一种基于PLC的烟气脱硫监控系统的研究与实现

马　壮

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063020)



一种基于PLC的烟气脱硫监控系统的研究与实现

马壮

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063020)

摘要：设计了一种烟气脱硫监控系统：采用湿式石灰石烟气脱硫工艺作为系统脱硫控制方案；硬件方面采用PLC作为监控系统的下位机，采集实时数据与控制现场设备；将工控机作为上位机，通过组态软件实现对下位机的实时监控。经实验室调试证明：此监控系统实现了运行参数与数据的实时监控，具有控制简单、界面友好、维护性好等特点。

关键词：PLC；脱硫监控系统；组态软件

0引言

空气中硫元素的含量是影响空气质量的一个非常重要的因素，影响着人们的身体健康。随着我国工业化水平的不断提升，煤炭作为主要动力能源，其消耗量逐年递增，2013年超过了42.4亿t；尽管近两年受经济下滑因素的影响，消耗量有所减少，但2015年也在37亿t左右。二氧化硫作为煤炭燃烧后的产物，加剧了空气污染，严重破坏着自然环境。因此烟气脱硫技术在火电厂、燃煤钢厂中的应用尤为重要[1-3]。

目前国内外对脱硫技术理论的研究日趋成熟。不同公司设计的脱硫控制系统各有特点，均能达到一定的控制效果。本文以此为背景，利用西门子中性价比较高的S7-200系列PLC设计了脱硫监控系统。

1脱硫工艺概述以及选择

现今锅炉的脱硫技术方式繁多，但总体上可分为三种：①燃烧前脱硫；②炉内脱硫；③烟气脱硫。燃烧前脱硫工艺方式是用物理与生物化学的方法将煤中的硫分除去，但其最大的缺点是只能去除煤中的无机硫。炉内脱硫是将煤和固硫剂混合送入炉膛燃烧，其最终的燃烧产物硫酸盐则可以作为化肥用于农业中，但此技术方式成本较高。而烟气脱硫技术则对烟气进行化学和物理反应处理，最终达到烟气排放的标准。表1为常用脱硫方法特点的比较。

表1　常用脱硫方法特点比较

而现阶段烟气脱硫技术(flue gas desulfurization，简称FGD)不仅在我国脱硫领域占据着相当大的比例，在国际上也起着举足轻重的作用[4-5]。目前，烟气脱硫技术可分为湿法、干法和半湿法。本系统确定为湿法烟气脱硫技术，方法是将石灰磨碎后和脱硫副产物混合制成脱硫剂，经浆液泵升压送入脱硫塔雾化，其目的是充分与烟气接触发生反应，提高脱硫效率。

对于烟气脱硫工程技术而言，不仅要考虑其经济性，而且要考虑其可靠性、稳定性和安全性，因此选择湿法烟气脱硫技术，其脱硫产物——石膏可作为陶瓷厂或者水泥厂的原料。

与其他脱硫方式相比较，湿法烟气脱硫技术具有如下特点[6]：①具有高效的脱硫率；②单塔处理烟气量大、SO2被吸收剂充分吸收；③对于不同的煤种都适用；④具有高效的反应物颗粒传递速度；⑤反应灵敏，外围设备发生变化能做出回应；⑥烟气净化程度高；⑦石灰石作为吸收剂，产量丰富，经济可靠；⑧石膏作为脱硫产物能够被综合利用，产生可观的经济效益。

2系统组成及工艺控制要求

本监控系统针对湿法烟气脱硫技术设计，其系统结构如图1所示。

图1　系统整体功能框图

脱硫系统的工艺控制过程为：烟气先经电除尘器或者布袋除尘器进行除尘，此过程可除去烟气中的飞灰以及部分金属颗粒；气体再流经空气压缩机进行增压，便于烟气与脱硫剂充分接触发生反应；增压后的烟气通过气体换热器进行降温，目的是将烟气降到一定的温度后，有利于脱硫塔中的脱硫反应；降温后的烟气再经空气压缩机进行加压后进入脱硫吸收塔，在脱硫塔中与浆液吸收剂充分接触，发生物理与化学反应，最终在脱硫塔底部析出副产物石膏。循环浆液是由浆液泵送至脱硫塔中，并且由脱硫塔中的喷浆层喷射到塔内与SO2反应，从而可以除去SO2，SO3，HCL和HF等酸性气体。

3PLC选型与I/O分配以及梯形图程序设计

3.1PLC外部I/O分配

根据系统工艺控制要求，结合湿法烟气脱硫技术的特点，设置本系统主要输入点数为15点，输出点数为20点，其分配表见表2，其内部元件地址不作说明。本监控系统采用西门子S7-200系列PLC，型号为S7-226XP，同时需1个扩展模块EM222，2个EM235模块；除尘器选择静电除尘方式。

表2　PLC控制系统I/O分配简表

3.2梯形图程序设计及上位机

因篇幅所限，这里仅介绍吸收塔的pH值控制部分。此部分主要采用PID算法，通过对石灰石浆液的流量控制来达到控制pH值的目的。

3.2.1控制原理介绍

吸收塔中石灰石浆液的pH值是影响二氧化硫吸收的一个重要因素，浆液pH值一般要求在5.5～6.2之间。系统将采集上来的pH值与设定值相比较，并且将偏差值信号传送给变频器，通过变频器控制阀门开度从而控制浆液的流量，以使烟气达到净化的目的。浆液pH值的PID控制作为主PID控制，而浆液的流量控制为副PID控制，以确保有合适流量的浆液流入吸收塔，维持吸收塔中浆液的pH值在预定的范围。

3.2.2PLC系统PID算法实现

控制器对数据采集、分析、计算，并保存偏差值，同时对积分项前值也要进行保存，其数学模型简化为如下算式：

Mn=KC*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)。

(1)

式中：Mn是在第n个采样时间回路输出的计算值；KC是回路增益；en是采样时刻n的回路误差值；en-1是回路误差的前一个数值(在第n-1个采样时间)；KI是积分项的比例常数；MX是积分项的前一个数值(在第n-1个采样时间)；KD是微分项的比例常数。

在使用PLC的PID指令时，要注意输入PID指令的过程变量、给定值和输出值是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。而设定值和过程变量的大小、范围和工程单位都可能不一样。因此，在设置值送进PID指令之前，需要将输入实际值的实数值表达形式转换成0.0～1.0之间的标准化值。

第一步，把16位整数值转换成浮点型实数值：

ITDAIW0，AC0//将输入值转换为双整数

DTRAC0，AC0//将32位双整数转换为实数

第二步，将现实世界值的实数值表达形式转换成0.0～1.0之间的标准化值：

/R64000.0，AC0//累加器中的标准化值

+R0.5，AC0//加上偏置，使其在0.0～1.0之间

MOVRAC0，VD100//标准化值存入回路表

回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。在回路输出用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是将PV(过程变量)和SP(给定值)转换为标准值的逆过程。

MOVRVD108，AC0//回路输出值移入累加器

--R0.5，AC0//仅双极性有此句

*R64000.0，AC0//在累加器中得到刻度值

第三步，把表示回路输出的实数刻度值转换成16位整数：

ROUNDAC0，AC0//实数转换为32位整数

DTIAC0，LW0//32位整数转换为16位整数

MOVWLW0，AQW0//16位整数写入模拟输出寄存器

经过窗口的设置，增加曲线，以及设置采样周期、时间长度等，最终系统调试曲线界面如图2所示。此系统具有对趋势曲线进行实时曲线和历史曲线的转换、进行历史曲线的查询、设置曲线的样式、打印趋势曲线以及对数据进行实时监控等特点。

图2　系统调试曲线界面

3.2.3上位机程序设计及系统调试

上位机程序设计主要配合下位机实现系统的监控。通过数据线缆可与下位机PLC进行通讯、传输数据、处理图像、记录采集数据等。系统控制界面如图3所示。

图3　系统整体监控界面

4结论

采用S7-200PLC作为控制器，设计了烟气脱硫监控系统。通过实验室模拟运行调试证明，系统基本符合预定的控制要求，具有很好的跟踪性能，稳定性较高。但在现场实际应用中出现了pH值滞后现象，还有待调试，关键要设置比例系数与积分时间两个参数，减少微分环节，具体情况需根据调节阀的特性进行针对性的调整。

参考文献：

[1]谭鑫，钟擂刚，甄岩，等.钙法烟气脱硫技术研究进展[J].化工环保，2003，23(6)：322-328.

[2]阎维平，刘忠，王春波，等.电站燃煤锅炉石灰石湿法烟气脱硫装置运行与控制[M].北京：中国电力出版社，2005：5.

[3]田斌.湿法脱硫技术问题及脱硫效率探讨[J].内蒙古科技与经济，2010(2)：108-109.

[4]曾巧巧.“十二五”钢铁将全面实施烧结烟气脱硫钢铁烧结机烟气排放标准即将颁布实施[J].天津冶金，2011(2)：56-56.

[5]吴华雄.脱硫技术及选择脱硫工艺的建议[J].湖北电力，1999，23(2)：38-41.

[6]李春花，王华，胡建航.影响固定床烟气脱硫因素的研究[J].工业加热，2005，34(5)：1-3.

(责任编校：李秀荣)

The Research and Implementation of a PLC-Based Monitoring System for Flue Gas Desulfurization

MA Zhuang

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a monitoring system for flue gas desulfurization， with the flue gas desulfurization through wet limestone process as a desulfurization system control scheme， PLC as the lower computer of the monitoring system to collect real-time data and control equipment on the spot， and an IPC as the host computer to achieve the real-time monitoring of slave computers through the configuration softwares. The laboratory tests show that the monitoring system is characterized by the real-time monitoring of running parameters and data， simple control， friendly interface， and good maintainability.

Key Words：PLC； desulfurization monitoring system； configuration software

基金项目：2015年度唐山学院教育科学研究项目(150271)

作者简介：马壮(1977-)，男，河北迁安人，副教授，硕士，主要从事自动控制理论与技术应用研究。

中图分类号：TP277.2

文献标志码：A

文章编号：1672-349X(2016)03-0018-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.006