论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了湿法烟气脱硫系统概况，重点描述了此控制系统中AB公司的Logix5000可编程序控制器的应用，设计了FGD自动控制系统和基于工控组态软件的计算机监控系统。
【关键词】湿法脱硫；PLC；控制系统
一、湿法脱硫工艺流程简介
锅炉烟气经电除尘除尘后，通过引风机、增压风机后进入吸收塔。烟气进入吸收塔后向上流动且被向下流动的浆液以逆流方式洗涤，洗涤除去SO2、SO3、HF、HCl等酸性烟气。
石灰石浆液制备系统（湿式球磨机）制成的新鲜石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔内，并与浆液池中已经生成的石膏浆液混合。浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化形成雾沫液滴，与烟气在塔内形成反应。
在吸收塔的底部，氧化风机所供给的空气和烟气与新鲜石灰石反应的产物（大部分产物为亚硫酸钙）在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO4·2H2O）,这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（初级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。
经过净化处理的烟气流经两级除雾器进行除雾，在此处将清洁烟气中所携带的雾滴去除。同时按特定程序用工艺水对除雾器进行冲洗。除雾器冲洗有两个目的：一是防止除雾器堵塞；二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到40－55℃左右，且为水蒸气所饱和。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。
图一FGD系统示意图
二、PLC控制系统的硬件设计
（一）主控制器
控制系统的设计是围绕主控制器ControlLogix控制器实现的，它是整个控制系统的核心模块，负责控制系统的控制工作，它收集与之相关的数据，包括来自I/O模块、通信模块、其他控制模块的数据，运行事先编制好的控制器功能程序，实现控制的全过程；控制器还为各种人机界面提供操作和监视数据，开放、方便而自由的网络通道，使外部机器简捷而快速地访问控制器内存，获取所需数据。
（二）控制器与I/O模块
控制器ControlLogix通过机柜内的背板处理来自上位机发出的开关量DO、模拟量AO信号，用来控制现场设备的启停及运行状态（例如对单台设备的启停、变频泵出力的调节等）；现场反馈来的开关量DI、模拟量信号AI也通过背板通信到控制器（例如电动门的开或者关状态，吸收塔液位计的液位显示等），然后显示到上位机上便于运行人员监控。
（三）通信模块
通信模块可以用作同一个框架内控制器的扫描器，负责为控制器收集ControlNet网络上的适配器的数据；也可用作远程框架的适配器，负责收集本框架中I/O模块的数据。
（四）冗余模块
为了保证整个控制系统的安全可靠运行， 每个都采用了双机热备配置。在同一个控制系统中的两个配置完全相同的机架上分别配置一块热备通讯模块，两个机架上的热备模块通过电彼此相连，每个扫描周期，主CPU 都要根据自身的I/O状态表，通过热备模块间的通讯，来更新备用CPU的I/O状态表，使备用CPU始终与主CPU保持同步，从而当主CPU模块或系统发生故障时，通过热备通讯组件，可以完全同步地、无扰动地进行CPU模块的切换，完成系统控制权从主CPU到备用CPU的转移。
三、PLC网络系统设计
第一层：现场控制机柜与操作员站计算机间的通讯采用100Mbps速率的Ethernet／IP工业以太网来实现。利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。它支持现场和远程控制、诊断和组态。
第二层：主站与子站冗余控制网络采用5Mbps的ControlNet网络。ControlNet控制网是当今三大标准工业控制网络之一，是一种开放的标准工业用网。由于ControlNet采用了生产者／消费者的网络模式，网络所有节点同步,信息吞吐量大,速度快,网络效率高，因此控制网是具有高速,高度确定和可重复性的网络,它可满足现场复杂控制要求下的控制任务。
四、PLC在脱硫系统中的应用实例
大唐国际大坝发电有限责任公司所装机组为两台600MW亚临界参数∏型汽包炉、国产燃煤机组直接空冷汽轮机发电机组，其脱硫系统主要分为4个系统，5号炉系统、6号炉系统、公用系统及废水系统，其中5、6号炉系统结构基本相同，这两个系统分别控制处理来自5号、6号机组的除尘后的烟气，公用系统控制处理反应后的产物的脱水排放，废水系统控制维持脱硫装置浆液循环系统物质的平衡，防止烟气中可溶部分即氯浓度超过规定值和保证石膏质量。
大唐国际大坝发电有限责任公司脱硫系统是选用AB公司生产的Logix5000系列的控制系统。
（一）其网络结构图如下:
图二宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司网络结构示意图
（二） 该公司将两台机组的整个脱硫控制系统分为5号炉系统、6号炉系统、公用系统及废水系统，有以下说明：
1.5号、6号脱硫系统过程控制子系统包括RTD模?块、AI模块、AO模块、DI模块及DO模块，端子排及继电器按照各模块与就地设备的控制关系分布在相应的盘柜内，5号、6号炉系统所控就地设备有：5号、6号脱硫吸收塔、5号、6号浆液循环泵、5号、6号增压风机、5号、6号石膏排出泵、5号、6号湿式球磨机等。
例：湿式球磨机系统的控制：
启动顺序：第一步：启动球磨机润滑系统；第二步：启动球磨机。启动球磨机前的启动允许条件为：3台滤液泵中的1号或者2号必须有有一台开启，润滑系统运行正常、球磨机轴承热电阻温度1（T<55℃）、球磨机轴承热电阻温度2（T<55℃）、球磨机减速机热电阻温度（T<80℃）、球磨机电机轴承热电阻温度1/2（T<85℃）、球磨机电机定子热电阻温度1/2/3/4/5/6（T<125℃）、慢传联锁位正常（其中慢传连锁位信号是从就地控制柜送至脱硫PLC的）。这些条件都是“与”的关系，即每个连锁条件都必须满足才能保证球磨机的正常启动，逻辑图（图2）如下：
图三湿式球磨机启动允许逻辑梯形图
连锁保护：保护关或关闭球磨机电机轴承热电阻温度1/2 （T≥90℃）、球磨机电机定子热电阻温度1/2/3/4/5/6（T≥130℃）、球磨机轴承热电阻温度1（T≥65℃）、球磨机轴承热电阻温度2（T≥65℃）、润滑系统故障、球磨机减速机热电阻温度（T≥85℃）、慢传联锁位误动。这些条件都是“或”的关系，即每个连锁条件只要有一个触发，则控制器发出停机跳闸信号至6KV配电柜，停止球磨机的运行。逻辑图如下：
图四湿式球磨机保护停逻辑梯形图（部分）
2. 公用系统及废水系统过程控制子系统包括AI模块、AO模块、DI模块及DO模块，端子排及继电器按照各模块与就地设备的控制关系分布在相应的盘柜内，公用系统所控就地设备有：1-5号氧化风机、5号及6号石膏脱水系统设备、工艺水系统设备、滤液水系统设备等；废水系统所控就地设备有：废水输送设备、废水加药设备、废水处理设备、污泥处理系统设备等。
例：脱硫废水处理系统污泥处理子系统控制逻辑
污泥处理系统包括污泥循环泵（2台，一运一备，故障切换）、污泥输送泵（2台，一运一备，故障切换）、污泥进料电磁流量计，污泥循环气动阀、污泥输送气动阀、污泥进料口气动阀、循环管反冲洗气动阀、输送管反冲洗气动阀、板框压滤机系统。
污泥输送泵与澄清/浓缩池泥位计连锁，当泥位达0.2米高度值时，污泥输送气动阀及污泥进料口气动阀开，同时污泥输送泵启动，将污泥输送至板框压滤机进行脱水处理，输送流量在线显示。污泥循环泵定期启动(每48小时启动0.2小时)，由时间继电器控制其周期运行，启动时需先打开污泥循环气动阀再进行污泥循环过程。当污泥输送过程与污泥循环过程相冲突时，优先权属污泥输送过程。
一个污泥脱水过程完成，待泥斗卸完泥饼后，污泥输送管路随即进行反洗：污泥输送气动阀及污泥进料口气动阀关闭，输送管反冲洗气动阀打开，污泥输送泵启动，清水从污泥输送管道中流通从而进行污泥输送管的清洗，清洗水从污泥回流管流入集水坑，清洗1~2分钟完毕后自动关闭。同样，一个污泥循环过程完成，污泥循环管路随即进行反洗：污泥循环气动阀关闭，循环管反冲洗气动阀打开，污泥循环泵启动，清水从污泥循环管道中流通从而进行污泥循环管的清洗，清洗水从排空流入集水坑，清洗1~2分钟完毕后自动关闭。
另宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司在废水处理上也有改进，在废水出口母管分出两路，一路至捞渣机系统，另一路至灰库，实现废水的完全利用及污水的零排放。
以上每个过程控制子系统按照本文第二章“2、PLC控制系统设计”原理配置一对冗余的PLC。这样的设计原理优点是：即使某块CPU、I/O 卡件或某台控制柜出现了故障也只会对它所在的子系统的某个部分产生影响。
五、人机对话的媒介—画面操作系统设计
大唐国际大坝发电有限责任公司在脱硫系统画面组态软件的选用中选择了IFIX软件。
IFIX提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控。无论是单机人机界面 (HMI)还是多节点、多现场的控制数据采集与控制系统它都易于扩展和集成，分布式的网络结构可以为系统提供最大的可扩展性，尤其IFIX server可直接连接到物理I/O点，并维护过程数据库。过程数据库中也有多种功能块可供选择，包括：模拟量、数字量输入输出块、计算块、报警块、累计块、计时器块、连续控制块、统计块及SQL功能块等。Intellution客户端应用包括：实时动态画面、趋势、报表、批次控制、MES等。
IFIX的在线组态功能值得一提，我们在脱硫系统调试期间很多点都会按照运行人员的操作习惯会对过程数据库、图形及其它应用程序进行修改、增加，此时我们无需关闭或重新启动iFIX就可以改动这些，而并不影响正常生产过程。
本文以宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司2×600MW机组为例简单介绍了火力发电厂的脱硫工艺流程，并设计了脱硫系统的控制系统、网络系统、画面控制系统。该系统以AB公司的Logix5000控制器为基础设计了整个控制系统，充分运用了可编程逻辑控制器可靠性高、易操作、编程方便、功能齐全等特点，使整个系统的稳定性有了可靠的保障，目前整个脱硫系统运行正常稳定。
DCS适用于工艺过程复杂、被控设备多、控制点数庞大的系统，控制点数可上千点甚至上万点，但造价很昂贵，但随着PLC逐步完善的模拟量控制功能以及本身强大的逻辑运算能力的逐渐结合，PLC的应用也日趋普遍，特别PLC与其他控制系统相比经济性的显著优势，成为各种系统根据其运行工况的首选控制系统。
【参考文献】
[1]汪晓平编著《PLC 可编程控制器系统开发实例导航——计算机接口技术系列》.人民邮电出版社.出版时间：2004年07月
[2]丁庆广编著.《可编程控制器原理及系统设计》.清华大学出版社 出版时间：2004年04月
[3]《IFIX学习手册》
【关键词】湿法脱硫；PLC；控制系统
一、湿法脱硫工艺流程简介
锅炉烟气经电除尘除尘后，通过引风机、增压风机后进入吸收塔。烟气进入吸收塔后向上流动且被向下流动的浆液以逆流方式洗涤，洗涤除去SO2、SO3、HF、HCl等酸性烟气。
石灰石浆液制备系统（湿式球磨机）制成的新鲜石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔内，并与浆液池中已经生成的石膏浆液混合。浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化形成雾沫液滴，与烟气在塔内形成反应。
在吸收塔的底部，氧化风机所供给的空气和烟气与新鲜石灰石反应的产物（大部分产物为亚硫酸钙）在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO4·2H2O）,这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（初级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。
经过净化处理的烟气流经两级除雾器进行除雾，在此处将清洁烟气中所携带的雾滴去除。同时按特定程序用工艺水对除雾器进行冲洗。除雾器冲洗有两个目的：一是防止除雾器堵塞；二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到40－55℃左右，且为水蒸气所饱和。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。
图一FGD系统示意图
二、PLC控制系统的硬件设计
（一）主控制器
控制系统的设计是围绕主控制器ControlLogix控制器实现的，它是整个控制系统的核心模块，负责控制系统的控制工作，它收集与之相关的数据，包括来自I/O模块、通信模块、其他控制模块的数据，运行事先编制好的控制器功能程序，实现控制的全过程；控制器还为各种人机界面提供操作和监视数据，开放、方便而自由的网络通道，使外部机器简捷而快速地访问控制器内存，获取所需数据。
（二）控制器与I/O模块
控制器ControlLogix通过机柜内的背板处理来自上位机发出的开关量DO、模拟量AO信号，用来控制现场设备的启停及运行状态（例如对单台设备的启停、变频泵出力的调节等）；现场反馈来的开关量DI、模拟量信号AI也通过背板通信到控制器（例如电动门的开或者关状态，吸收塔液位计的液位显示等），然后显示到上位机上便于运行人员监控。
（三）通信模块
通信模块可以用作同一个框架内控制器的扫描器，负责为控制器收集ControlNet网络上的适配器的数据；也可用作远程框架的适配器，负责收集本框架中I/O模块的数据。
（四）冗余模块
为了保证整个控制系统的安全可靠运行， 每个都采用了双机热备配置。在同一个控制系统中的两个配置完全相同的机架上分别配置一块热备通讯模块，两个机架上的热备模块通过电彼此相连，每个扫描周期，主CPU 都要根据自身的I/O状态表，通过热备模块间的通讯，来更新备用CPU的I/O状态表，使备用CPU始终与主CPU保持同步，从而当主CPU模块或系统发生故障时，通过热备通讯组件，可以完全同步地、无扰动地进行CPU模块的切换，完成系统控制权从主CPU到备用CPU的转移。
三、PLC网络系统设计
第一层：现场控制机柜与操作员站计算机间的通讯采用100Mbps速率的Ethernet／IP工业以太网来实现。利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。它支持现场和远程控制、诊断和组态。
第二层：主站与子站冗余控制网络采用5Mbps的ControlNet网络。ControlNet控制网是当今三大标准工业控制网络之一，是一种开放的标准工业用网。由于ControlNet采用了生产者／消费者的网络模式，网络所有节点同步,信息吞吐量大,速度快,网络效率高，因此控制网是具有高速,高度确定和可重复性的网络,它可满足现场复杂控制要求下的控制任务。
四、PLC在脱硫系统中的应用实例
大唐国际大坝发电有限责任公司所装机组为两台600MW亚临界参数∏型汽包炉、国产燃煤机组直接空冷汽轮机发电机组，其脱硫系统主要分为4个系统，5号炉系统、6号炉系统、公用系统及废水系统，其中5、6号炉系统结构基本相同，这两个系统分别控制处理来自5号、6号机组的除尘后的烟气，公用系统控制处理反应后的产物的脱水排放，废水系统控制维持脱硫装置浆液循环系统物质的平衡，防止烟气中可溶部分即氯浓度超过规定值和保证石膏质量。
大唐国际大坝发电有限责任公司脱硫系统是选用AB公司生产的Logix5000系列的控制系统。
（一）其网络结构图如下:
图二宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司网络结构示意图
（二） 该公司将两台机组的整个脱硫控制系统分为5号炉系统、6号炉系统、公用系统及废水系统，有以下说明：
1.5号、6号脱硫系统过程控制子系统包括RTD模?块、AI模块、AO模块、DI模块及DO模块，端子排及继电器按照各模块与就地设备的控制关系分布在相应的盘柜内，5号、6号炉系统所控就地设备有：5号、6号脱硫吸收塔、5号、6号浆液循环泵、5号、6号增压风机、5号、6号石膏排出泵、5号、6号湿式球磨机等。
例：湿式球磨机系统的控制：
启动顺序：第一步：启动球磨机润滑系统；第二步：启动球磨机。启动球磨机前的启动允许条件为：3台滤液泵中的1号或者2号必须有有一台开启，润滑系统运行正常、球磨机轴承热电阻温度1（T<55℃）、球磨机轴承热电阻温度2（T<55℃）、球磨机减速机热电阻温度（T<80℃）、球磨机电机轴承热电阻温度1/2（T<85℃）、球磨机电机定子热电阻温度1/2/3/4/5/6（T<125℃）、慢传联锁位正常（其中慢传连锁位信号是从就地控制柜送至脱硫PLC的）。这些条件都是“与”的关系，即每个连锁条件都必须满足才能保证球磨机的正常启动，逻辑图（图2）如下：
图三湿式球磨机启动允许逻辑梯形图
连锁保护：保护关或关闭球磨机电机轴承热电阻温度1/2 （T≥90℃）、球磨机电机定子热电阻温度1/2/3/4/5/6（T≥130℃）、球磨机轴承热电阻温度1（T≥65℃）、球磨机轴承热电阻温度2（T≥65℃）、润滑系统故障、球磨机减速机热电阻温度（T≥85℃）、慢传联锁位误动。这些条件都是“或”的关系，即每个连锁条件只要有一个触发，则控制器发出停机跳闸信号至6KV配电柜，停止球磨机的运行。逻辑图如下：
图四湿式球磨机保护停逻辑梯形图（部分）
2. 公用系统及废水系统过程控制子系统包括AI模块、AO模块、DI模块及DO模块，端子排及继电器按照各模块与就地设备的控制关系分布在相应的盘柜内，公用系统所控就地设备有：1-5号氧化风机、5号及6号石膏脱水系统设备、工艺水系统设备、滤液水系统设备等；废水系统所控就地设备有：废水输送设备、废水加药设备、废水处理设备、污泥处理系统设备等。
例：脱硫废水处理系统污泥处理子系统控制逻辑
污泥处理系统包括污泥循环泵（2台，一运一备，故障切换）、污泥输送泵（2台，一运一备，故障切换）、污泥进料电磁流量计，污泥循环气动阀、污泥输送气动阀、污泥进料口气动阀、循环管反冲洗气动阀、输送管反冲洗气动阀、板框压滤机系统。
污泥输送泵与澄清/浓缩池泥位计连锁，当泥位达0.2米高度值时，污泥输送气动阀及污泥进料口气动阀开，同时污泥输送泵启动，将污泥输送至板框压滤机进行脱水处理，输送流量在线显示。污泥循环泵定期启动(每48小时启动0.2小时)，由时间继电器控制其周期运行，启动时需先打开污泥循环气动阀再进行污泥循环过程。当污泥输送过程与污泥循环过程相冲突时，优先权属污泥输送过程。
一个污泥脱水过程完成，待泥斗卸完泥饼后，污泥输送管路随即进行反洗：污泥输送气动阀及污泥进料口气动阀关闭，输送管反冲洗气动阀打开，污泥输送泵启动，清水从污泥输送管道中流通从而进行污泥输送管的清洗，清洗水从污泥回流管流入集水坑，清洗1~2分钟完毕后自动关闭。同样，一个污泥循环过程完成，污泥循环管路随即进行反洗：污泥循环气动阀关闭，循环管反冲洗气动阀打开，污泥循环泵启动，清水从污泥循环管道中流通从而进行污泥循环管的清洗，清洗水从排空流入集水坑，清洗1~2分钟完毕后自动关闭。
另宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司在废水处理上也有改进，在废水出口母管分出两路，一路至捞渣机系统，另一路至灰库，实现废水的完全利用及污水的零排放。
以上每个过程控制子系统按照本文第二章“2、PLC控制系统设计”原理配置一对冗余的PLC。这样的设计原理优点是：即使某块CPU、I/O 卡件或某台控制柜出现了故障也只会对它所在的子系统的某个部分产生影响。
五、人机对话的媒介—画面操作系统设计
大唐国际大坝发电有限责任公司在脱硫系统画面组态软件的选用中选择了IFIX软件。
IFIX提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控。无论是单机人机界面 (HMI)还是多节点、多现场的控制数据采集与控制系统它都易于扩展和集成，分布式的网络结构可以为系统提供最大的可扩展性，尤其IFIX server可直接连接到物理I/O点，并维护过程数据库。过程数据库中也有多种功能块可供选择，包括：模拟量、数字量输入输出块、计算块、报警块、累计块、计时器块、连续控制块、统计块及SQL功能块等。Intellution客户端应用包括：实时动态画面、趋势、报表、批次控制、MES等。
IFIX的在线组态功能值得一提，我们在脱硫系统调试期间很多点都会按照运行人员的操作习惯会对过程数据库、图形及其它应用程序进行修改、增加，此时我们无需关闭或重新启动iFIX就可以改动这些，而并不影响正常生产过程。
本文以宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司2×600MW机组为例简单介绍了火力发电厂的脱硫工艺流程，并设计了脱硫系统的控制系统、网络系统、画面控制系统。该系统以AB公司的Logix5000控制器为基础设计了整个控制系统，充分运用了可编程逻辑控制器可靠性高、易操作、编程方便、功能齐全等特点，使整个系统的稳定性有了可靠的保障，目前整个脱硫系统运行正常稳定。
DCS适用于工艺过程复杂、被控设备多、控制点数庞大的系统，控制点数可上千点甚至上万点，但造价很昂贵，但随着PLC逐步完善的模拟量控制功能以及本身强大的逻辑运算能力的逐渐结合，PLC的应用也日趋普遍，特别PLC与其他控制系统相比经济性的显著优势，成为各种系统根据其运行工况的首选控制系统。
【参考文献】
[1]汪晓平编著《PLC 可编程控制器系统开发实例导航——计算机接口技术系列》.人民邮电出版社.出版时间：2004年07月
[2]丁庆广编著.《可编程控制器原理及系统设计》.清华大学出版社 出版时间：2004年04月
[3]《IFIX学习手册》