基于PLC的锅炉烟气脱硫控制系统的设计

基于PLC的锅炉烟气脱硫控制系统的设计

1、引言

我国是燃煤大国，燃煤排放的SO2成为影响我国城市空气质量的主要污染物。因此，锅炉烟气脱硫是减排SO2的重要手段。

锅炉烟气脱硫系统具有很高的复杂性，其对控制系统的要求往往很高。而使用PLC控制已经成为一种较先进，应用势头强劲，应用越来越广泛的一种控制设备。它具有可靠性极高、能经受恶劣环境的考验、功能齐全、性价比高等特点，广泛应用于锅炉烟气脱硫工程。作者参与设计山东某热源厂2×75t/h锅炉烟气脱硫控制系统，采用了西门子S7-200可编程控制器，上位机采用北京亚控公司组态王KINGVIEW 6.53工业控制软件，实现对脱硫系统的监控。

2、脱硫系统工艺流程

本热源厂采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术。该技术以石灰石浆液作为脱硫剂，在吸收塔内对烟气进行喷淋洗涤，使烟气中的二氧化硫反应生成亚硫酸钙，同时向吸收塔的浆液中鼓入空气，强制使亚硫酸钙转化为硫酸钙，脱硫剂的副产品为石膏。该法脱硫效率高（大于95%），工作可靠性高。

该系统包括烟气换热系统、吸收塔脱硫系统、给料系统、石膏脱水和废水处理系统。本文设计的是给料系统的PLC控制系统。

3、锅炉脱硫系统简介

（1）本系统为2x75t/h锅炉烟气脱硫工程，每台锅炉前有三台气动双插板阀，系统运行时打开，系统停止时关闭;可现场操作，控制室操作员站操作，每套系统有一台22kw罗茨风机，用于将石灰石粉吹入锅炉，进行脱硫;带有就地/远控转换开关，可由现场控制柜或控制室操作员站操作，并能与炉前气动阀连锁，气动阀不能全部打开，罗茨风机不能运行。

（2）每套系统有一台4kw给料机，可变频调速。带有柜门安装的控制面板，可由现场控制柜或控制室操作员站操作给料机的启停，故障复位和给料机转速的控制，并能与罗茨风机连锁，罗茨风机不运行，给料机亦不能运行。

（3）两套系统共用一个石灰石粉仓，粉仓上安装有一个高料位、两个低料位三个射频导纳物位开关，带有就地/远控转换开关，可由现场控制柜、现场除尘器操作箱或控制室操作员站操作;现场除尘器操作箱安装于0m层，石灰石粉仓进料口附近，用于进料时操作粉仓除尘器并能检测粉仓内的石灰石粉的高度。

4、PLC控制系统硬件组成

（1）中央处理单元

S7-200选用CPU226 CN作为中央处理单元，具有24个数字量输入以及16个数字量输出，可扩展到248点数字量和35路模拟量。S7-200 CPU的指令功能强大，可以进行数字量逻辑控制、数据处理及闭环过程控制等。

（2）扩展模块

数字量扩展模块包括：EM223 CN，8输入DC 24V/8继电器输出;EM221 CN，8输入DC24V。

模拟量扩展模块：2个EM231 CN，4路模拟量输入，12位分辨率;EM232 CN，2路模拟量输出，12位分辨率。

5、PLC控制系统功能

PLC控制系统完成数据采集、模拟量控制以及顺序控制等功能。

（1）数据采集功能

上位机（工控机）安装了组态王KINGVIEW 6.53监控软件，它与S7-200之间通过自由口通信方式建立连接，实现数据传输。

数据采集功能将按照所要求的采样速度，模/数转换精度及扫描周期，对生产过程的各种信息量（模拟量、开关量）进行采集、处理、运算、检索及储存等，并以文字、图表、曲线等形式组态成各种画面，通过上位机的液晶显示屏显示出来，向操作员及时提供机组运行状态的信息。

数据采集的具体功能：

·显示：包括模拟图显示、操作显示、成组显示、报警显示等。

·制表记录：包括定期记录、实时记录、事故顺序记录等。

·历史数据存储与检索。

（2）模拟量控制

脱硫系统运行参数输入到PLC，利用PLC和PID软件功能控制模拟量输出，实现自动调节功能。此模拟量控制的功能将对给料机变频器进行频率控制。脱硫剂石灰石量的多少是由给料机变频器进行控制的，由于给料量的多少直接影响脱硫的效率，为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给料量。SO2含量设定值可以在上位机上进行修改，脱硫后的SO2监测值与设定值进行比较，经PID运算后调节给料机变频器的频率进而控制给料量。

（3）顺序控制SCS

SCS控制对象包括机组的电动机、气动门、电磁阀等，本工程SCS系统，将按可选的功

能组级、子组级、单项控制方式考虑，各子组级控制功能的启、停能独立运行。运行人员能在CRT键盘上选择自动程序控制或手动操作方式。在程序自动执行期间，出现任何故障可向运行人员发出中断信号，可使正在运行的程序中断并回到安全状态，屏幕上可显示程序中断的故障原因。当选择手动操作方式时，SCS系统设置的许可文件，可预防运行人员误操作。设备的联锁、保护指令具有最高优先级，手动指令则比自动指令优先，被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。SCS的保护和闭锁功能始终有效，不允许运行人员手动切除。

6、控制软件的设计思路

软件部分是实现脱硫控制的关键部分。软件按照模块化结构进行设计，以便达到较强的移植性和今后的功能扩展。

（1）程序流程

脱硫系统程序流程如图1所示：

图1 脱硫系统程序流程图

（2）闭环控制

为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给料量。本脱硫系统

PLC模拟量闭环控制PID功能图如图2所示，用SO2浓度传感器检测反应炉内的SO2浓度，变送器将传感器输出的电流信号转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与SO2浓度成比例的数字量，CPU将它与SO2设定值进行比较，按照PID控制算法对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号，用来控制给料机的输送量的多少，通过它控制锅炉内的SO2浓度，实现闭环控制。

图2 PID功能框图

S7-200 PLC提供了内置的PID运算指令。在进行模拟量闭环控制时，使用模拟量扩展模块（EM231、EM232）来完成PID控制。本文设计的PID功能指令如图3所示，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。本系统采用了现场实验整定法，直接在过程控制系统中进行参数整定。在上位机界面通过SO2实时曲线观察SO2浓度变化并修改PID参数，来达到理想的控制值。

图3 PID控制指令