基于PLC的鍋爐煙氣脫硫控制系統的設計

　1、引言

　　我國是燃煤大國，燃煤排放的SO2成為影響我國城市空氣質量的主要污染物。因此，鍋爐煙氣脫硫是減排SO2的重要手段。

　　鍋爐煙氣脫硫系統具有很高的復雜性，其對控制系統的要求往往很高。而使用PLC控制已經成為一種較先進，應用勢頭強勁，應用越來越廣泛的一種控制設備。它具有可靠性極高、能經受惡劣環境的考驗、功能齊全、性價比高等特點，廣泛應用于鍋爐煙氣脫硫工程。作者參與設計山東某熱源廠2×75t/h鍋爐煙氣脫硫控制系統，采用了西門子S7-200可編程控制器，上位機采用北京亞控公司組態王KINGVIEW 6.53工業控制軟件，實現對脫硫系統的監控。

　　2、脫硫系統工藝流程

　　本熱源廠采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術。該技術以石灰石漿液作為脫硫劑，在吸收塔內對煙氣進行噴淋洗滌，使煙氣中的二氧化硫反應生成亞硫酸鈣，同時向吸收塔的漿液中鼓入空氣，強制使亞硫酸鈣轉化為硫酸鈣，脫硫劑的副產品為石膏。該法脫硫效率高（大于95%），工作可靠性高。

　　該系統包括煙氣換熱系統、吸收塔脫硫系統、給料系統、石膏脫水和廢水處理系統。本文設計的是給料系統的PLC控制系統。

　　3、鍋爐脫硫系統簡介

　　（1）本系統為2x75t/h鍋爐煙氣脫硫工程，每臺鍋爐前有三臺氣動雙插板閥，系統運行時打開，系統停止時關閉;可現場操作，控制室操作員站操作，每套系統有一臺22kw羅茨風機，用于將石灰石粉吹入鍋爐，進行脫硫;帶有就地/遠控轉換開關，可由現場控制柜或控制室操作員站操作，并能與爐前氣動閥連鎖，氣動閥不能全部打開，羅茨風機不能運行。

　　（2）每套系統有一臺4kw給料機，可變頻調速。帶有柜門安裝的控制面板，可由現場控制柜或控制室操作員站操作給料機的啟停，故障復位和給料機轉速的控制，并能與羅茨風機連鎖，羅茨風機不運行，給料機亦不能運行。

　　（3）兩套系統共用一個石灰石粉倉，粉倉上安裝有一個高料位、兩個低料位三個射頻導納物位開關，帶有就地/遠控轉換開關，可由現場控制柜、現場除塵器操作箱或控制室操作員站操作;現場除塵器操作箱安裝于0m層，石灰石粉倉進料口附近，用于進料時操作粉倉除塵器并能檢測粉倉內的石灰石粉的高度。

　　4、PLC控制系統硬件組成

　　（1）中央處理單元

　　S7-200選用CPU226 CN作為中央處理單元，具有24個數字量輸入以及16個數字量輸出，可擴展到248點數字量和35路模擬量。S7-200 CPU的指令功能強大，可以進行數字量邏輯控制、數據處理及閉環過程控制等。

　　（2）擴展模塊

　　數字量擴展模塊包括：EM223 CN，8輸入DC 24V/8繼電器輸出;EM221 CN，8輸入DC24V。

　　模擬量擴展模塊：2個EM231 CN，4路模擬量輸入，12位分辨率;EM232 CN，2路模擬量輸出，12位分辨率。

　　5、PLC控制系統功能

　　PLC控制系統完成數據采集、模擬量控制以及順序控制等功能。

　　（1）數據采集功能

　　上位機（工控機）安裝了組態王KINGVIEW 6.53監控軟件，它與S7-200之間通過自由口通信方式建立連接，實現數據傳輸。

　　數據采集功能將按照所要求的采樣速度，模/數轉換精度及掃描周期，對生產過程的各種信息量（模擬量、開關量）進行采集、處理、運算、檢索及儲存等，并以文字、圖表、曲線等形式組態成各種畫面，通過上位機的液晶顯示屏顯示出來，向操作員及時提供機組運行狀態的信息。

　　數據采集的具體功能：

　　·顯示：包括模擬圖顯示、操作顯示、成組顯示、報警顯示等。

　　·制表記錄：包括定期記錄、實時記錄、事故順序記錄等。

　　·歷史數據存儲與檢索。

　　（2）模擬量控制

　　脫硫系統運行參數輸入到PLC，利用PLC和PID軟件功能控制模擬量輸出，實現自動調節功能。此模擬量控制的功能將對給料機變頻器進行頻率控制。脫硫劑石灰石量的多少是由給料機變頻器進行控制的，由于給料量的多少直接影響脫硫的效率，為了經濟運行又達到環保標準，需要根據SO2含量控制給料量。SO2含量設定值可以在上位機上進行修改，脫硫后的SO2監測值與設定值進行比較，經PID運算后調節給料機變頻器的頻率進而控制給料量。

　　（3）順序控制SCS

　　SCS控制對象包括機組的電動機、氣動門、電磁閥等，本工程SCS系統，將按可選的功能組級、子組級、單項控制方式考慮，各子組級控制功能的啟、停能獨立運行。運行人員能在CRT鍵盤上選擇自動程序控制或手動操作方式。在程序自動執行期間，出現任何故障可向運行人員發出中斷信號，可使正在運行的程序中斷并回到安全狀態，屏幕上可顯示程序中斷的故障原因。當選擇手動操作方式時，SCS系統設置的許可文件，可預防運行人員誤操作。設備的聯鎖、保護指令具有最高優先級，手動指令則比自動指令優先，被控設備的“啟動”、“停止”或“開”、“關”指令互相閉鎖，且使被控設備向安全方向動作。SCS的保護和閉鎖功能始終有效，不允許運行人員手動切除。

　　6、控制軟件的設計思路

　　軟件部分是實現脫硫控制的關鍵部分。軟件按照模塊化結構進行設計，以便達到較強的移植性和今后的功能擴展。

　　（1）程序流程

　　脫硫系統程序流程如圖1所示：

圖1 脫硫系統程序流程圖

　　（2）閉環控制

　　為了經濟運行又達到環保標準，需要根據SO2含量控制給料量。本脫硫系統PLC模擬量閉環控制PID功能圖如圖2所示，用SO2濃度傳感器檢測反應爐內的SO2濃度，變送器將傳感器輸出的電流信號轉換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量輸入模塊，經A/D轉換后得到與SO2濃度成比例的數字量，CPU將它與SO2設定值進行比較，按照PID控制算法對誤差值進行計算，將運算結果（數字量）送給模擬量輸出模塊，經D/A轉換后變為電流信號，用來控制給料機的輸送量的多少，通過它控制鍋爐內的SO2濃度，實現閉環控制。

圖2 PID功能框圖

　　S7-200 PLC提供了內置的PID運算指令。在進行模擬量閉環控制時，使用模擬量擴展模塊（EM231、EM232）來完成PID控制。本文設計的PID功能指令如圖3所示，只需設定好PID參數，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環控制。本系統采用了現場實驗整定法，直接在過程控制系統中進行參數整定。在上位機界面通過SO2實時曲線觀察SO2濃度變化并修改PID參數，來達到理想的控制值。

圖3 PID控制指令

　　7、結束語

　　通過應用西門子S7-200 PLC，實現了對脫硫系統進行可靠的、高效的實時控制和監控，提高了系統的可靠性、安全性和自動化的程度。在山東某熱源廠的應用實踐證明，本系統性能可靠，故障率低，具有非常好的環保效果和經濟效益。