PLC在钢厂烧结烟气脱硫系统设计中的应用.pdf

第 3 8卷第 3 期 2 0 0 7年 5 月 太原理工大学学报 j oURNAL OF TAI YUAN UNI VERS I TY 0F TECHNOL OGY Vo 1 ． 3 8 No ． 3 M a y 2 007 文 章 编 号 1 0 0 7 9 4 3 2 2 0 0 7 0 3 - 0 2 5 6 0 3 P L C在钢厂烧结烟气脱硫系统设计中的应用 张晓刚，王 亮 ，周 超 ，宋存 义 北京科技 大学 环境工程 系， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 介 绍 了密 相 干 塔 烟 气 脱 硫 方 法 的 原 理 及 控 制 要 求 ， 并 针 对 工 艺 要 求 设 计 了监 测 控 制 系 统 。 系 统 选 用 西 门 子 S7 3 0 0 系 列 可 编 程 控 制 器 PLC 作 为 现 场 控 制 主 站 ， 对 系 统 的 控 制 功 能 、系 统 的 配 置 和 软 件 编 写 进 行 了讨 论 。 该 系统 具 有 良好 的 实 用 性 和 可 靠 性 ， 已成 功 运 用 到 实 际 生 产 中 ， 对 烧 结 烟 气 脱 硫 过 程 控 制 系 统 的 设 计 具 有 一 定 的 参 考 意 义 。 关 键 词 PLC； 烟 气 脱 硫 ； 系统 配 置 ； 烧 结 烟 气 中 图 分 类 号 TP 2 7 3 文 献 标 识 码 A 酸 雨是 环境 的主要 污染 源 之 一 ， “ 十一 五 ” 期 间， 减排 S O 成为中国环境保护的重点。钢厂烧结 烟气脱 硫作 为保 护环境及 对 大型污 染源 的排 放进行 控制的一项重要措施 ， 对减少 S O 排放 、 提高 人们 生活质量有着重要意义。笔者针对二氧化硫总量削 减 目标中 2 0 0 6年必须开工建设 的重点项 目 河 北省某钢厂二烧 5 0 m 机头 烟气脱硫项 目， 结合密 相 干塔 烟气脱 硫方 法 ， 采 用西 门子 S 7 3 0 0系列 P L C 为主站 ， 对控制系统的硬件和软件进行了设 计。 1 工 艺 简 介 从 钢 铁生 产 的工 艺流程 分 析 ， 钢 铁生 产 过 程产 生 的 S O 主要来 源 于烧 结 工序 。烧 结工 序 外 排 S O 所 占 比例在 5 0 ％左右 1 ] 。国外 在 2 0 世 纪 7 0年 代就开始对烧结烟气进行脱 硫， 但我 国钢铁企业有 烧结机烟气脱硫设备和脱硫措施 的还很少 ] 。密相 塔烟气 脱硫 方法是 一 种 新 型 的 半 干法 脱 硫 工 艺 ， 该 法具有耗水量低、 投资运行费用低 、 无腐蚀、 无废水 产生、 对不同 S O 浓度的烟气及负荷变化的适应能 力强等优点 ， 适用于烧结脱硫_ 3 ] 。该脱硫系统主要 由脱硫 塔 、 增 压风 机 、 加 湿器 、 循环 系统 等组 成 ， 其 原 理如 图 1 所 示 。 图 1中， 干粉状 的钙基脱硫剂与塔下部、 布袋除 尘器 收集 的大量循 环灰 一起 进入加 湿器 内进 行增 湿 活化 ， 然后进入塔内与含二氧化硫的烟气进行反应 ， 从而达到脱硫 的目的。反应塔 内设有的搅拌器能够 起 到搅拌 、 破碎 作 用 。处 理 后 的洁 净 烟 气通 过 增 压 风机 由烟 囱排 出 。脱 硫 剂 可 以不 断 循 环 利 用 ， 脱 硫 效率可达 9 5 。针对该工艺， 我们进行 了监控 系统 的设 计 。 图 1 脱硫 系统工艺原理图 2 监控 系统 的硬件构 成 监 控 系统 选 用 西 门子 公 司 的 S I MATI C S 7 3 0 0 系列 P L C产品 ， 包括 C P U 3 1 5 - 2 D P中央处 理单元 模板， S M 3 2 1 数字量输入模板 ， S M 3 2 2 数字量输出 模板 ， S M 3 3 1模拟 量输 入模 板 ， S M 3 3 2模 拟量输 出 模板 ， 接 口模板， 电源模板等。脱硫系统主站通过多 点接口 MP I 子网与安装 C P 5 6 1 1卡的上位机 操作 员 站 、 工 程师 站 通 讯 ， 同 时通过 P R OF I B US现 场 总 线 与从 站通 讯 。系 统 的上 位 机 选 用研 华 工控 机 ， 完 成系统的组态 、 监控画面、 数据存储等功能 。 烟气分析选用 B KS - 3 0 0 0型烟气在线监测系统 C E MS ， 采用抽取式伴热采样方式分析烟气成分， 检测点分别设在脱硫装置 的进 口和出 口烟道上 ， 通 过 P R OF I B US现场 总线 与脱硫 主 站联 网 ， 为 实现 闭 收稿 日期 2 0 0 6 1 0 3 0 作者简介 张晓刚 1 9 7 5 一 ， 男 ， 山西大同人 ， 博士，主要从事安全系统设计及故障诊断研究 ， Te 1 0 1 0 --6 2 3 3 3 4 3 4 ， E - ma i l z x g b j 1 6 3 ． C O IT I 维普资讯 第 3 期 张晓刚等 P L C在钢厂烧结烟气脱硫 系统设计 中的应用 2 5 7 环控制和性能考核提供数据。C E MS系统主要包括 G S P 一 3 0 0 0型烟气采样器 、 KS P - I - 1 0 0 0 D型颗粒物分 析仪 、 KP V一 2 0 0 0型温压流分析仪、 MG A一 3 0 0 0型多 组分气体分析仪 以及吹扫气过滤 系统 、 伴热温控系 统等装 置 。采样 探 头 具 有 吹 扫 和 自清 洁 装 置 ， 并 具 有耐高温 、 抗腐蚀的性能， 末端的过滤器采用 陶瓷材 料， 避免杂质渗入到样气系统 中。流量监测探头使 用耐酸不锈钢材料 ， 热电阻采用不锈钢套管 ， 以保证 在高温和腐蚀性环境中的连续工作 。 3 系统软件设计 系统软件编程 由 P L C编程和上位机组态编程 两个 部分 组 成 ， 分 别 选 用 西 门子 S TE P 7 V5 ． 3梯 形 图编程软件和力控 P c Au t o 3 ． 6 2组态软件 。S TE P 7 是 可编程 控制器 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0的编 程语 言 ， 包 含 了 自 动化项 目中从项 目启动 、 实施到测试以及服务每一 阶段所需要的全部功能[ 4 ] 。 3 ． 1 S T E P 7软件设 计 软件编程采用结构化方法 ， 将控制系统分解成 功能上相对独立的组成部分， 通过对应 的控制功能 块 F B 、 F C 来加 以编 程 ， 然后 通 过 系 统组 织 块 O B 1 将这些控制功能块及编制的中断动作功能块组成一 个整体， 来实现对系统的可靠 、 高效的实时监控。这 样的结构优点在于提高了整个控制系统的可维护与 可扩展性 ， 可以根据生产的需要很方便地将某一部 分控制 功 能从原 控 制 系统 中去 除 ， 也 可 以随 着 生 产 的发展很方便地加入其他功能。 图 2为 系统 的主要 控 制 框 图 ， 在 系统 控 制 逻辑 的设计 中， 我们考虑到以下几个方面 。 1 该 系统 在 启 动 和 停 机 时 有 多个 设 备 参 与 的 动作 ， 不 同的设备 有不 同的时序要求 。例如在系统 启动过程中， 启动轴流式增 压风机 以前 ， 为防止过 载， 要求关 闭进风阀、 关闭前导叶、 打开出风 阀。当 增 压风机 启动 ， 其 主 电机 正 常运行 后 ， 要 在 1 mi n内 将 进风 阀打开 并将 前 导 叶 调 至 所需 开 度 ， 否则 会 导 致失速 ； 在启动和关 闭循环系统时， 要按照一定的时 序和联锁关系 ， 否则 会导致物料堵 塞、 传 动 电机过 载。根据这些情况 ， 我们把系统启动逻辑专 门独立 出来 ， 便于系统调试与维护。 2 系统根据故 障后果 的严重程度划分故 障级 别 ， 对故障进行 自动监测 、 报警和处理。当发生故障 时 ， 能够 自动检测故障位置 ， 并根据事先设定 的故障 级别进行处理 ， 同时进行声光报警 。如果发生影响 整个系统安全的严重故障时 ， 系统能按照 预先设计 开始 系统初始化 ＼ 自动运行模式 调用自动启动逻辑 N 接受软手动操作 命令 N Y l l 乐玑 腑 大腿 1 日夙 发送启动成功信息 调 用 留 翥 能 块 l l Y 系 统 自 动 运 行 I l Y 正常运行 ＼ ／ N 、＼ 严重故障 、 、 Y● 系统停机并报警 恢复初始状态 N 二二] 执行相应的故障 中断动作并报警 图 2 系统运行控制框 图 的停机 逻辑 进行 自动 停机 。 3 由于使用的是新工艺 ， 考虑系统的可靠性和 安 全性 ， 控 制系统 设 计包含 三种 运行 模式 就地 操作 箱手动控制模式、 远程 自动控制 、 远程软手动控制模 式 。系统通 过 自动模式 实 现系统 联锁 启动 和联 锁停 机 ， 远程软手动模式可 以在上位机实现单个设备点 动 ， 这种模式可以方便调试 阶段的运行 。系统正常 运行时 ， 通过编制的程序， 可以在就地操作箱实现远 程和就地无扰切换 ， 便于现场检修和处理故障。 3 ． 2反 应温 度控 制 回路设 计 在反应过程中， 脱硫塔 出口烟气温度与烟气绝 热饱和温度之差 近绝热饱和温度 A t 对脱硫效率 和稳定运行起着重要作用。 越小 ， 蒸 发越慢 ， 液 相存在时间也越长， 脱硫剂 与烟气中 S O 。的离子反 应时间长 ， 脱硫效率越高 。另一方面， 必须保证脱硫 剂到达脱硫塔出 口前完全干燥 ， 以及整个脱硫系统 在露 点 以上安全 运 行 ， 否 则 将 引 起 系统 粘 壁 阻 塞 和 结露。根据工程综合考 虑， △ ￡ 控制 在 1 0℃左右。 系统采 用 以下方 案 在控 制 过 程 中 ， 根 据 锅 炉 负荷 、 烟气温度函数关 系曲线和脱硫塔入 口烟气量计算得 出锅炉烟气热量 ， 与循环灰加湿水量、 降温喷水量总 和计算得到的吸热量进行 比较 ， 两者偏差作为改变 喷水量 的前馈信号 ， 脱硫塔出 口温度作为微量调节 的偏差校正信号。调节 回路 采用 串级调节方式 上 维普资讯 2 5 8 太 原 理 工 大 学 学 报 第 3 8卷 级调节 器为 温度调 节 器 ， 下 级 调 节 器 为喷 水 量 调 节 器 ， 当温 度变 化时 ， 调节 喷水 调节 阀的开 度使 水量相 应 变化 。温度 检 测 采 用 P TI O 0热 电 阻并 选 用 不 锈 钢保护套管 ， 由于其在信号响应上有一定的滞后 ， 因 此在调节 回路中增加了负荷突变的微分环节 ， 以改 善 系统 的动态 响应特 性 。 3 ． 3上 位机 软件 开发 上 位 机 组 态 软 件 采 用 北 京 三 维 力 控 P c Au t o 3 ． 6 2 ， 用 以实现 上位 机和 P L C的通讯 和设 备 状 态显 示 ， 软件具有根据用户权 限级别登录、 查 阅历史纪 录、 趋势分析和报表打印等功能 ， 使操作者可以方便 地对系统运行所产生、 收集 的各种数据进行统计和 处理 。操作人员可以对整个系统的运行情况进行有 效 的监控 ， 并可根 据现 场 的实际情 况 ， 在上 位机 对某 些 自控设备等进行软手动 、 自动间无扰切换 ， 从而灵 活地参 与控制。同时， 利用 P c Au t o提供 了“ 控制策 略” 的计算推理功能 ， 由上位机来进行机电设备故障 诊断专家知识的获取和存储 ， 若发现系统有故障， 经 过判断推理 ， 上位机会给出具体故障的部位及排除 故障的技术路线。这样可以及时发现和解决系统问 题 ， 提 高系统 的可 靠性 和安 全性 。 4 系统调试 与运行 为了高效优质完成调试工作 ， 确保工艺试车进 度 ， 并实现长期、 安全稳定生产的 目标 ， 脱硫控制系 统实施 了以下调 试步 骤 。 1 对 已经编写好的程序进行审核 ， 验证其设计 的合理性。 2 在工控机上使用仿 真软件进行模拟试运行 与测 试 ， 对发 现 的潜在 问题 进行 调整 。 3 在设备运行条件满足时， 进行分部调试 ， 即对 各设备 、 电气 及仪 表进 行 检查 与校 订 ， 并对 机 电设 备 进行空转试验 。在设备具备运转条件后 ， 再对主要设 备如增压风机、 脱硫塔搅拌器等进行连续运转试验， 检查其 运行 工况 。检查 过程 中 ， 各设 备运行正 常。 4 在冷 态试验 中 ， 检查 F G D 系统 的控 制 逻辑 。 在程序启动控制逻辑检查核对完好后 ， 进行紧急跳 闸试验 ， 检 验系 统在 事 故 状 态 时 是否 按 预 定 的方 式 动作。试验 中各项内容符合设计要求。 5 冷 态试 验完 成后 ， 系统 在 锅 炉带 负 荷下 进行 热 态 调试试 验 。热态 试验 的 主要 目的是进 一 步检测 系统的脱硫效率 、 设备运行性能以及确定优化参数 。 系统 较 好 地 完 成 了 上 述 调 试 。从 调 试 结 果 来 看， 控制系统程序运行正常 ， 满足设计要求。 5 结 束 语 经 过适 当 的硬件 配置 、 软件 设计 以及 调试 ， 以西 门子 S 7 3 0 0系列 P L C为 主站 的控 制 系统 基 本 上 实 现 了密 相干 塔烟 气脱 硫 工 艺 流 程 监 控 的 自动化 ， 并 具 有很 好 的稳定 性 、 安全 性和可 维护 性 ， 达到 了设 计 要求。密相干塔烟气脱硫系统在烧结脱硫中已经完 成 中试 ， 目前已完成建设并投入试运行 ， 效果 良好 。 同时 ， 由 于密相 干塔 烟气脱 硫工 艺 较新 ， 更 多 的相关 理论还需在实践 中不断研究和总结 ， 使其更加完善 ， 在 生产 中更 好地 发挥作 用 。 参考 文献 [ 1 ] 廖继勇 ， 毕学工 ， 熊玮等． 关 于烧结废气脱硫技术发展现状的分析[ J ] ． 南方金属 ， 2 0 0 6 ， 1 4 8 2 1 - 3 [ 2 ] 郝继锋． 钢铁厂烧 结烟气脱硫技术 的探讨[ J ] ． 太原理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 4 4 9 1 4 9 4 ． [ 3 ] 郝继锋 ， 宋存义 ， 钱大益等． 烧结烟气脱硫技术的研究[ J ] ． 钢铁 ， 2 0 0 6 ， 4 1 8 7 6 7 8 ． [ 4 ] 罗庚兴． 西门子 S T EP 7 编程软件的使用方法[ J ] ． 南方金属 ， 2 0 0 6 ， 1 5 2 1 0 3 5 3 9 ． Ap p l i c a t i o n o f PLC Co n t r o l S y s t e m i n Fl u e Ga s De s u l p hu r i z a t i 0 n 0 f S t e e l M i l l ZHANG Xi a o - g a ng，W ANG Li a ng，ZHOU Cha o，S ONG Cu n y i Be i j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a c t Thi s p a p e r i nt r od uc e d a c o nt r ol s y s t e m b a s e d on t h e Si e m e n s S7 30 0 s e r i e s PLC． The s y s t e m wa s d e s i g ne d f o r t he s i nt e r i ng f l ue g a s d e s ul ph ur i z a t i on o f s t e e l mi l 1 ． The c omp os i ng a nd f unc t i on o f t he s y s t e m ，ha r d wa r e a r r a n ge m e n t ， a nd s o f t wa r e d e v e l opme nt we r e d i s c us s e d． Thi s s y s t e m ha d be e n a p pl i e d s uc c e s s f ul l y i n a c e r t a i n s t e e l mi l l i n He be i pr o vi nc e，a nd p r ov e d t o b e a p pl i c a bl e a n d r e l i ab l e ． Ke y wo r d s PLC；f l ue g a s d e s u l phu r i z a t i o n；ha r d wa r e a r r a ng e me nt ；s i n t e r i n g g a s 编辑 张 红霞 维普资讯