基于PLC的循环流化床锅炉烟气脱硫控制系统
由于烟气脱硫系统的复杂性，对控制系统要求很高。我国火电厂机组脱硫控制系统常采用两种控制模式，即DCS分散控制系统和PLC控制系统。由于PLC 具有通用性强、灵活性好、功能齐全、性价比高等特点，广泛应用于锅炉机组脱硫工程。作者参与设计组态的巴彦淖尔紫金有色金属公司电锌厂4×20t/h循环流化床锅炉烟气脱硫系统采用了西门子S7-300可编程控制器，上位机采用西门子WINCC工业控制软件，实现了对整个脱硫系统的监控。
一、 脱硫工艺系统简介
该脱硫系统安装在空气预热器和除尘器之间，采用消石灰或石灰作为脱硫剂，石灰经消化器转化成消石灰贮存在料仓内，风机将脱硫剂吹入反应器。喷水系统分别为消化器和反应器供水。烟气从流化床反应器下部风门进入反应器，与悬浮状的脱硫剂发生化学反应，同时喷嘴喷入水，以提高吸收率。反应后的烟气经过旋风收尘器后进入电除尘器，烟气反应未完全的脱硫剂被回收后再吹入反应器循环使用。 二、 PLC控制系统的功能
(一)控制范围
PLC对脱硫系统中的风门系统、消化系统、给料系统、喷水系统、反应器及物料循环系统、布袋除尘器、烟气连续监测系统(CEMS)的运行进行监视和控制；对各种电动机、风门、电动门、螺旋给料机、变频器及其设备顺序控制；根据工艺要求实现设备之间的联锁控制和保护，并对一些工艺参数实施开环和闭环控制。
(二)控制系统构成
控制系统由一个PLC程控柜、一个上位机监控柜和一个CEMS仪表柜组成，均安装在电除尘器控制室。在程控柜内安装了一套S7-300 PLC、控制开关和指示灯，通过这些开关可以实现自动(联锁)/手动(单机)切换、脱硫烟道风门开关、旁路烟道风门开关、系统紧急停车等操作，指示灯可以指示4个料仓的料位情况。程控柜继电器控制其他动力柜的接触器和变频器，再驱动电机动作。每台电机都配有就地操作箱，可以通过转换开关实现程控和就地控制两种操作，开关在“程控”位置时按照程序自动执行，在 “就地”位置时可通过启动和停止按钮控制电机。
上位机监控柜安装了一台研华IPC610工控机、一台显示器、一台打印机、一台UPS，实现系统的监视、控制、数据存储和打印功能。
(三)控制功能
PLC控制系统完成数据采集和处理、开关量顺序控制和联锁保护、模拟量控制等功能。
1、上位机监控
上位机安装了WINCC监控软件，既是操作站又是工程师站，它与PCS7-300之间通过Prfibus通信方式建立连接，实现数据传输。上位机界面显示内容：① 常规辅机的工作状态和故障报警信息；②电动风门开关反馈信号；③电机执行机构开度反馈信号和故障信号；④粉仓料位计信号；⑤变频器工作状态和故障报警信号；⑥运行参数实时数据、趋势图、越限报警。测试量包括烟气温度、烟气压力、烟气流量、供水压力、供水流量、给料量、SO2含量、烟尘含量等。
在上位机上可以通过鼠标点击或拖动滑块对系统和设备进行操作。控制功能有：①s实现自动(联锁和手动(单机)切换；②启动和停止子系统以及整个脱硫系统；③对设备进行单机操作；④开环和闭环控制的参数设置。
2、开关量顺序控制
开关量顺序控制是PLC控制的主要工作。在自动方式，各设备根据联锁条件、时间条件或上位机指令实现启动和停止。主要操作对象有：①常规辅机的振打电机、星形给料器、消化器、风机；②布袋除尘器的关风器、刮板电机、低压泵、风机；③由变频器控制的电子螺旋秤、螺旋给料器、水泵；④电动风门； ⑤电动阀门。
3、联锁保护 (1)4个子系统的启动顺序为：物料循环系统 → 消化系统 →给料系统 →喷水系统。
停止顺序相反。当喷水系统发生故障时，立即停止给料系统和消化系统。子系统某设备发生故障时，顺序停止子系统内的其他设备，然后再根据联锁关系停止其他子系统。
(2)为了防止物料积压，给料系统和循环系统的风机在各子系统中先开后关，时间间隔20s，以便将螺旋给料器供给的物料全部吹到反应器中。
(3)中间料仓(物料回收仓)料位超限报警时，停止脱硫系统运行，同时将控制风门切换到旁路，使烟气通过旁路烟道直达除尘器排放。
(4)程控柜上设置了旁路烟道风门和脱硫烟道风门手动开关，可以快速控制烟道之间的切换。两个烟道风门之间互锁，只有当一个烟道的风门完全打开后才能关闭另一个烟道的风门，保证锅炉安全运行。
4、 模拟量控制
脱硫系统运行参数输入到PLC，利用PLC和PID软件功能块控制模拟量输出，实现自动调节功能，主要调节项目有：
(1)消化水流量调节。向消化系统中的石灰 (CaO)喷水，将其转化成消石灰(Ca(OH)2)，供水量应根据石灰给料量调节，使化学反应尽量完全且物料呈干粉状。将消化水管水流量测量值与设置值 (根据石灰量给料量计算得到)比较，经PID运算后自动调节管路上调节阀的开度，使供水流量与设置值接近。
(2)反应器供水压力调节。为了达到喷水雾化效果，喷水压力必须达到设置值，即恒压供水。将PLC 运算结果输入变频器，改变变频器输出频率，进而调节水泵转速使供水压力控制在设置值。
(3)反应器给料量控制。反应器钙剂给药量信号是通过电子螺旋秤提供的，由于给药量大小直接影响脱硫率，为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给药量。SO2含量设置值可以在上位机上修改，脱硫后的SO2监测值与设置值比较，经PID运算后调节电子螺旋秤电机转速进而控制给药量。
(4)物料循环量的控制。根据反应器出口、入口压差控制螺旋给料器的物料循环量。
三、PLC的硬件组成
PCS7-300型PLC功能强速度快、扩展灵活，具有紧凑、无槽位限制的模块化结构，适合于大、中、小工程。该系统除了CPU主机架外，另外扩展了1个机架，每个机架分配8个信号模块。
1、 中央处理单元
PCS7-300选用CPU315-2PD作为中央处理器单元，具有Profibus和MPI两种网络通信方式。位操作时间为0.3μs，字操作时间为1μs。最大数字量I/O可达1024点。最大模拟量I/O可达128通道。具有48KB的 RKB，80KB的装载存储器，装载存储器的容量可用存储卡扩充，最大可扩充至1MB。
2、 信号模块
信号模块包括：
(1)数字量输入模块。为SM321 32点直流24V输入模块；
(2)数字量输出模块。为SM322 16点交流220V继电器输出模块；
(3)模拟量输入模块。为SM331 8通道模块，直接接入压力变送器、温度变送器、流量变送器的模拟量信号或其他标准电压、电流信号；
(4)专用测温模块。为SM331 8通道热电阻模块，直接接入热电阻传感器；
(5)模拟量输出模块为SM332 4通道模块，直接驱动电动执行机构、变频器等设备。
3、 其他模块
机架扩展接口模块选用IM360和IM361。电源模块选用PS307-1E5A，专用于PCS7-300CPU供电。
四、控制软件的设计思路
烟气脱硫控制系统程序设计采用了结构化编程方式，利用编程软件STEP7建立一些通用指令块(功能块 FB、FC)，实现同类设备的操作(如泵和电机)。结构化程序反复调用这些功能块，将实际存储区地址参数传递给功能块的形式参数，实现对具体设备的控制。结构化编程的特点是程序层次清晰、程序通用化和标准化，易于修改和调试。
(一) 电机控制
1、 电机控制功能块
脱硫系统中包括很多相似的电机设备，它们的控制原理相同，因此，在程序中建立了一个电机功能块FB1，以便在组织块中调用，来控制具体的电机设备。
FB1的功能：①手动方式时上位机手动启停电机；②自动方式时通过联锁关系控制电机启停；③监视电机的运行状态。
在电机控制输出状态下，定时器开始计时，定时时间结束后，如果电机接触器触点接通，说明电机工作正常。如果接触器未接通，可能是继电器保护或其他故障，则发出故障报警。当操作员在上位机确认故障后，故障报警取消。
2、 FB1形式参数
FB1的形式参数包括：手动(#start)、联锁控制(#latching)、电机输出(#motor)、定时器 (#time～no)、定时时间(#response～time)、接触器反馈信号(#response)、故障(#fault)。
3、 LAD功能块调用程序
在循环组织块OB1中调用FB1(motor)，以实际参数替代形式参数，实现主粉仓振打电机的操作和监控，LAD程序见图2，其中V2是其背景数据块。其他电机设备均采用上述方式调用FB1功能块，但因每个电机设备有不同的联锁条件，需将各自的联锁条件传输给Latching，以控制电机的运行。
(二)、闭环控制
1、PID调节器
脱硫控制系统包括多个相似的模拟量控制贿赂。 STEP7编程软件编制了可供调用的PID功能模块FB41。图3为实现恒压供水的反应器喷水压力调节闭环控制框图。
FB41的形式参数是PID调节器的操作变量，实际参数由所建立的共享数据块提供。在上位机上将PI 相关参数写入共享数据块，实现数据的传输。在中断组织块OB35中调用功能块FB41，PID输出操作值控制变频器，进而控制水泵转速以达到所要求的供水压力。上位机调节器界面设置了手动/自动开关，调节器可以在手动或自动状态下工作。
2、控制原理
(1)当调节器处于手动状态时，实现开环控制。在上位机调节器界面拖动滑块可以改变调节器的输出操作值，即可以人为控制水泵的转速而改变供水压力。
(2)当调节器处于自动状态时，实现闭环控制。可以在上位机调节器界面修改调节器的设置，如比例增益、积分时间、微分时间等参数。
3、参数的整定
采用现场实验整定法，直接在过程控制系统中进行参数整定。在上位机界面通过压力实时曲线观察水压变化趋势并修改参数，以达到理想的控制值。
五、系统通信
(一)通信系统的组成
脱硫控制系统采用Profibus现场总线技术。根据 Profibus的特点和要求，采用主从结构Profibus2DP方式，其拓扑结构为总线型，即以脱硫控制PLC作为DP 主站，其他系统作为从站。
从站的功能：①烟气连续监测系统(CEMS)的控制。将脱硫和除尘后的烟气参数显示在上位机上，其控制单元是PCS7-300的CPU315-2DP；②监控上位机(IPC)。通过CP5611通信卡与主控PLC建立数据通信；③在DCS系统显示脱硫系统的运行参数(DCS支持 Profibus通信协议)。
(二) 软件的组态
在软件组态时，完成硬件型号参数设置、通信模式选择、设定总线地址、传输方式、数据通信方式等。由于主控PLC、CEMS的PLC和IPC通信模块都是西门子的产品，因此，可以使用STEP7进行组态，而 DCS若不是西门子产品，则需要将DCS系统的GSD文件在STEP7中安装和配置。GSD文件中包含对DP设备进行描述的所有信息，以便系统对该设备进行组态和操作，确定通信中主站和从站数据传输遵守的规则，如：传输速率、交换数据长度、现场设备类型等。
六、结束语
PLC+IPC的控制系统已在巴彦淖尔紫金有色金属公司4台20t/h循环流化床燃煤蒸汽锅炉烟气脱硫系统中成功应用并投入运行两年时间，控制系统工作稳定、功能完善，能够满足工艺对控制系统的要求。
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