一種基于PLC的煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

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(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

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(jiān)控系統(tǒng)：采用濕式石灰石煙氣脫硫工藝作為系統(tǒng)脫硫控制方案；硬件方面采用PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的下位機，采集實時數(shù)據(jù)與控制現(xiàn)場設備；將工控機作為上位機，通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對下位機的實時監(jiān)控。經(jīng)實驗室調試證明：此監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了運行參數(shù)與數(shù)據(jù)的實時監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)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(yè)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(jīng)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(chǎn)物，加劇了空氣污染，嚴重破壞著自然環(huán)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)。

1脫硫工藝概述以及選擇

現(xiàn)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(chǎn)物硫酸鹽則可以作為化肥用于農(nóng)業(yè)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(xiàn)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(jù)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(tǒng)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(chǎn)物混合制成脫硫劑，經(jīng)漿液泵升壓送入脫硫塔霧化，其目的是充分與煙氣接觸發(fā)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(jīng)濟性，而且要考慮其可靠性、穩(wěn)定性和安全性，因此選擇濕法煙氣脫硫技術，其脫硫產(chǎn)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(fā)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(chǎn)量豐富，經(jīng)濟可靠；⑧石膏作為脫硫產(chǎn)物能夠被綜合利用，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

2系統(tǒng)組成及工藝控制要求

本監(jiān)控系統(tǒng)針對濕法煙氣脫硫技術設計，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體功能框圖

脫硫系統(tǒng)的工藝控制過程為：煙氣先經(jīng)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(jīng)空氣壓縮機進行增壓，便于煙氣與脫硫劑充分接觸發(fā)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(jīng)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(fā)生物理與化學反應，最終在脫硫塔底部析出副產(chǎn)物石膏。循環(huán)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(jù)系統(tǒng)工藝控制要求，結合濕法煙氣脫硫技術的特點，設置本系統(tǒng)主要輸入點數(shù)為15點，輸出點數(shù)為20點，其分配表見表2，其內部元件地址不作說明。本監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)PID算法實現(xiàn)

控制器對數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)值(在第n-1個采樣時間)；KI是積分項的比例常數(shù)；MX是積分項的前一個數(shù)值(在第n-1個采樣時間)；KD是微分項的比例常數(shù)。

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(shù)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(shù)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(shù)值轉換成浮點型實數(shù)值：

ITDAIW0，AC0//將輸入值轉換為雙整數(shù)

DTRAC0，AC0//將32位雙整數(shù)轉換為實數(shù)

第二步，將現(xiàn)實世界值的實數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)刻度值轉換成16位整數(shù)：

ROUNDAC0，AC0//實數(shù)轉換為32位整數(shù)

DTIAC0，LW0//32位整數(shù)轉換為16位整數(shù)

MOVWLW0，AQW0//16位整數(shù)寫入模擬輸出寄存器

經(jīng)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(tǒng)調試曲線界面如圖2所示。此系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控等特點。

圖2　系統(tǒng)調試曲線界面

3.2.3上位機程序設計及系統(tǒng)調試

上位機程序設計主要配合下位機實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。通過數(shù)據(jù)線纜可與下位機PLC進行通訊、傳輸數(shù)據(jù)、處理圖像、記錄采集數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)控制界面如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)整體監(jiān)控界面

4結論

采用S7-200PLC作為控制器，設計了煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)。通過實驗室模擬運行調試證明，系統(tǒng)基本符合預定的控制要求，具有很好的跟蹤性能，穩(wěn)定性較高。但在現(xiàn)場實際應用中出現(xiàn)了pH值滯后現(xiàn)象，還有待調試，關鍵要設置比例系數(shù)與積分時間兩個參數(shù)，減少微分環(huán)節(jié)，具體情況需根據(jù)調節(jié)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(huán)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(jīng)濟，2010(2)：108-109.

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[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(yè)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