廢氣處理自動化控制系統(tǒng)
1. 概述
隨著環(huán)保要求的越來越高，對電廠排放超標(biāo)的煙氣進(jìn)行脫硫處理已是現(xiàn)代電廠建設(shè)的重要組成部分。目前，我國已有石灰石/石膏濕法、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法、爐內(nèi)噴鈣尾部煙氣增濕活化法、常壓循環(huán)流化床法、海水脫硫法、電子束法、煙氣循環(huán)流化床等 10 多種方法，其中石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝在煙氣脫硫工藝中約占 90 %以上。而就全世界而言，脫硫工程最多的國家如日本、美國、德國，他們主要采取煙氣脫硫的方法，而且其中 85%以上是用石灰石/石膏濕法工藝。發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)表明,石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)是一種最成熟的脫硫工藝技術(shù)?，F(xiàn)基于SIEMENS公司的PCS 7系統(tǒng)，為某新建電廠的 2×300MW 燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)石灰石/石膏濕法煙氣脫硫控制系統(tǒng)。
SIMATIC PCS 7 是 SIEMENS 公司結(jié)合先進(jìn)的電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的自動化控制理論，在 S5、S7 系列可編程控制器及 TELEPERM 系列集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，面向所有過程控制應(yīng)用場合開發(fā)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)既采用了 DCS 的系統(tǒng)構(gòu)架，擁有一個全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，又利用了 PLC 的硬件平臺，可謂綜合了 PLC 和 DCS 的優(yōu)點(diǎn)，是一個先進(jìn)的全集成(TIA)自動化控制系統(tǒng)。
2. 濕法脫硫系統(tǒng)概述
鍋爐引風(fēng)機(jī)排出的煙氣通過布袋除塵器除塵后，經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)增壓以克服脫硫系統(tǒng)的阻力，進(jìn)入煙氣換熱器（GGH）進(jìn)行降溫，降溫是為保護(hù)吸收塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)降溫的煙氣進(jìn)入吸收塔與噴淋的石灰石漿液接觸，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及加入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最后生成二水石膏，由吸收塔排漿泵排出，進(jìn)入一、二級石膏脫水系統(tǒng)，最后由傳送帶運(yùn)至石膏儲倉。脫硫后的凈煙氣依次經(jīng)過除霧器除去水滴，再經(jīng)過煙氣換熱器加熱升溫后，通過原有煙囪排入大氣。濕法脫硫系統(tǒng)工藝如圖1。
根據(jù)上述工藝，在控制系統(tǒng)中，兼顧到操作畫面切換速度和系統(tǒng)流程的完整性，把整個工藝流程分為如下幾個子系統(tǒng)：
a) #1 單元機(jī)組脫硫系統(tǒng)：煙氣系統(tǒng)、煙氣換熱系統(tǒng)、增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)和吸收塔集水坑系統(tǒng)；
b) #2 單元機(jī)組脫硫系統(tǒng)和#1 單元機(jī)組脫硫系統(tǒng)劃分相同；
c) 公用系統(tǒng)：石灰石卸料系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、石膏儲倉系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、工業(yè)水及工藝水系統(tǒng)、事故漿液池系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)；
d) 電氣系統(tǒng)：脫硫 PC 段電氣系統(tǒng)和脫硫保安段電氣系統(tǒng)。
3. 控制系統(tǒng)簡介
PCS 7 控制系統(tǒng)所有軟件都放在 SIMATIC Manager 管理器下集中管理，主要具有以下功能：創(chuàng)建項(xiàng)目、硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)定、硬件網(wǎng)絡(luò)配置、控制邏輯組態(tài)、調(diào)試程序和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。下面按照脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程具體介紹各功能的實(shí)現(xiàn)。
3.1 硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)定
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步就是創(chuàng)建個項(xiàng)目，然后在 HW Config 界面下，從 PCS 7 系統(tǒng)庫里選擇所需的硬件，比如 CPU、I/O 卡件、通訊模塊等，以恰當(dāng)?shù)姆绞浇M織起來，再針對相應(yīng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)定。硬件組態(tài)本質(zhì)上是對控制系統(tǒng)主站硬件的軟件描述，在此基礎(chǔ)上根據(jù) I/O 測點(diǎn)清單創(chuàng)建符號表，進(jìn)行硬件通道分配。
3.2 硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)即為工程師站、服務(wù)器、操作員站和控制系統(tǒng)主站的 CPU 配置通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相互間的通訊。在 SIMATIC Manager 管理器的 Network Configure 編輯界面下對硬件網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。
3.3 控制邏輯組態(tài)
控制邏輯是用SIMATIC Manager管理器下的CFC（連續(xù)功能圖）來組態(tài)的，CFC是一種用于連續(xù)過程自動化控制的圖形組態(tài)工具。系統(tǒng)預(yù)定義了不同的功能塊，如PID控制、閥門控制和電機(jī)控制等，只需要根據(jù)實(shí)際控制對象，從庫里找到相應(yīng)的功能塊并放在恰當(dāng)?shù)奈恢茫M態(tài)參數(shù)，通過強(qiáng)大的自動尋徑和完整的消息組態(tài)函數(shù)實(shí)現(xiàn)連接。
3.4 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)
WinCC（Windows Control Center）是一個功能強(qiáng)大的 HMI 系統(tǒng)，首先，通過 WinCC圖形編輯器可以很方便的設(shè)計(jì)操作和監(jiān)視畫面，并且 PCS 7 系統(tǒng)擁有一個全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，所以 WinCC 可以直接訪問已在硬件組態(tài)中定義的符號表，從而建立了自動化系統(tǒng)和 HMI 系統(tǒng)之間的通訊鏈路；其次，報(bào)警和消息系統(tǒng)可以通過 WinCC 報(bào)警記錄編輯器來組態(tài)，但在 PCS 7 系統(tǒng)中可以直接在控制邏輯組態(tài)時選用相應(yīng)的功能塊，通過編譯自動生成報(bào)警和消息變量，而不必在 WinCC 中單獨(dú)組態(tài)，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的便利性；再次，還能通過 WinCC 變量記錄編輯器用來組態(tài)歸檔系統(tǒng)，歸檔是在 Microsoft SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫中完成的，并可以通過歷史趨勢曲線來查看變量在不同時刻的值。而且 WinCC 還是一個開放式的系統(tǒng)，可與各種 PLC 連接。
4. 控制系統(tǒng)硬件配置
本控制系統(tǒng)分為 1 號和 2 號兩套完全相同的煙氣脫硫系統(tǒng)，大約有 1556 個控制設(shè)備：模擬輸入信號（AI）410 點(diǎn)、輸出信號（AO）16 點(diǎn)，熱電阻（RTD）163 點(diǎn)，信號類型有 4～ 20 mA，1～5 VDC，和熱電阻輸入信號等。開關(guān)量輸入信號（DI）1534 點(diǎn)，輸出信號（DO） 726 點(diǎn)。控制對象有閥門、電機(jī)和 PID 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，基本包括了過程控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)中所有典型設(shè)備,是一個復(fù)雜的大型控制系統(tǒng)。
4.1 控制系統(tǒng)主站（DPU）
本系統(tǒng)共有５個控制系統(tǒng)主站（DPU），其中＃１、＃２脫硫系統(tǒng)各１個，公用系統(tǒng)２個，事故追憶系統(tǒng)（SOE）１個。除事故追憶系統(tǒng)主站配置了中央控制器（CPU）S7 414-3 （可以滿足對程序規(guī)模和指令處理速度以及復(fù)雜通訊的更高要求）、電源模件 PS 405 20A、時鐘同步模件 MCP、通訊模件 CP443-1 和 3 個 32 通道的 DI 模件外，其余主站都配有兩套CPU（S7 414-4H 型）互為冗余，是控制系統(tǒng)站的核心，并通過 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線擴(kuò)展若干層 ET200M I/O 站（包括 AI/AO、DI/DO 和通訊模件）。
4.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
本系統(tǒng)由 7 臺工控機(jī)構(gòu)成，運(yùn)行平臺為 Windows 2000。具體分配如下：
a) 1臺作為工程師站，采用P4 2.8G處理器、１G內(nèi)存、２塊120G硬盤構(gòu)成磁盤陣列、千兆以太網(wǎng)卡和CP1613通訊處理器（工業(yè)以太網(wǎng)卡）。其配置組態(tài)設(shè)計(jì)工具PCS7 V6.0，用于對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì),如硬件配置、通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、連續(xù)和順序過程運(yùn)行組態(tài)、操作和監(jiān)控策略設(shè)計(jì)、通道監(jiān)測、過程趨勢和參數(shù)的整定、以及對服務(wù)器和操作員站組態(tài)和下載等等。
b) 2 臺作為服務(wù)器兼做數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器，硬件配置與工程師站基本相同，但是多一個用于配置冗余服務(wù)器系統(tǒng)的串口。兩臺服務(wù)器互為熱備，若其中任何一臺發(fā)生故障，則 WinCC 客戶機(jī)自動切換到當(dāng)前正常運(yùn)行的服務(wù)器，提高了系統(tǒng)的可靠性。服務(wù)器配置了 WinCC 服務(wù)器版。
c) 4 臺作為操作員站，硬件配置了P4 2.8G CPU、512M 內(nèi)存、80G 硬盤，操作員站和服務(wù)器以 Client/Server 模式配置運(yùn)行。配置 WinCC 運(yùn)行版作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且互為熱備冗余，保證了上位系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
圖 2：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置
4.3 網(wǎng)絡(luò)配置
整個控制系統(tǒng)有三層通訊網(wǎng)絡(luò)組成：以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)和 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線。整個網(wǎng)絡(luò)配置示意圖如圖 2 所示。
a）以太網(wǎng)層：由光纖交換機(jī)（OSM）構(gòu)成的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn) 100Mbps快速以太網(wǎng)連接，用于操作員站、2 臺服務(wù)器和 1 臺工程師站之間的交換數(shù)據(jù)。并且，OSM還具有冗余環(huán)網(wǎng)管理功能，任何一個節(jié)點(diǎn)斷開都不影響到網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
b) 工業(yè)以太網(wǎng)層：同樣由 OSM 構(gòu)成的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)，把服務(wù)器和工程師站配置的通訊處理器（CP1613）和 5 個控制系統(tǒng)主站（DPU）配置的通訊處理單元（CP 443-1）連接起來，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、工程師站與各控制系統(tǒng)主站的 CPU 之間的通訊。
c) 現(xiàn)場總線：PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率 9.6Kbps～12Mbps）、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，帶有令牌總線和主從模式的混合訪問過程，用于控制系統(tǒng)主站的 CPU （主站）和分布式 ET200M I/O 站（從站）之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集和處理。
5. 控制功能實(shí)現(xiàn)
DCS 系統(tǒng)主要具備模擬量控制（MCS）和開關(guān)量順序控制（SCS）的功能，在 PCS 7 控制系統(tǒng)中可以很方便的實(shí)現(xiàn)這兩種功能。
5.1 石灰石漿液流量控制
石灰石漿液流量控制本質(zhì)上是保證有足量的Ca2+和SO2反應(yīng)，所以主控回路是根據(jù)煙氣中SO2脫硫量的需要調(diào)節(jié)供給吸收塔的石灰石漿液流量。脫硫量是通過測量原煙氣流量和吸收塔進(jìn)出口的SO2含量而得到。由于CaCO3流量的調(diào)節(jié)影響著吸收塔反應(yīng)池中漿液的PH值，為了使化學(xué)反應(yīng)更完全，應(yīng)該將PH 值保持在5.8～6.2之間；當(dāng)PH值降低，所需的CaCO3流量應(yīng)按某一修正系數(shù)增加。在機(jī)組負(fù)荷變化比較大的時候，PH值不參與控制回路的修正，只由主回路進(jìn)行漿液流量調(diào)節(jié)；而當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較穩(wěn)定的時候，將實(shí)際測量的PH值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PH值控制器產(chǎn)生一個修正系數(shù)，對所需的CaCO3流量進(jìn)行修正。將經(jīng)PH值修正后的所需CaCO3流量與實(shí)際的CaCO3流量進(jìn)行比較，通過PID控制器控制石灰石漿液調(diào)節(jié)閥的開度。控制回路如圖3所示。在PCS 7 系統(tǒng)庫中，有設(shè)計(jì)好的PID調(diào)節(jié)器功能塊，可直接在CFC中拖放使用，既應(yīng)用方便又節(jié)省了設(shè)計(jì)的時間和工作量。
5.2 開關(guān)量順序控制
輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)和啟停控制以及一些主要閥門的開閉控制由 DCS 中的開關(guān)量順序控制系統(tǒng)（SCS）來完成，實(shí)現(xiàn)功能組或子組級的控制，以減輕運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度防止誤操作。比如石膏旋流器底流到吸收塔的順序控制：
步驟 1：打開石膏旋流器底流到吸收塔的閥門；
步驟 2：關(guān)閉石膏旋流器到脫水機(jī)的閥門；
步驟 3：結(jié)束；
應(yīng)用 CFC 設(shè)計(jì)這樣的順序控制邏輯非常方便，因?yàn)?PCS 7 系統(tǒng)庫提供了 SGC 和 STEP 功能塊。SGC 功能塊具有步管理功能，可用于順序啟動和順序關(guān)閉的控制過程，而且在 WinCC 中有標(biāo)準(zhǔn)的控制面板，可以方便的監(jiān)視執(zhí)行流程，如果在某步出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會給出報(bào)警提示，還可以由運(yùn)行人員執(zhí)行強(qiáng)制跳步功能。STEP 步功能塊可以很方便的設(shè)置每步要執(zhí)行的命令，以及每步執(zhí)行時需要等待、監(jiān)視和強(qiáng)制跳步的時間。在設(shè)計(jì)控制邏輯的時候只需要根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的流程把功能塊以恰當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來即可，如圖 4 所示。
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