塔中的吸收處理之后，進入位于吸收塔和引風機之間的袋式除塵器中，袋式除塵器上的濾料纖維過濾掉煙氣中的大顆粒粉塵，并且采用活性炭用吸附的一次粉塵進一步吸收其余粉塵，形成二次吸收，調(diào)高對固體顆粒污染物的清除。工作示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣脫硫技術(shù)示意圖

1 總體設(shè)計

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法采用的裝置為“旋轉(zhuǎn)噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。其旋轉(zhuǎn)噴霧器主要由活性炭噴射裝置組成，示意圖如圖2所示。

圖2 活性炭噴射裝置示意圖

由圖2可以看到，活性炭噴射裝置主要部件有碳倉、給料倉、液氮儲罐等構(gòu)成。主要的工作流程為：根據(jù)從煙道中檢測到的煙氣流量來控制活性炭的噴射量[3]。活性炭原料儲存在碳倉中，當裝置工作時，根據(jù)控制需要進一步將原料輸送至臨時儲存?zhèn)}-給料倉中。再由給料倉按照控制量的多少經(jīng)由螺旋給料機輸送至文丘里管，然后經(jīng)過引風機啟動輸送至吸收塔中。

1.1 硬件設(shè)計

根據(jù)任務(wù)控制要求和PLC的性能及設(shè)備特點，選用SIEMENS S7-300PLC作為控制器。根據(jù)工藝，活性炭噴射裝置控制系統(tǒng)主要分成4個大部分，分別是碳倉物料狀態(tài)管理、給料倉物料狀態(tài)管理、活性炭自動噴射、裝置的報警保護。根據(jù)控制要求，碳倉物料狀態(tài)管理主要是判斷碳倉物料狀態(tài)從而根據(jù)變化改變碳倉物料進料狀態(tài)。給料倉物料狀態(tài)管理主要是判斷給料倉物料狀態(tài)，當物料缺乏時自動上料的功能。活性炭自動噴射是本次設(shè)計的核心，主要需要實現(xiàn)活性炭根據(jù)煙氣流量的變化改變注入量。

1.2 軟件設(shè)計要求分析

1.2.1 碳倉物料狀態(tài)管理程序設(shè)計

碳倉補料充分條件：(1)當碳倉溫度未處于允許的上限；(2)當碳倉物料物位沒有達到允許的上限；(3)當碳倉物料重量沒有達到允許的上限；(4)當碳倉的進料閥的閥門處于關(guān)位；(5)當碳倉的壓力處于正常范圍。

如圖3所示，當碳倉補料充分條件都滿足的時候，若出現(xiàn)物料重量下限信號時，碳倉進入允許進料狀態(tài)，提示可以補料(補料為人工補料)。補料時，打開除塵閥，除塵閥到位后打開除塵電機。

圖3 碳倉物料監(jiān)控程序流程圖

1.2.2 給料倉自動補料程序設(shè)計

給料倉作為中間倉，補料為自動補料，自動補料的充分條件為：(1)噴射塔進口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉內(nèi)溫度處于正常范圍；(3)給料倉內(nèi)壓力處于正常范圍；(4)給料倉內(nèi)活性炭物料重量處于允許范圍；(5)給料倉內(nèi)活性炭物料物位處于正常范圍。

當滿足上述條件時，若出現(xiàn)給料倉物料重量低位或者物位低位，則給料倉物料狀態(tài)變?yōu)椤霸试S進料狀態(tài)”。此時打開給料倉進料閥，當給料倉進料閥開到位的時候，打開碳倉/給料倉壓力平衡閥，碳倉/給料倉壓力平衡閥開到位后，啟動碳倉送料電機。自此，給料倉進入上料狀態(tài)，當給料倉獲得物位高位和重量高位時，物料狀態(tài)變?yōu)樯狭贤瓿蔂顟B(tài)，此刻完成給料倉補料。給料倉自動上料流程圖如圖4所示。

圖4 給料倉自動補料流程圖

1.2.3 活性炭自動噴射程序設(shè)計

活性炭自動噴射程序設(shè)計的主要原理是采集煙道煙氣流量，根據(jù)煙道煙氣流量值經(jīng)過一定的計算得出活性炭注入的量值。然后通過刮料機、螺旋給料機、稱重傳感器等配合工作，將一定量的活性炭噴射進入吸收塔。

噴射充分條件：(1)噴霧塔進口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉內(nèi)溫度處于正常范圍；(3)給料倉內(nèi)壓力處于正常范圍；(4)給料倉活性炭物位處于正常范圍；(5)給料倉內(nèi)活性炭重量處于正常范圍；(6)引風機處于正常工作狀態(tài)。

當滿足以上充分條件時，裝置狀態(tài)變?yōu)樵试S噴射，進入允許噴射狀態(tài)后打開給料倉活性炭出料閥，啟動螺旋給料機，延時一段時間以后(清空出料管內(nèi)殘留)啟動給料倉刮料機，同時稱重傳感器測量需要噴射的活性炭的重量，經(jīng)測量之后的一定量活性炭由螺旋給料機噴射進入文丘里管，而后由引風機送入煙道，然后進入吸收塔中[4]。流程圖如圖5所示。

圖5 活性炭噴射程序流程圖

1.2.4 系統(tǒng)報警保護程序設(shè)計

系統(tǒng)報警主要分為碳倉保護報警、給料倉報警保護、管道報警保護等幾個方面，主要有溫度報警、壓力報警、物料狀態(tài)報警等幾方面。壓力檢測主要是碳倉壓力檢測、給料倉壓力檢測、除氮氣管外管道壓力檢測、氮氣管道壓力檢測。前三者的壓力標準相同，第四者由于液氮的特性原因，壓力標準有一些不同。當檢測到壓力值高于設(shè)定的壓力值上限時系統(tǒng)報警，并且采取保護動作，具體的保護動作如圖6所示。當壓力值高于設(shè)定的上限時采取關(guān)閉系統(tǒng)的動作。溫度報警的主要目的在于確保活性炭工作時的吸附活性，由于其吸附活性對于溫度有一定要求，所以溫度檢測是有必要的。當出現(xiàn)溫度上限時，系統(tǒng)采取保護動作。具體的溫度檢測報警保護功能程序流程和系統(tǒng)報警保護程序流程圖如圖6所示。

圖6 報警保護流程圖

1.3 HMI人機界面設(shè)計

本次設(shè)計上位機監(jiān)控程序，主要分為2個界面，一是系統(tǒng)部件狀態(tài)監(jiān)控界面，如圖7所示，包括閥位動作監(jiān)控、電機故障監(jiān)控、溫度監(jiān)控、壓力檢測。此界面的主要功能是監(jiān)控噴射裝置的各個部件是否出現(xiàn)狀態(tài)異常，上述監(jiān)測的變量是導致系統(tǒng)異常的幾種原因。主要的顯示效果通過信號燈來實現(xiàn)，各個部件都設(shè)定一個報警信號燈，當裝置狀態(tài)出現(xiàn)異常時對應(yīng)的信號燈出現(xiàn)閃爍或者顏色變化。用以提示操作人員并且提供出現(xiàn)問題的部件位置。二是監(jiān)測系統(tǒng)整體運行情況界面，不同于第一個界面的純監(jiān)控兼報警功能，第二個系統(tǒng)界面主要是顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)如圖8所示，檢測并顯示系統(tǒng)裝置的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，讓操作人員能夠隨時檢測系統(tǒng)參數(shù)的運行，同時在第二個界面設(shè)置參數(shù)設(shè)置選項，讓操作人員能夠根據(jù)工藝的變化對一些控制變量賦值，提高系統(tǒng)的靈活性。

圖7 活性炭噴射裝置監(jiān)測報警與控制

圖8 裝置運行界面

2 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試的主要目的在于確定控制要求基本實現(xiàn)。由于硬件設(shè)備受限，調(diào)試采取硬件仿真調(diào)試并且調(diào)試時的模擬量和數(shù)字量輸入都是人為設(shè)定，假定設(shè)定值為在工作狀態(tài)的采集值，查看系統(tǒng)是否能進行功能實現(xiàn)。

調(diào)試主要分2步進行，下位機調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。下位機調(diào)試使用STEP 7編程軟件進行仿真調(diào)試。當未出現(xiàn)碳倉物料上限的時候，碳倉處于允許補料狀態(tài)。此時若出現(xiàn)按下碳倉物料下限，則進入碳倉補料流程，除塵閥打開，然后按下除塵閥開到位，可以看到除塵電機啟動，當進料完成之后，即按下碳倉物料上限之后進料閥關(guān)閉，按下碳倉進料閥關(guān)閉到位之后除塵電機關(guān)閉。

系統(tǒng)開機，給料倉默認為允許進料狀態(tài)，當按下給料倉物料重量下限時，可以觀察到給料倉/碳倉壓力平衡閥打開，按下給料倉/碳倉壓力平衡閥開到位，可以觀察到給料倉進料閥打開，按下給料倉進料閥開到位按鈕之后可以觀察到碳倉送料電機啟動。給料倉上料完成之后，即按下給料倉重量上限之后，可以觀察到給料倉進料閥關(guān)閉，按下給料倉進料閥關(guān)到位之后，可以觀察到碳倉送料電機停止。

上位機的調(diào)試主要是調(diào)試上位機的數(shù)據(jù)監(jiān)測和手動控制操作兩項功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測主要的監(jiān)測對象有：碳倉溫度、壓力值；給料倉溫度、壓力值；煙道氣體流量值；螺旋電子稱返回值；主要的操作對象有各個電機的啟動和停止；各個閥的啟動和關(guān)閉。進入上位機界面，在PLCSIM仿真軟件中對模擬量輸入通道賦值，觀察上位機界面中相應(yīng)的工程量值，可以看到兩者工程量值相等。模擬噴射過程時分別對PIW310和PIW308模擬通道進行賦值，觀察當兩者基本相等時，螺旋給料機啟動。調(diào)試手動操作使系統(tǒng)進入遠控模式，分別操作各個閥的啟停，可以觀察到相應(yīng)的閥動作。電機的手控模式的調(diào)試也一樣。調(diào)試顯示，手控模式能夠?qū)崿F(xiàn)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一套基于PLC的活性炭輸送裝置控制系統(tǒng)，采用WinCC組態(tài)軟件結(jié)合PLC仿真軟件實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣脫硫技術(shù)的活性炭噴射裝置自動控制，主要解決碳倉物料狀態(tài)管理、給料倉自動補料狀態(tài)、活性炭自動噴射、裝置報警保護等自動控制，采用WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行部件狀態(tài)及運行狀態(tài)監(jiān)控。本設(shè)計可有效解決垃圾焚燒產(chǎn)生的重金屬、二噁英及酸性成分等煙氣造成的環(huán)境污染問題，也有助于提高系統(tǒng)的自動化水平。