談鍋爐除塵脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)某一鍋爐除塵脫硫系統(tǒng)采用人工、半自動(dòng)方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和管理，存在操作現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)、工作環(huán)境差、浪費(fèi)人力等問(wèn)題，提出了一套基于PLC為核心控制器的全自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了分析，首先給出了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，然后給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用PID控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了除塵器液位的穩(wěn)定控制和壓力的恒壓控制；應(yīng)用組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于現(xiàn)場(chǎng)操作和工作管理。

關(guān)鍵詞：鍋爐；除塵脫硫；自動(dòng)控制

為適應(yīng)國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，保護(hù)城市生產(chǎn)和生活環(huán)境衛(wèi)生，控制二氧化硫的排放指標(biāo)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，一般情況下，熱力廠會(huì)采用除塵脫硫設(shè)施處理燃煤鍋爐尾氣，以減少對(duì)環(huán)境的影響［1］。

1功能需求分析

1．1脫硫工藝概述

鍋爐除塵脫硫工藝主要包括除灰系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)。脫硫工藝采用石灰法脫硫，脫硫生產(chǎn)工藝中，會(huì)產(chǎn)生大量的石灰雜質(zhì)，需要定時(shí)將其除去，否則其會(huì)凝固，堵塞除塵器。在脫硫除塵器中，為除去除塵器中的石灰雜質(zhì)，需要注入一定的清水，與石灰雜質(zhì)混合，形成石灰雜質(zhì)廢水，定時(shí)開啟除塵器的排灰閥，可將廢料排除到除塵器外的卸灰池中。

1．2控制需求

1）除塵器的排灰閥通過(guò)氣缸控制，通過(guò)定時(shí)啟停氣缸電磁閥，可實(shí)現(xiàn)排灰閥的控制。2）除塵器的儲(chǔ)水池中存有一定量的清水，用于輸入到除塵器中，形成石灰雜質(zhì)廢水，除去石灰雜質(zhì)。在儲(chǔ)水池上安裝補(bǔ)水閥，補(bǔ)水閥采用模擬量的電調(diào)閥控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)水池補(bǔ)水；通過(guò)開啟閥門大小，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水池的水位控制，保證補(bǔ)水池水位恒定。3）采集系統(tǒng)管道的入口壓力、出口壓力、配堿池的pH值、配堿池的水位、系統(tǒng)中各個(gè)閥門的開口大小等參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件中。4）控制沉灰池污泥泵、溶灰池污泥泵、輸送機(jī)的變頻器，實(shí)現(xiàn)頻率給定控制并反饋其運(yùn)行狀態(tài)。

2控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

2．1工藝段劃分

本文研究的除塵脫硫工藝包含6組除塵器、3組沉灰池、2組溶灰池、1個(gè)傳輸機(jī)和1個(gè)酸堿池控制。其中，每組除塵器都包含30組卸灰閥、1個(gè)補(bǔ)水池電調(diào)閥、1個(gè)差壓閥、1個(gè)入口壓力檢測(cè)、1個(gè)出口壓力檢測(cè)、1個(gè)液位檢測(cè)?？紤]到生產(chǎn)工藝和布局需要，將控制系統(tǒng)分為2個(gè)控制區(qū)，按平均分配原則，A區(qū)控制3組除塵器、2組沉灰池、1組溶灰池、1個(gè)傳輸機(jī)；B區(qū)控制3組除塵器、1組沉灰池、1組溶灰池、1個(gè)酸堿池。兩套控制系統(tǒng)都采用通訊方式和上位機(jī)連接。

2．2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝需求，本文通過(guò)變頻器對(duì)污泥泵和傳輸機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制，系統(tǒng)采用模擬量輸出方式進(jìn)行控制，加上電調(diào)閥和壓差閥，模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)；系統(tǒng)中壓力、液位等傳感器信號(hào)，以及變頻器頻率反饋信號(hào)等都屬于模擬量輸入信號(hào)，模擬量輸入信號(hào)點(diǎn)數(shù)為28點(diǎn)；系統(tǒng)中氣缸電磁閥控制信號(hào)和變頻器的啟停信號(hào)都屬于開關(guān)量信號(hào)，計(jì)算共需要開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)168點(diǎn)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)112點(diǎn)?？紤]15％的裕量，選擇歐姆龍中大型系列PLC，型號(hào)為CJ2M－CPU13，同時(shí)配備上位機(jī)通訊模塊SCU31、模擬量輸入模塊AD081－V1、模擬量輸出模塊DC08C、數(shù)字量輸出模塊OD261、數(shù)字量輸入模塊ID211，基本滿足控制要求。以上計(jì)算為一個(gè)功能分區(qū)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)中總計(jì)兩個(gè)功能分區(qū)，控制系統(tǒng)的硬件數(shù)量為單個(gè)功能分區(qū)數(shù)量的2倍，除塵脫硫控制系統(tǒng)硬件配置清單，如表1所示。為實(shí)現(xiàn)除塵脫硫的工藝過(guò)程，根據(jù)控制需求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要包括PLC、上位機(jī)軟件（組態(tài)王）、變頻器、補(bǔ)水泵電調(diào)閥、氣缸電磁閥、壓力傳感器、pH值檢測(cè)傳感器、液位傳感器等組成［2］?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。PLC程序包括初始化控制程序、除塵器排灰閥控制程序、模擬量輸出程序（用于變頻器、電調(diào)閥、壓差閥控制）、數(shù)據(jù)采集程序（采集閥門開度和變頻器運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)壓力等）、PID控制程序等；觸摸屏人機(jī)界面程序包括開機(jī)界面、控制界面、手動(dòng)界面、參數(shù)設(shè)定界面等［3－5］。

3．1除塵器排灰閥控制設(shè)計(jì)

除塵器排灰閥有兩種控制方式：一種是自動(dòng)方式，一種是手動(dòng)方式。手動(dòng)方式下可以手動(dòng)單獨(dú)操作任意排灰閥；自動(dòng)方式下采用時(shí)間定時(shí)來(lái)控制，生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，主要以自動(dòng)方式為主。自動(dòng)控制方式為：每個(gè)除塵器有30個(gè)排灰閥，將排灰閥分為6組，5個(gè)為一組，各組相互獨(dú)立，每組設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)，同時(shí)每個(gè)排灰閥設(shè)定獨(dú)立工作時(shí)間和等待時(shí)間；以第一組為例，按下啟動(dòng)開關(guān)后，第一個(gè)排灰閥啟動(dòng)同時(shí)開始計(jì)時(shí)，工作時(shí)間結(jié)束后，第一個(gè)排灰閥停止，開始等待計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后，啟動(dòng)第二個(gè)排灰閥并計(jì)時(shí)，依次啟動(dòng)第三個(gè)排灰閥，第四個(gè)排灰閥，第五個(gè)排灰閥，并依次循環(huán)下去，直到按下當(dāng)組停止按鈕后，當(dāng)組的全部排灰閥關(guān)閉，計(jì)時(shí)停止。根據(jù)工況要求，排灰閥打開時(shí)間為30s，等待時(shí)間為120s。

3．2補(bǔ)水池電調(diào)閥控制設(shè)計(jì)

補(bǔ)水池電調(diào)閥的開口大小決定閥門的流量，進(jìn)而決定補(bǔ)水池的液位。為保證補(bǔ)水池的水位保持在工況許可的固定范圍內(nèi)變化，補(bǔ)水池電調(diào)閥采用PID方式進(jìn)行控制。PID控制方式在工業(yè)控制中有著十分廣泛的應(yīng)用，其參數(shù)設(shè)定方便、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性好，適用于各種控制工況。其控制思路是：預(yù)先設(shè)定好補(bǔ)水池的目標(biāo)液位值，補(bǔ)水池液位傳感器經(jīng)變送器變送輸出信號(hào)為0～10V的模擬量信號(hào)，液位電壓信號(hào)通過(guò)模擬量模塊AD081－V1輸入到PLC中，PLC程序中，通過(guò)傳送、數(shù)值運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等指令，將采集到的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的液位值，將目標(biāo)液位值和實(shí)際的液位值寫入到PLC的PID指令中。PID控制功能是通過(guò)PLC的指令模塊PID指令實(shí)現(xiàn)的。歐姆龍PLC的PID指令能夠讓用戶靈活地設(shè)定PID參數(shù)P、I、D、采樣時(shí)間等參數(shù)，并具有自整定功能。PID指令中有三個(gè)參數(shù)，分別是輸入值、控制字、輸出值。其中，輸入值對(duì)應(yīng)設(shè)定的實(shí)際液位值；控制字為控制參數(shù)的首地址，首地址中設(shè)定目標(biāo)液位值，緊接著為PID運(yùn)行參數(shù)的比例參數(shù)P、積分參數(shù)I、微分參數(shù)D、采樣時(shí)間T等；輸出值傳送給模擬量輸出模塊AD08C，對(duì)應(yīng)電調(diào)閥模擬量輸入端口，進(jìn)而調(diào)節(jié)電調(diào)閥的開口大小。圖3為1＃電調(diào)閥的PID控制指令。

3．3壓力控制程序設(shè)計(jì)

鍋爐運(yùn)行工藝中，系統(tǒng)壓力是工業(yè)鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，系統(tǒng)中各種安全隱患和故障都將產(chǎn)生壓力變化。除塵器系統(tǒng)中的壓力包括入口壓力和出口壓力，本研究通過(guò)插板閥來(lái)調(diào)節(jié)入口壓力與出口壓力的壓差，當(dāng)壓差偏大時(shí)，縮小插板閥的開口尺寸；當(dāng)壓差變小時(shí)，則增大插板閥的開口尺寸，使其控制在工況允許范圍內(nèi)。其中，控制算法仍采用PID控制算法，控制理論框圖如圖4所示。

3．4上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

本文上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王7．5版本的組態(tài)軟件，根據(jù)下位機(jī)硬件配置，上位機(jī)應(yīng)用變量點(diǎn)數(shù)800多個(gè)點(diǎn)，故采用1024點(diǎn)版本軟件。

3．4．1設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與下位機(jī)歐姆龍PLC通訊方式采用串口通訊，232串口通訊距離最大不超過(guò)10m，而485和422通訊方式可達(dá)800m，由于下位機(jī)PLC與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的距離400m左右，故本研究采用全雙工的422通訊方式。通訊參數(shù)設(shè)置為：通訊波特率為19200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)校驗(yàn)。

3．4．2監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)的理念是依據(jù)除塵脫硫工藝流程，在人機(jī)界面上呈現(xiàn)出系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)、傳感器儀表的數(shù)值顯示、操作功能按鈕等。為便于操作，將監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)功能單元分開設(shè)計(jì)，組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)的畫面主要包括：1）參數(shù)設(shè)置界面實(shí)現(xiàn)污泥泵、傳輸機(jī)等頻率給定和插板閥、電調(diào)閥等閥門開度給定；2）數(shù)據(jù)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度和設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；3）排灰閥操作畫面用于實(shí)現(xiàn)排灰閥的自動(dòng)和手動(dòng)控制。

4結(jié)束語(yǔ)

目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，實(shí)踐應(yīng)用表明：該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了現(xiàn)場(chǎng)的工作量和工作強(qiáng)度，為企業(yè)節(jié)約了8～10個(gè)人力成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。脫硫除塵自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各種過(guò)程控制和邏輯控制的功能，提高了企業(yè)的自動(dòng)化水平，使操作工人遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)操作，改善了工作條件，減輕了工作強(qiáng)度，為燃煤煙氣排放的達(dá)標(biāo)提供了良好保證，為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者：李大偉 單位：遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院