基于西門子S7-1500和博途軟件在煙氣消白系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

劉照輝

（浙江佳環(huán)工程技術(shù)有限公司，浙江金華，321000）

0 引言

史上最嚴的新環(huán)保法自2015年起實施，從立法層面上加大了保護激勵機制與污染處罰力度。上海、浙江、天津和河北等地陸續(xù)出臺了大氣治理新規(guī)，地方標準中前所未有地提到了白煙排放的控制指標。白煙帶走了大量的煙氣水蒸氣氣化潛熱，造成水資源和余熱的浪費[1]，天津濱海新區(qū)某熱源廠于2018年末對兩臺2×75T/H循環(huán)流化床蒸汽鍋爐煙氣進行冷凝脫水消白深度治理改造。

1 消白工藝系統(tǒng)介紹

目前，圍繞煙氣“消白”的主流方案有：

（1）脫硫后直接加溫法，如煙氣再熱器技術(shù)系統(tǒng)（自煙換熱器GGH）、蒸氣換熱器技術(shù)（SGH）等，具有投資省、見效快、運行成本高等特點；

（2）先降溫再升溫法，如熱媒循環(huán)煙氣再熱器技術(shù)（MGGH），具有投資大、占用空間大、運行成本低等特點，適用于已建環(huán)保投施的改造；

（3）冷凝降溫+MGGH法，具有效率更高、運行成本低等特點，更適用于新建環(huán)保設(shè)施的改造項目。

通過對三種消白方案對比，業(yè)主最終選擇冷凝降溫+MGGH法進行深度治理改造。

冷凝降溫+MGGH法主要工藝特點是通過煙氣冷凝技術(shù)降低煙氣溫度，使煙氣沿著飽和濕度曲線降溫凝水，并回收煙氣中過飽和的水蒸氣[2]，從而降低煙氣絕對濕度。

該系統(tǒng)利用煙氣冷凝器對脫硫后的飽和凈煙氣冷凝降溫，使煙氣溫度及飽和濕含量降低，然后利用布置在冷凝器后的熱媒水煙氣再熱器對煙氣進行加熱升溫。提升煙氣的溫度與爬升高度，達到消除白色煙羽的效果。加熱煙氣的熱量來自于布置在除塵器前或脫硫塔前的煙氣冷卻器，利用循環(huán)熱媒水作為換熱媒介。該工藝系統(tǒng)包括：升溫段煙氣換熱器、噴淋塔噴淋系統(tǒng)、熱媒水循環(huán)系統(tǒng)、加藥補水系統(tǒng)。整個技術(shù)改造系統(tǒng)圖如圖 1 所示。

圖1 冷凝降溫+MGGH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)概況

■2.1 硬件配置

基于消白系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣且需遠程監(jiān)控，控制系統(tǒng)硬件采用西門子SIMATIC S7-1500系列PLC[3]。作為西門子PLC系列的高端產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品性能優(yōu)異，同西門子SIMATIC S7-300/400PLC相似，S7-1500同樣為模塊化結(jié)構(gòu)。SIMATIC S7- 1500 CPU集成了 PROFINET接口，該接口具備連接PROFINET總線的通信功能，可以通過組態(tài)與其它設(shè)備建立Profinet IO通信[4]。

控制系統(tǒng)CPU選用型號為1513-1PN，采用ET200SP模塊進行IO擴展可以最大限度節(jié)約硬件成本。ET200SP通過35mm導(dǎo)軌安裝，通訊接口模塊配置6ES7155-6AA00-0BN0，并配置其他信號模塊、服務(wù)器模塊及基座單元和交換機等。其中基座單元為ET 200SP模塊提供電氣和機械連接，信號模板均安裝在相應(yīng)的基座上。

設(shè)置硬件網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)S7-1500 PLC（192.168.0.10）與 兩個ET200 SP站（192.168.0.11/12）通過交換機進行Profinet IO通信。通過博途軟件組態(tài)在網(wǎng)絡(luò)視圖下，點擊ET200SP站的“未分配”按鈕為ET200SP站點分配IO控制器 “PLC_1”。硬件網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC硬件網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

■2.2 程序結(jié)構(gòu)

項目調(diào)試實施中PLC程序設(shè)計是整個項目設(shè)計的核心。博途軟件有著強大的編程語言支持，項目程序編寫采用梯形圖(LAD)、語句表(STL)及結(jié)構(gòu)化控制語言（SCL）相結(jié)合方式進行編程。

在項目程序設(shè)計時首先對工藝控制要求進行了解并將控制任務(wù)進行分解，從而編寫相應(yīng)功能的程序塊，博途軟件通過循環(huán)掃描主程序OB1從而調(diào)用包括模擬量數(shù)據(jù)處理[5]、電機控制、儀表閥門控制、各種保護及數(shù)據(jù)報警輸出等子程序。

根據(jù)消白的工藝特點，控制要點主要有加藥及循環(huán)噴淋系統(tǒng)變頻器的自動調(diào)節(jié)、部分水泵的工頻電機保護啟停和模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及報警等。控制系統(tǒng)程序分成若干個子任務(wù)，如每個噴淋塔的工頻電機啟停（FC3/FC4）、除霧器沖洗閥的邏輯啟?？刂疲‵C8）、模擬量處理（FC1/FC5）、模擬量數(shù)據(jù)選擇（FC7）等。并將程序執(zhí)行后的數(shù)據(jù)塊分別存儲與相應(yīng)全局共享數(shù)據(jù)塊[6]。PLC編程軟件程序結(jié)構(gòu)圖3所示。

圖3 PLC編程軟件結(jié)構(gòu)圖

編程狀態(tài)下，通過添加函數(shù)便可添加功能（FC）或功能塊（FB），編程語言根據(jù)編程需要選擇LAD、STL或SCL方式。電機啟停連鎖控制選用LAD梯形圖語言方式編程，以此提高控制程序開發(fā)效率并增加準確性及調(diào)試監(jiān)控方便。模擬量數(shù)據(jù)處理采用SCL高級語言編程，因SCL高級編程方式主要用于數(shù)據(jù)算法設(shè)計。電機PID控制采用STL編程，該方式支持指針以及間接尋址，對于集中數(shù)據(jù)處理方面有很大的優(yōu)勢，例如開發(fā)PID和其它一些高級算法程序。

項目程序中MOTOR（FC2）為電機啟停子程序，通過識別遠程及就地狀態(tài)啟動電機，并采集電機實時運行信號對電機進行聯(lián)鎖保護， FC3或FC4通過調(diào)用FC2及添加實際參數(shù)地址便完成某單個電機的控制塊。典型的電機啟停如圖4所示。

圖4 配準前后獲取的全聚焦圖像

模擬量轉(zhuǎn)換塊（FC6）通過SCL語言編寫，同樣用于子程序調(diào)用，該程序塊主要用于將標準的模擬量4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)儀表量程。模擬量功能塊通過調(diào)用將相應(yīng)通道輸入，將壓力變送器4～20 mA 兩線制電流信號轉(zhuǎn)換成0～1.0 MPa，將流量計4～20 mA 四線制電流信號轉(zhuǎn)換成0～30m3/h等，也可以對溫度的鉑熱電阻 PT100的信號轉(zhuǎn)換成0～100℃。模擬量轉(zhuǎn)換SCL編程如圖5所示。

圖5 模擬量轉(zhuǎn)換SCL圖

3 畫面監(jiān)控系統(tǒng)

博途編程軟件TIA_Portal_STEP_7_Pro_WINCC_Pro_V15不僅可以對PLC程序進行編寫，同樣可以對工藝畫面進行組態(tài)，在編程界面下通過添加PC系統(tǒng)新設(shè)備然后添加WinCC RT Professional便可進行畫面組態(tài)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)WINCC的功能。其中博途W(wǎng)inCC RT Professional用于項目的組態(tài)編譯，而WinCC RC Professional用于項目的運行[7]。Portal_WINCC組態(tài)具有更好的開放性和兼容性，在畫面組態(tài)窗口下可方便的進行項目的畫面編輯組態(tài)及PLC變量點的連接，從而設(shè)計出人性化及操作界面友好的運行畫面，通過對HMI 報警組態(tài)及記錄組態(tài)添加實時與歷史趨勢曲線、報警畫面等功能用于對事故及故障分析。

為便于操作，除設(shè)置消白系統(tǒng)工藝流程主畫面還設(shè)置其他分系統(tǒng)畫面如噴淋系統(tǒng)畫面、加藥系統(tǒng)畫面、報警畫面、趨勢畫面等，實現(xiàn)上位機對不同功能要求的監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析。各分系統(tǒng)畫面除監(jiān)控系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、PH值及煙氣參數(shù)外還有各電機及閥門開合狀態(tài)。同時畫面友好的設(shè)置彈出式操作界面，用于對單個電機、電動執(zhí)行器及變頻裝置PID操作控制。

根據(jù)Portal_WINCC鏈接SQL數(shù)據(jù)庫組態(tài)重要工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集，通過調(diào)取SQL數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)保存和建立實時、歷史曲線趨勢,工程師權(quán)限下設(shè)置操作員權(quán)限查看并分析實時和歷史曲線，可對實時和歷史曲線進行調(diào)取打印，對選擇時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行運行情況分析。

畫面編輯狀態(tài)下，通過HMI報警窗口對報警變量編輯，Portal_WINCC可以對程序報警的讀取及報警值設(shè)定，包括工藝控制要求的溫度、壓力、流量及煙氣參數(shù)等設(shè)定報警和電機運行故障、閥門的開關(guān)超時等報警，當正常運行狀態(tài)下有溫度、壓力、煙氣參數(shù)測量值超過報警畫面設(shè)定范圍或電機出現(xiàn)過熱報警、閥門開關(guān)超時等報警發(fā)生時,在主畫面上對應(yīng)的設(shè)備閃爍報警，同時在報警界面中留有文字描述記錄。報警界面可為操作員快速識別及排除故障提供幫助。

4 結(jié)束語

消白PLC監(jiān)控系統(tǒng)在自完成調(diào)試后運行以來數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控穩(wěn)定，實際運行情況表明應(yīng)用西門子S7-1500在博途編程軟件（TIA）組態(tài)配合下功能強大，可完全滿足項目應(yīng)用要求。通過Profinet IO通信掛ET200SP站，有著很高的性價比，大大節(jié)約了硬件采購成本。博途編程軟件集成Portal_WINCC組態(tài)監(jiān)控畫面，實現(xiàn)了編程系統(tǒng)和畫面組態(tài)在通信方面的設(shè)計無縫連接，Portal_WINCC組態(tài)人性化操作界面可實時監(jiān)控PLC運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)，達到控制現(xiàn)場工藝系統(tǒng)的目的, 實現(xiàn)消白工藝運行管控一體化目的。