廢氣處理自動化控制系統
1. 概述
隨著環保要求的越來越高，對電廠排放超標的煙氣進行脫硫處理已是現代電廠建設的重要組成部分。目前，我國已有石灰石/石膏濕法、旋轉噴霧干燥法、爐內噴鈣尾部煙氣增濕活化法、常壓循環流化床法、海水脫硫法、電子束法、煙氣循環流化床等 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。發達國家的經驗表明,石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術是一種最成熟的脫硫工藝技術。現基于SIEMENS公司的PCS 7系統，為某新建電廠的 2×300MW 燃煤機組設計石灰石/石膏濕法煙氣脫硫控制系統。
SIMATIC PCS 7 是 SIEMENS 公司結合先進的電子技術、網絡通訊技術、現場總線技術、圖形及圖像處理技術、計算機技術和先進的自動化控制理論，在 S5、S7 系列可編程控制器及 TELEPERM 系列集散控制系統的基礎上，面向所有過程控制應用場合開發的先進控制系統。系統既采用了 DCS 的系統構架，擁有一個全局數據庫，又利用了 PLC 的硬件平臺，可謂綜合了 PLC 和 DCS 的優點，是一個先進的全集成(TIA)自動化控制系統。
2. 濕法脫硫系統概述
鍋爐引風機排出的煙氣通過布袋除塵器除塵后，經增壓風機增壓以克服脫硫系統的阻力，進入煙氣換熱器（GGH）進行降溫，降溫是為保護吸收塔的內部結構。經降溫的煙氣進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行化學反應，最后生成二水石膏，由吸收塔排漿泵排出，進入一、二級石膏脫水系統，最后由傳送帶運至石膏儲倉。脫硫后的凈煙氣依次經過除霧器除去水滴，再經過煙氣換熱器加熱升溫后，通過原有煙囪排入大氣。濕法脫硫系統工藝如圖1。
根據上述工藝，在控制系統中，兼顧到操作畫面切換速度和系統流程的完整性，把整個工藝流程分為如下幾個子系統：
a) #1 單元機組脫硫系統：煙氣系統、煙氣換熱系統、增壓風機系統、吸收塔系統和吸收塔集水坑系統；
b) #2 單元機組脫硫系統和#1 單元機組脫硫系統劃分相同；
c) 公用系統：石灰石卸料系統、石灰石漿液制備系統、石膏脫水系統、石膏儲倉系統、氧化空氣系統、壓縮空氣系統、工業水及工藝水系統、事故漿液池系統和廢水處理系統；
d) 電氣系統：脫硫 PC 段電氣系統和脫硫保安段電氣系統。
3. 控制系統簡介
PCS 7 控制系統所有軟件都放在 SIMATIC Manager 管理器下集中管理，主要具有以下功能：創建項目、硬件組態及參數設定、硬件網絡配置、控制邏輯組態、調試程序和人機界面設計。下面按照脫硫控制系統設計流程具體介紹各功能的實現。
3.1 硬件組態及參數設定
控制系統設計的第一步就是創建個項目，然后在 HW Config 界面下，從 PCS 7 系統庫里選擇所需的硬件，比如 CPU、I/O 卡件、通訊模塊等，以恰當的方式組織起來，再針對相應的硬件進行詳細的參數設定。硬件組態本質上是對控制系統主站硬件的軟件描述，在此基礎上根據 I/O 測點清單創建符號表，進行硬件通道分配。
3.2 硬件網絡組態
硬件網絡組態即為工程師站、服務器、操作員站和控制系統主站的 CPU 配置通訊網絡，實現相互間的通訊。在 SIMATIC Manager 管理器的 Network Configure 編輯界面下對硬件網絡進行配置。
3.3 控制邏輯組態
控制邏輯是用SIMATIC Manager管理器下的CFC（連續功能圖）來組態的，CFC是一種用于連續過程自動化控制的圖形組態工具。系統預定義了不同的功能塊，如PID控制、閥門控制和電機控制等，只需要根據實際控制對象，從庫里找到相應的功能塊并放在恰當的位置，組態參數，通過強大的自動尋徑和完整的消息組態函數實現連接。
3.4 人機界面（HMI）設計
WinCC（Windows Control Center）是一個功能強大的 HMI 系統，首先，通過 WinCC圖形編輯器可以很方便的設計操作和監視畫面，并且 PCS 7 系統擁有一個全局數據庫，所以 WinCC 可以直接訪問已在硬件組態中定義的符號表，從而建立了自動化系統和 HMI 系統之間的通訊鏈路；其次，報警和消息系統可以通過 WinCC 報警記錄編輯器來組態，但在 PCS 7 系統中可以直接在控制邏輯組態時選用相應的功能塊，通過編譯自動生成報警和消息變量，而不必在 WinCC 中單獨組態，提高了系統應用的便利性；再次，還能通過 WinCC 變量記錄編輯器用來組態歸檔系統，歸檔是在 Microsoft SQL Server 2000 數據庫中完成的，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，可與各種 PLC 連接。
4. 控制系統硬件配置
本控制系統分為 1 號和 2 號兩套完全相同的煙氣脫硫系統，大約有 1556 個控制設備：模擬輸入信號（AI）410 點、輸出信號（AO）16 點，熱電阻（RTD）163 點，信號類型有 4～ 20 mA，1～5 VDC，和熱電阻輸入信號等。開關量輸入信號（DI）1534 點，輸出信號（DO） 726 點。控制對象有閥門、電機和 PID 執行機構等，基本包括了過程控制系統和順序控制系統中所有典型設備,是一個復雜的大型控制系統。
4.1 控制系統主站（DPU）
本系統共有５個控制系統主站（DPU），其中＃１、＃２脫硫系統各１個，公用系統２個，事故追憶系統（SOE）１個。除事故追憶系統主站配置了中央控制器（CPU）S7 414-3 （可以滿足對程序規模和指令處理速度以及復雜通訊的更高要求）、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，是控制系統站的核心，并通過 PROFIBUS-DP 現場總線擴展若干層 ET200M I/O 站（包括 AI/AO、DI/DO 和通訊模件）。
4.2 上位機監控系統
本系統由 7 臺工控機構成，運行平臺為 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內存、２塊120G硬盤構成磁盤陣列、千兆以太網卡和CP1613通訊處理器（工業以太網卡）。其配置組態設計工具PCS7 V6.0，用于對系統進行組態設計,如硬件配置、通訊網絡組態、連續和順序過程運行組態、操作和監控策略設計、通道監測、過程趨勢和參數的整定、以及對服務器和操作員站組態和下載等等。
b) 2 臺作為服務器兼做數據歸檔服務器，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器系統的串口。兩臺服務器互為熱備，若其中任何一臺發生故障，則 WinCC 客戶機自動切換到當前正常運行的服務器，提高了系統的可靠性。服務器配置了 WinCC 服務器版。
c) 4 臺作為操作員站，硬件配置了P4 2.8G CPU、512M 內存、80G 硬盤，操作員站和服務器以 Client/Server 模式配置運行。配置 WinCC 運行版作為上位機監控系統，并且互為熱備冗余，保證了上位系統運行的可靠性。
圖 2：系統網絡配置
4.3 網絡配置
整個控制系統有三層通訊網絡組成：以太網、工業以太網和 PROFIBUS-DP 現場總線。整個網絡配置示意圖如圖 2 所示。
a）以太網層：由光纖交換機（OSM）構成的環形光纖網絡，可實現 100Mbps快速以太網連接，用于操作員站、2 臺服務器和 1 臺工程師站之間的交換數據。并且，OSM還具有冗余環網管理功能，任何一個節點斷開都不影響到網絡的正常運行。
b) 工業以太網層：同樣由 OSM 構成的環形光纖網絡，把服務器和工程師站配置的通訊處理器（CP1613）和 5 個控制系統主站（DPU）配置的通訊處理單元（CP 443-1）連接起來，實現服務器、工程師站與各控制系統主站的 CPU 之間的通訊。
c) 現場總線：PROFIBUS-DP 現場總線是一種高速（數據傳輸速率 9.6Kbps～12Mbps）、經濟的設備級網絡，帶有令牌總線和主從模式的混合訪問過程，用于控制系統主站的 CPU （主站）和分布式 ET200M I/O 站（從站）之間的數據通訊，實現現場信號的采集和處理。
5. 控制功能實現
DCS 系統主要具備模擬量控制（MCS）和開關量順序控制（SCS）的功能，在 PCS 7 控制系統中可以很方便的實現這兩種功能。
5.1 石灰石漿液流量控制
石灰石漿液流量控制本質上是保證有足量的Ca2+和SO2反應，所以主控回路是根據煙氣中SO2脫硫量的需要調節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出口的SO2含量而得到。由于CaCO3流量的調節影響著吸收塔反應池中漿液的PH值，為了使化學反應更完全，應該將PH 值保持在5.8～6.2之間；當PH值降低，所需的CaCO3流量應按某一修正系數增加。在機組負荷變化比較大的時候，PH值不參與控制回路的修正，只由主回路進行漿液流量調節；而當機組負荷較穩定的時候，將實際測量的PH值與設定值進行比較，通過PH值控制器產生一個修正系數，對所需的CaCO3流量進行修正。將經PH值修正后的所需CaCO3流量與實際的CaCO3流量進行比較，通過PID控制器控制石灰石漿液調節閥的開度。控制回路如圖3所示。在PCS 7 系統庫中，有設計好的PID調節器功能塊，可直接在CFC中拖放使用，既應用方便又節省了設計的時間和工作量。
5.2 開關量順序控制
輔機的聯鎖保護和啟停控制以及一些主要閥門的開閉控制由 DCS 中的開關量順序控制系統（SCS）來完成，實現功能組或子組級的控制，以減輕運行人員勞動強度防止誤操作。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：關閉石膏旋流器到脫水機的閥門；
步驟 3：結束；
應用 CFC 設計這樣的順序控制邏輯非常方便，因為 PCS 7 系統庫提供了 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閉的控制過程，而且在 WinCC 中有標準的控制面板，可以方便的監視執行流程，如果在某步出現故障，系統會給出報警提示，還可以由運行人員執行強制跳步功能。STEP 步功能塊可以很方便的設置每步要執行的命令，以及每步執行時需要等待、監視和強制跳步的時間。在設計控制邏輯的時候只需要根據預先設計好的流程把功能塊以恰當的方式連接起來即可，如圖 4 所示。
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