基于PLC的循環流化床鍋爐煙氣脫硫控制系統
由于煙氣脫硫系統的復雜性，對控制系統要求很高。我國火電廠機組脫硫控制系統常采用兩種控制模式，即DCS分散控制系統和PLC控制系統。由于PLC 具有通用性強、靈活性好、功能齊全、性價比高等特點，廣泛應用于鍋爐機組脫硫工程。作者參與設計組態的巴彥淖爾紫金有色金屬公司電鋅廠4×20t/h循環流化床鍋爐煙氣脫硫系統采用了西門子S7-300可編程控制器，上位機采用西門子WINCC工業控制軟件，實現了對整個脫硫系統的監控。
一、 脫硫工藝系統簡介
該脫硫系統安裝在空氣預熱器和除塵器之間，采用消石灰或石灰作為脫硫劑，石灰經消化器轉化成消石灰貯存在料倉內，風機將脫硫劑吹入反應器。噴水系統分別為消化器和反應器供水。煙氣從流化床反應器下部風門進入反應器，與懸浮狀的脫硫劑發生化學反應，同時噴嘴噴入水，以提高吸收率。反應后的煙氣經過旋風收塵器后進入電除塵器，煙氣反應未完全的脫硫劑被回收后再吹入反應器循環使用。 二、 PLC控制系統的功能
(一)控制范圍
PLC對脫硫系統中的風門系統、消化系統、給料系統、噴水系統、反應器及物料循環系統、布袋除塵器、煙氣連續監測系統(CEMS)的運行進行監視和控制；對各種電動機、風門、電動門、螺旋給料機、變頻器及其設備順序控制；根據工藝要求實現設備之間的聯鎖控制和保護，并對一些工藝參數實施開環和閉環控制。
(二)控制系統構成
控制系統由一個PLC程控柜、一個上位機監控柜和一個CEMS儀表柜組成，均安裝在電除塵器控制室。在程控柜內安裝了一套S7-300 PLC、控制開關和指示燈，通過這些開關可以實現自動(聯鎖)/手動(單機)切換、脫硫煙道風門開關、旁路煙道風門開關、系統緊急停車等操作，指示燈可以指示4個料倉的料位情況。程控柜繼電器控制其他動力柜的接觸器和變頻器，再驅動電機動作。每臺電機都配有就地操作箱，可以通過轉換開關實現程控和就地控制兩種操作，開關在“程控”位置時按照程序自動執行，在 “就地”位置時可通過啟動和停止按鈕控制電機。
上位機監控柜安裝了一臺研華IPC610工控機、一臺顯示器、一臺打印機、一臺UPS，實現系統的監視、控制、數據存儲和打印功能。
(三)控制功能
PLC控制系統完成數據采集和處理、開關量順序控制和聯鎖保護、模擬量控制等功能。
1、上位機監控
上位機安裝了WINCC監控軟件，既是操作站又是工程師站，它與PCS7-300之間通過Prfibus通信方式建立連接，實現數據傳輸。上位機界面顯示內容：① 常規輔機的工作狀態和故障報警信息；②電動風門開關反饋信號；③電機執行機構開度反饋信號和故障信號；④粉倉料位計信號；⑤變頻器工作狀態和故障報警信號；⑥運行參數實時數據、趨勢圖、越限報警。測試量包括煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流量、供水壓力、供水流量、給料量、SO2含量、煙塵含量等。
在上位機上可以通過鼠標點擊或拖動滑塊對系統和設備進行操作。控制功能有：①s實現自動(聯鎖和手動(單機)切換；②啟動和停止子系統以及整個脫硫系統；③對設備進行單機操作；④開環和閉環控制的參數設置。
2、開關量順序控制
開關量順序控制是PLC控制的主要工作。在自動方式，各設備根據聯鎖條件、時間條件或上位機指令實現啟動和停止。主要操作對象有：①常規輔機的振打電機、星形給料器、消化器、風機；②布袋除塵器的關風器、刮板電機、低壓泵、風機；③由變頻器控制的電子螺旋秤、螺旋給料器、水泵；④電動風門； ⑤電動閥門。
3、聯鎖保護 (1)4個子系統的啟動順序為：物料循環系統 → 消化系統 →給料系統 →噴水系統。
停止順序相反。當噴水系統發生故障時，立即停止給料系統和消化系統。子系統某設備發生故障時，順序停止子系統內的其他設備，然后再根據聯鎖關系停止其他子系統。
(2)為了防止物料積壓，給料系統和循環系統的風機在各子系統中先開后關，時間間隔20s，以便將螺旋給料器供給的物料全部吹到反應器中。
(3)中間料倉(物料回收倉)料位超限報警時，停止脫硫系統運行，同時將控制風門切換到旁路，使煙氣通過旁路煙道直達除塵器排放。
(4)程控柜上設置了旁路煙道風門和脫硫煙道風門手動開關，可以快速控制煙道之間的切換。兩個煙道風門之間互鎖，只有當一個煙道的風門完全打開后才能關閉另一個煙道的風門，保證鍋爐安全運行。
4、 模擬量控制
脫硫系統運行參數輸入到PLC，利用PLC和PID軟件功能塊控制模擬量輸出，實現自動調節功能，主要調節項目有：
(1)消化水流量調節。向消化系統中的石灰 (CaO)噴水，將其轉化成消石灰(Ca(OH)2)，供水量應根據石灰給料量調節，使化學反應盡量完全且物料呈干粉狀。將消化水管水流量測量值與設置值 (根據石灰量給料量計算得到)比較，經PID運算后自動調節管路上調節閥的開度，使供水流量與設置值接近。
(2)反應器供水壓力調節。為了達到噴水霧化效果，噴水壓力必須達到設置值，即恒壓供水。將PLC 運算結果輸入變頻器，改變變頻器輸出頻率，進而調節水泵轉速使供水壓力控制在設置值。
(3)反應器給料量控制。反應器鈣劑給藥量信號是通過電子螺旋秤提供的，由于給藥量大小直接影響脫硫率，為了經濟運行又達到環保標準，需要根據SO2含量控制給藥量。SO2含量設置值可以在上位機上修改，脫硫后的SO2監測值與設置值比較，經PID運算后調節電子螺旋秤電機轉速進而控制給藥量。
(4)物料循環量的控制。根據反應器出口、入口壓差控制螺旋給料器的物料循環量。
三、PLC的硬件組成
PCS7-300型PLC功能強速度快、擴展靈活，具有緊湊、無槽位限制的模塊化結構，適合于大、中、小工程。該系統除了CPU主機架外，另外擴展了1個機架，每個機架分配8個信號模塊。
1、 中央處理單元
PCS7-300選用CPU315-2PD作為中央處理器單元，具有Profibus和MPI兩種網絡通信方式。位操作時間為0.3μs，字操作時間為1μs。最大數字量I/O可達1024點。最大模擬量I/O可達128通道。具有48KB的 RKB，80KB的裝載存儲器，裝載存儲器的容量可用存儲卡擴充，最大可擴充至1MB。
2、 信號模塊
信號模塊包括：
(1)數字量輸入模塊。為SM321 32點直流24V輸入模塊；
(2)數字量輸出模塊。為SM322 16點交流220V繼電器輸出模塊；
(3)模擬量輸入模塊。為SM331 8通道模塊，直接接入壓力變送器、溫度變送器、流量變送器的模擬量信號或其他標準電壓、電流信號；
(4)專用測溫模塊。為SM331 8通道熱電阻模塊，直接接入熱電阻傳感器；
(5)模擬量輸出模塊為SM332 4通道模塊，直接驅動電動執行機構、變頻器等設備。
3、 其他模塊
機架擴展接口模塊選用IM360和IM361。電源模塊選用PS307-1E5A，專用于PCS7-300CPU供電。
四、控制軟件的設計思路
煙氣脫硫控制系統程序設計采用了結構化編程方式，利用編程軟件STEP7建立一些通用指令塊(功能塊 FB、FC)，實現同類設備的操作(如泵和電機)。結構化程序反復調用這些功能塊，將實際存儲區地址參數傳遞給功能塊的形式參數，實現對具體設備的控制。結構化編程的特點是程序層次清晰、程序通用化和標準化，易于修改和調試。
(一) 電機控制
1、 電機控制功能塊
脫硫系統中包括很多相似的電機設備，它們的控制原理相同，因此，在程序中建立了一個電機功能塊FB1，以便在組織塊中調用，來控制具體的電機設備。
FB1的功能：①手動方式時上位機手動啟停電機；②自動方式時通過聯鎖關系控制電機啟停；③監視電機的運行狀態。
在電機控制輸出狀態下，定時器開始計時，定時時間結束后，如果電機接觸器觸點接通，說明電機工作正常。如果接觸器未接通，可能是繼電器保護或其他故障，則發出故障報警。當操作員在上位機確認故障后，故障報警取消。
2、 FB1形式參數
FB1的形式參數包括：手動(#start)、聯鎖控制(#latching)、電機輸出(#motor)、定時器 (#time～no)、定時時間(#response～time)、接觸器反饋信號(#response)、故障(#fault)。
3、 LAD功能塊調用程序
在循環組織塊OB1中調用FB1(motor)，以實際參數替代形式參數，實現主粉倉振打電機的操作和監控，LAD程序見圖2，其中V2是其背景數據塊。其他電機設備均采用上述方式調用FB1功能塊，但因每個電機設備有不同的聯鎖條件，需將各自的聯鎖條件傳輸給Latching，以控制電機的運行。
(二)、閉環控制
1、PID調節器
脫硫控制系統包括多個相似的模擬量控制賄賂。 STEP7編程軟件編制了可供調用的PID功能模塊FB41。圖3為實現恒壓供水的反應器噴水壓力調節閉環控制框圖。
FB41的形式參數是PID調節器的操作變量，實際參數由所建立的共享數據塊提供。在上位機上將PI 相關參數寫入共享數據塊，實現數據的傳輸。在中斷組織塊OB35中調用功能塊FB41，PID輸出操作值控制變頻器，進而控制水泵轉速以達到所要求的供水壓力。上位機調節器界面設置了手動/自動開關，調節器可以在手動或自動狀態下工作。
2、控制原理
(1)當調節器處于手動狀態時，實現開環控制。在上位機調節器界面拖動滑塊可以改變調節器的輸出操作值，即可以人為控制水泵的轉速而改變供水壓力。
(2)當調節器處于自動狀態時，實現閉環控制。可以在上位機調節器界面修改調節器的設置，如比例增益、積分時間、微分時間等參數。
3、參數的整定
采用現場實驗整定法，直接在過程控制系統中進行參數整定。在上位機界面通過壓力實時曲線觀察水壓變化趨勢并修改參數，以達到理想的控制值。
五、系統通信
(一)通信系統的組成
脫硫控制系統采用Profibus現場總線技術。根據 Profibus的特點和要求，采用主從結構Profibus2DP方式，其拓撲結構為總線型，即以脫硫控制PLC作為DP 主站，其他系統作為從站。
從站的功能：①煙氣連續監測系統(CEMS)的控制。將脫硫和除塵后的煙氣參數顯示在上位機上，其控制單元是PCS7-300的CPU315-2DP；②監控上位機(IPC)。通過CP5611通信卡與主控PLC建立數據通信；③在DCS系統顯示脫硫系統的運行參數(DCS支持 Profibus通信協議)。
(二) 軟件的組態
在軟件組態時，完成硬件型號參數設置、通信模式選擇、設定總線地址、傳輸方式、數據通信方式等。由于主控PLC、CEMS的PLC和IPC通信模塊都是西門子的產品，因此，可以使用STEP7進行組態，而 DCS若不是西門子產品，則需要將DCS系統的GSD文件在STEP7中安裝和配置。GSD文件中包含對DP設備進行描述的所有信息，以便系統對該設備進行組態和操作，確定通信中主站和從站數據傳輸遵守的規則，如：傳輸速率、交換數據長度、現場設備類型等。
六、結束語
PLC+IPC的控制系統已在巴彥淖爾紫金有色金屬公司4臺20t/h循環流化床燃煤蒸汽鍋爐煙氣脫硫系統中成功應用并投入運行兩年時間，控制系統工作穩定、功能完善，能夠滿足工藝對控制系統的要求。
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