基于PLC的火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

0 引 言
    我國是燃煤大國，煤炭占一次能源消費(fèi)總量的75％。隨著煤炭消費(fèi)的不斷增長，燃煤排放的二氧化硫也不斷增加，致使我國酸雨和二氧化硫污染日趨嚴(yán)重。為了實(shí)現(xiàn)SO2的減排目標(biāo)，國家制定了一系列的環(huán)保措施。目前國內(nèi)煙氣脫硫工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試水平已有了大幅度的提高，已建成、投運(yùn)了一大批大型機(jī)組火電機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)。但據(jù)了解，目前投運(yùn)的火力發(fā)電廠都還存在著不少這樣或那樣的技術(shù)問題，其中熱工自動(dòng)化投入水平不高是其中的一個(gè)重要技術(shù)問題，如測量不準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)投不上，系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差等，致使一些電廠的脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障多、不能與發(fā)電機(jī)組完全同步運(yùn)行或運(yùn)行中脫硫效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值或系統(tǒng)運(yùn)行成本高等問題。對于整個(gè)煙氣脫硫系統(tǒng)，作為監(jiān)視、控制脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)是重要的組成部分，它既要保證脫硫系統(tǒng)的正常工作和異常工況的系統(tǒng)安全，又要與單元機(jī)組控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，保證鍋爐的安全運(yùn)行。
    控制系統(tǒng)采用DCS雖然自動(dòng)化程度大為提高，但由于脫硫工藝系統(tǒng)總的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)(一般為600～1 000點(diǎn))遠(yuǎn)低于能滿足單元機(jī)組控制的DCS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模(一般為5 000～10 000點(diǎn))，造成控制系統(tǒng)造價(jià)偏高，經(jīng)濟(jì)性下降。目前，國內(nèi)許多電廠在煙氣脫硫控制上己開始嘗試采用可編程控制器PLC作為控制主機(jī)，將脫硫控制納入全廠輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控，既保證可靠性，又能大幅度降低系統(tǒng)造價(jià)。
    本文研究采用可編程控制器PLC作為控制主機(jī)，進(jìn)行脫硫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，給出了具體的設(shè)計(jì)方案及各功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 煙氣脫硫工藝流程
    石灰石／石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為：鍋爐煙氣經(jīng)過除塵器除塵后，由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng)，煙氣由進(jìn)口煙道進(jìn)入由增壓風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)氣氣換熱器(GGH)降溫，進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)，煙氣由下向上流動(dòng)，石灰石漿液由上向下洗滌煙氣，在吸收塔底部，鼓入空氣進(jìn)行氧化，生成的石膏由石膏漿液泵送人脫水系統(tǒng)圖1是典型的石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。

    石灰石／石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)(單臺(tái)機(jī)組)主要由八個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、脫水及輸送系統(tǒng)，排放系統(tǒng)、工藝和工業(yè)水系統(tǒng)、雜用和儀用空氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)完整的子系統(tǒng)，當(dāng)以PLC作為系統(tǒng)主控機(jī)時(shí)，每個(gè)子系統(tǒng)可以作為PLC的一個(gè)功能模塊。

2 脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)方案分析
    根據(jù)對脫硫工藝及控制系統(tǒng)功能的要求，目前通常采用的脫硫控制系統(tǒng)有三種：
    (1)采用模擬儀表和工控機(jī)的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中、小型電廠，系統(tǒng)配置簡潔，造價(jià)較低。但在一些大、中型的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)要同現(xiàn)場其他電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)鎖關(guān)系，在這種情況下，單一依靠工控機(jī)以及模擬儀表無法實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的控制功能，系統(tǒng)的可靠性較低。
    (2)采用DCS的控制系統(tǒng)，充分利用DCS的軟、硬件資源，提高系統(tǒng)的可靠性。但由于DCS系統(tǒng)造價(jià)較高，所以一般在一些有著較為全面規(guī)范的大中型控制系統(tǒng)中使用。
    (3)采用PLC和工控機(jī)的控制系統(tǒng)，將PLC作為系統(tǒng)的控制核心，工控機(jī)與PLC結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)通訊。PLC是面向工業(yè)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制器，具有編程靈活、功能齊全、控制簡單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年，在脫硫系統(tǒng)中廣泛采用了PLC控制，改善了工人的工作環(huán)境，提高了脫硫的效率，取得了很大的經(jīng)濟(jì)成效。
    在分析、比較上述三種脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了由工控機(jī)和PLC組成的上下位機(jī)脫硫控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)以“研華”IPC－6102工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PC)作為系統(tǒng)上位機(jī)，配以PHILIPS 21寸彩色顯示器，激光打印機(jī)和鍵盤等；西門子(SIEMENs)SEMATIC S7－300可編程控制器作為系統(tǒng)下位機(jī)。PC通過適配器MPI卡(多點(diǎn)接口卡)與PLC互相通訊、互相聯(lián)系。為確保突然停電時(shí)不影響上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)配置有UPS(Uninter－ruptible Power Supply，不間斷電源)。PLC用于現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)和信號(hào)的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)輸出、控制各設(shè)備運(yùn)行；上位機(jī)主要用于工藝運(yùn)行參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線檢測和設(shè)備故障報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)脫硫控制過程的自動(dòng)化管理與控制。

2．2 可編程控制器選擇
    煙氣脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)對硬件的要求很高，其生產(chǎn)過程中的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)必須具備較高的可靠性，較快的速度等，在眾多的PLC產(chǎn)品中，S7-300 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活；它具有緊湊、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)選用了SIEMENS公司生產(chǎn)的緊湊模塊式結(jié)構(gòu)的小型SIMATIC S7-300可編程控制器，它是目前國內(nèi)應(yīng)用較多，性能價(jià)格比較好的高性能PLC。
2．3 電源電路
    由于系統(tǒng)沒有專用電源供電，而是由電網(wǎng)供電。與電網(wǎng)相連的晶閘管整流設(shè)備以及脫硫過程中的大功率負(fù)載等，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而使交流電網(wǎng)造成污染，電壓波形發(fā)生畸變。因此現(xiàn)場用來對PLC、打印機(jī)和上位機(jī)等進(jìn)行供電的電源帶有隔離變壓器和電源濾波器，以增強(qiáng)抗干擾能力，電路如圖3所示。由于電網(wǎng)中的高頻干擾主要不是通過變壓器的原、副邊線圈的互感耦合，而是靠原副邊繞組之間的分布電容耦合的，為此系統(tǒng)采用了隔離變壓器，隔離變壓器的原副邊繞組之間均有隔離屏蔽層，并將零電位線經(jīng)電容接地，因而該隔離變壓器原副邊繞組之間的分布電容很小，所以抗電網(wǎng)干擾能力很強(qiáng)。

    系統(tǒng)的交流電源先經(jīng)凈化穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓、交流隔離器隔離后輸出，在交流隔離器的輸出端設(shè)置了交流低通濾波器，用于濾除高次諧波，并使50 Hz的基波能順利通過，改善了電源的電壓波形，防止了高頻干擾和尖峰脈沖干擾。
2．4 數(shù)據(jù)采集電路
    根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，脫硫系統(tǒng)需要采集的主要數(shù)據(jù)為：漿液pH值、煙塵濃度、煙氣壓力、煙氣溫度等。漿液pH值通過pH傳感器測量，其工作原理是：在一定的范圍內(nèi)，酸堿溶液的濃度與其電導(dǎo)率的大小成比例。因而，只要測出溶液電導(dǎo)率的大小變可得知酸堿濃度的高低。當(dāng)被測溶液流入專用電導(dǎo)池時(shí)，如果忽略電極極化和分布電容，則可以等效為一個(gè)純電阻。在有恒壓交變電流流過時(shí)，其輸出電流與電導(dǎo)率成線性關(guān)系，而電導(dǎo)率又與溶液中酸、堿濃度成比例關(guān)系。因此只要測出溶液電流，便可算出酸、堿、鹽的濃度，即算出溶液的pH值。pH傳感器輸出4～20 mA信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換裝置后送PLC；煙塵濃度主要測量儀器為煙塵監(jiān)測儀，煙塵監(jiān)測儀產(chǎn)品是利用光散射或折射原理工作的，光通過含有煙塵的煙氣時(shí)，光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱，測量散射前后光強(qiáng)的變化，即可定量反映煙塵濃度。煙氣溫度的測量要借助不同類型的溫度傳感器，現(xiàn)在工業(yè)上廣泛使用的是PT1OO的熱電阻和熱電偶，根據(jù)測量溫度范圍和安裝要求的限制，有多種類型可供選擇。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選用天津中環(huán)儀表的PT100測溫組件，溫度信號(hào)通過PT100和相應(yīng)的調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓量，送入A／D轉(zhuǎn)換裝置。壓力測量傳感器也有很多形式，比如電阻式、電感式壓力傳感器，電容式、壓點(diǎn)式壓力傳感器等，根據(jù)使用環(huán)境、介質(zhì)性能、壓力范圍等的不同，綜合考慮加以選擇。本設(shè)計(jì)選用電感式壓力傳感器。
2．5 PLC與上位機(jī)通信電路
    目前，S7-300 PLC的通信是通過專用接口卡5611卡和MPI電纜實(shí)現(xiàn)的。但是，對于坑口電廠脫硫控制系統(tǒng)這樣的中小型工業(yè)控制系統(tǒng)使用這樣硬件，成本相對昂貴，同時(shí)對操作人員的技術(shù)要求也較高。本文提出了通過普通串口，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的自由通信。RS 232協(xié)議是控制中經(jīng)常用到的計(jì)算機(jī)串口協(xié)議，基于物理層，直接與硬件打交道。目前，RS 232是通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS 232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。研華(Advantech)IPC610系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232通信口，而西門子公司的S7-300 PLC可以擴(kuò)展RS 232／485通信模塊，通過普通的9針插頭直接與IPC610連接，進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3 結(jié) 語
    對脫硫控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，主控制器選用西門子公司的S7-300系列的可編程控制器，上位機(jī)選用研華IPC610系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。上位機(jī)自身帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232通信端口，PLC通過擴(kuò)展RS 232／485通信模塊，可直接與上位機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí),還對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集電路的具體實(shí)現(xiàn)方法，并對電源電路的抗干擾，進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。為工業(yè)現(xiàn)場脫硫控制系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。