基于PLC的锅炉烟气脱硫控制系统的设计
2016/10/31 11:13:04
我国是燃煤大国，燃煤排放的SO2成为影响我国城市空气质量的主要污染物。因此，锅炉烟气脱硫是减排SO2的重要手段。
锅炉烟气脱硫系统具有很高的复杂性，其对控制系统的要求往往很高。而使用PLC控制已经成为一种较先进，应用势头强劲，应用越来越广泛的一种控制设备。它具有可靠性极高、能经受恶劣环境的考验、功能齐全、性价比高等特点，广泛应用于锅炉烟气脱硫工程。作者参与设计山东某热源厂2×75t/h锅炉烟气脱硫控制系统，采用了西门子S7-200可编程控制器，上位机采用北京亚控公司组态王KINGVIEW6.53工业控制软件，实现对脱硫系统的监控。
2、脱硫系统工艺流程
本热源厂采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术。该技术以石灰石浆液作为脱硫剂，在吸收塔内对烟气进行喷淋洗涤，使烟气中的二氧化硫反应生成亚硫酸钙，同时向吸收塔的浆液中鼓入空气，强制使亚硫酸钙转化为硫酸钙，脱硫剂的副产品为石膏。该法脱硫效率高(大于95%)，工作可靠性高。
该系统包括烟气换热系统、吸收塔脱硫系统、给料系统、石膏脱水和废水处理系统。本文设计的是给料系统的PLC控制系统。
3、锅炉脱硫系统简介
(1)本系统为2x75t/h锅炉烟气脱硫工程，每台锅炉前有三台气动双插板阀，系统运行时打开，系统停止时关闭;可现场操作，控制室操作员站操作，每套系统有一台22kw罗茨风机，用于将石灰石粉吹入锅炉，进行脱硫;带有就地/远控转换开关，可由现场控制柜或控制室操作员站操作，并能与炉前气动阀连锁，气动阀不能全部打开，罗茨风机不能运行。
(2)每套系统有一台4kw给料机，可变频调速。带有柜门安装的控制面板，可由现场控制柜或控制室操作员站操作给料机的启停，故障复位和给料机转速的控制，并能与罗茨风机连锁，罗茨风机不运行，给料机亦不能运行。
(3)两套系统共用一个石灰石粉仓，粉仓上安装有一个高料位、两个低料位三个射频导纳物位开关，带有就地/远控转换开关，可由现场控制柜、现场除尘器操作箱或控制室操作员站操作;现场除尘器操作箱安装于0m层，石灰石粉仓进料口附近，用于进料时操作粉仓除尘器并能检测粉仓内的石灰石粉的高度。
4、PLC控制系统硬件组成
(1)中央处理单元
S7-200选用CPU226CN作为中央处理单元，具有24个数字量输入以及16个数字量输出，可扩展到248点数字量和35路模拟量。S7-200CPU的指令功能强大，可以进行数字量逻辑控制、数据处理及闭环过程控制等。
(2)扩展模块
数字量扩展模块包括：EM223CN，8输入DC24V/8继电器输出;EM221CN，8输入DC24V。
模拟量扩展模块：2个EM231CN，4路模拟量输入，12位分辨率;EM232CN，2路模拟量输出，12位分辨率。
5、PLC控制系统功能
PLC控制系统完成数据采集、模拟量控制以及顺序控制等功能。
(1)数据采集功能
上位机(工控机)安装了组态王KINGVIEW6.53监控软件，它与S7-200之间通过自由口通信方式建立连接，实现数据传输。
数据采集功能将按照所要求的采样速度，模/数转换精度及扫描周期，对生产过程的各种信息量(模拟量、开关量)进行采集、处理、运算、检索及储存等，并以文字、图表、曲线等形式组态成各种画面，通过上位机的液晶显示屏显示出来，向操作员及时提供机组运行状态的信息。
数据采集的具体功能：
˙显示：包括模拟图显示、操作显示、成组显示、报警显示等。
˙制表记录：包括定期记录、实时记录、事故顺序记录等。
˙历史数据存储与检索。
(2)模拟量控制
脱硫系统运行参数输入到PLC，利用PLC和PID软件功能控制模拟量输出，实现自动调节功能。此模拟量控制的功能将对给料机变频器进行频率控制。脱硫剂石灰石量的多少是由给料机变频器进行控制的，由于给料量的多少直接影响脱硫的效率，为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给料量。SO2含量设定值可以在上位机上进行修改，脱硫后的SO2监测值与设定值进行比较，经PID运算后调节给料机变频器的频率进而控制给料量。
(3)顺序控制SCS
SCS控制对象包括机组的电动机、气动门、电磁阀等，本工程SCS系统，将按可选的功能组级、子组级、单项控制方式考虑，各子组级控制功能的启、停能独立运行。运行人员能在CRT键盘上选择自动程序控制或手动操作方式。在程序自动执行期间，出现任何故障可向运行人员发出中断信号，可使正在运行的程序中断并回到安全状态，屏幕上可显示程序中断的故障原因。当选择手动操作方式时，SCS系统设置的许可文件，可预防运行人员误操作。设备的联锁、保护指令具有最高优先级，手动指令则比自动指令优先，被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。SCS的保护和闭锁功能始终有效，不允许运行人员手动切除。
6、控制软件的设计思路
软件部分是实现脱硫控制的关键部分。软件按照模块化结构进行设计，以便达到较强的移植性和今后的功能扩展。
(1)程序流程
(2)闭环控制
为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给料量。本脱硫系统PLC模拟量闭环控制PID功能图如图2所示，用SO2浓度传感器检测反应炉内的SO2浓度，变送器将传感器输出的电流信号转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与SO2浓度成比例的数字量，CPU将它与SO2设定值进行比较，按照PID控制算法对误差值进行计算，将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号，用来控制给料机的输送量的多少，通过它控制锅炉内的SO2浓度，实现闭环控制。
S7-200PLC提供了内置的PID运算指令。在进行模拟量闭环控制时，使用模拟量扩展模块(EM231、EM232)来完成PID控制。只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。本系统采用了现场实验整定法，直接在过程控制系统中进行参数整定。在上位机界面通过SO2实时曲线观察SO2浓度变化并修改PID参数，来达到理想的控制值。
7、结束语
通过应用西门子S7-200PLC，实现了对脱硫系统进行可靠的、高效的实时控制和监控，提高了系统的可靠性、安全性和自动化的程度。在山东某热源厂的应用实践证明，本系统性能可靠，故障率低，具有非常好的环保效果和经济效益。