PLC和DCS混合控制在半干法脱硫控制系统中的应用.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第4 期 自动控制 系统与装置 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms E q u i p me n t s P L C和 D C S混合控制在半干法脱硫控制系统 中 的应用 中国 蓝天环保设备工程有 限公 司 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 倪德芬方杰 摘要 针对半干法脱硫工艺的特点 ， 采用 P L C与 D C S混合应用的控制方式 ， 通过 以太 网及 P r o fi b u s ． D P现场总线技术 ， 组成混合模式 ， 从 而实现高效 、 安全 的 自动控制。 关键词 半干法脱硫P L C D C S 混合模式 【 中图分类号 1 T P 2 7 3[ 文献标识码] B【 文章编号] 1 0 0 0 ． 3 8 8 6 2 0 1 0 0 4 0 0 5 2 0 3 Ap p l ic a t ion o f PL C a n d DCS Mi x e d Co n t r o l Mo d e i n Se mi dr y Me t h o d F l u e Ga S De S U I p h U r i z a t i O n Co n t r o I S y s t e m C h i n a ．1 a n t i a n e n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g C o ． L t d ， Z h e j i a n g H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a N i D e f e n F a n g J i e Abs t r a c t Ai mmi ng a t t h e f e a t ur e o f s e mi d r y flu e g a s de s u l p h u r i z a t i o n t e c h n i c ， t hr o ug h u s i n g t h e PL C a nd DCS ，Et h e r n e t a n d Profib u s - DP fie l d b u s t e c h no l o g y i n t h e f o r m o f mi x e d c o nt r o l mo d e l r e a l i z e e f fic i e nt ， s a f e a u t o ma t i c c o n t r o 1 ． Ke ywo r d s s e mi dr y me t h o d flue g a s d e s u1 D hu r i z a t i 0 n PLC DCS mi x e d mo d e 0 引言 半干法脱硫 除尘技术主要是根据循环流化床理论 ，采用悬 浮 方式 ， 使吸收剂在净化塔 内悬浮 、 反复循环 ， 与烟气 中的 S O 充分 接触反应来实现脱硫的一种方法。他的主要装备是 净化塔 布 袋除尘器。 鉴于他 的工艺特点 ， 我们采用 P L CD C S混合应用 的控 制方式 ， 即经济又高效的实现了 自动控制 。 1 半干法工艺的控制要求 1 ． 1 半干法脱硫工艺概述 半干法的工艺控制流程如图 1 所示 ， 从锅炉出来 的原烟气 ， 由 循环悬浮式半 干法净化装置底部进入循环悬 浮流化床反应器 净 化塔 。经文丘里加速 ， 在净化塔 内， 高温烟气与加入 的吸收剂 、 循 环灰充分混合 ， 经增湿活化 ， 与烟气 中的 S O z 、 H C 1 和 H F等酸性物 压缩空气 工业水 烟气 质发生化学反应 ，脱除掉大部分污 染物。 由净 化塔 的顶部排 出后的烟 气进 入 袋式 除尘 器 除去 大部 分 细 灰 ，由除尘器除下的细灰部 分经过 空气斜槽循环进入净化塔 ，少量经 过输灰 系统外排 。净化后的烟气经 引风机 由烟囱排入大气。 1 ． 2 半干法脱硫工艺控制要求 净化 塔 是本 套 装 置 的核 心部 分 ， 主要有三个控制 回路 1 S O 排 放控制 根 据净化 塔 进 口烟气 流量及原烟气 中 S O 的浓 5 2 I E le c t r ic a I Au t oma t i o n 图 1 半干法控制流 程图 除尘器 出口s O 2 浓度 石灰给料机 变频 度 控 制 消 石 图 2 S O 排 放 浓 度 控 制 方 誊 灰粉 的给料量 ， 以保证按要求 的脱硫 效率 所必需的 C a ／ S 。 在系统出 口排烟 中测得的 S O 排放值 ， 用来作为校核和精确调节脱硫 剂给料量的辅 助调控参数 ， 如 图2 所示 。 2 温度控制 为 了促进 消石灰和 S O z 的反应，通过向净化塔内喷水来降低烟气 的温度 。通过对净化塔 出 口温度的测定 ， 控制双流体喷嘴向净化塔内喷水，以使温 度降低至设定值， 如图 3 所示。 3 净化塔 的压降控制 由于循环流化 床 内的固体颗粒浓度 或称 固／ 气比 是保 证流化床 良好运行的重要参数 ，在运行中 通过控制净化塔的压降来实现调节床 内的 净化塔出口温度 自动控制 系统 与装 置 电 气 自 动 化 2 o l 0 年 第3 2 卷第 4 期 Au t o ma t ic C on t r o l S y s t e ms E q u i p men t s 净化塔差压 喷嘴调节阀 循环灰流量调节阀 图 3 净化塔出 口温度控制方案 图 4 净化塔差压 控制方案 固／ 气 比， 以保证净化塔始终处于 良好的运行工况 ， 它是通 过控制 送回净化塔的再循环灰量 ，来保证床内脱硫反应所需的固体颗粒 浓度 ， 如 图 4所示 。 布袋除尘器作为一个相对独立的部分， 主要由压缩空气气包、 喷吹管 、 脉 冲阀、 管道 系统等组成 ， 主要完成 脉冲清灰 。 2自控 系统 的设计 本工程热工 自动化专业 的工作包括净化塔 系统 、布袋 除尘 器 、 灰输送系统 、 吸收剂存储及输送系统 以及附属设备范围内的控 制 、 监视 、 报警 和联锁保护 。 根据环保要求的需要 ，半干法烟气脱硫除尘系统 的 自动监测 与控制宜采用 D C S系统 ， 实现对半 干法烟气脱硫 除尘处理 系统 的 顺序自动启停， 运行参数自动检测和储存 ， 并对关键参数实行自动 调节 ，使半 干法烟气处理系统实现 自动控制。为保证 烟气脱硫除 尘效率和脱硫 除尘设备 的安全经济的运行 ，需设 置完整 的热工测 量 、 自动调节 、 控制、 保护及热工信号报警装 置 。 2 ． 1 系统规模与系统测点 按照工艺装置把整个工程分为净化塔系统、 布袋除尘器、 气力 输灰系统 、 工艺水系统等。 根据工艺对控制系统的要求 ， 该项 目的控制测 点可 以分为四大 类 模拟量输入测点、 模拟量输出测点、 开关量输入测点及开关量输 出测点。 其中， 液位、 压力、 流量及开度的检测均为4～ 2 0 m A 信号， 温度检测为 P t l 0 0 信号 ， 都属于模拟量输入测点。 对调 节阀的控制是4 ～2 0 m A的模拟量输出信号 。 泵 的启停状态 、 手自动状态及开关阀门的状态反馈信号等是开关量输入测 点。 泵的启停控制、 电机控制及开关 阀门的控制信号为开关 量输出信号。 泵及电机的控制信号均由电气给出。 因此， 控 制测点有5 种 ， 即4 2 0 m A模拟量输入测点 A I 测点 ， P t l O 0 模拟量 输入测 点 P t l 0 0 0 点 ， 4～ 2 0 m A模拟 量输 出测点 A O测 点 ， 干触点开关量输入测点 D I 澳 J 点 ， 继 电器开关 量输出测点 D O测点 。 单套脱硫除尘控制规模见表 1 。 上述计算点数并 已包括 1 5 ％备用量 。 2 ． 2 控制 站设计 科学合理的测点分站 ， 可以最大 限度 的避免变量的 站间引用 ， 从而提高系统的可靠性 、 稳定性 和控制运算速 表 1 单套脱硫除尘控制规模 气力输灰 、 布袋除尘器 小计 系统 净化塔系统 工艺水系统 A I 测点 6 0 1 2 6 7 8 P t l 0 0测 点 1 6 2 6 2 4 A O测点 4 4 2 1 O DI 测点 9 6 6 4 6 4 2 2 4 D O测点 6 4 6 4 2 5 6 3 8 4 小计 2 4 0 1 4 6 3 3 4 7 2 0 度。 对于各个系统， 可以单独成为一个站以保持相对独立。 有些系 统 ， 由于存 在某种工艺上的联 系或安全上考 虑 ， 需要检测某些测点 的状态 ， 才能进行正常的生产和联锁保护， 也是统筹考虑测点分站 的原 因之一 。 根据以上分站原则 ， 由于净化塔系统、 气力输灰、 工艺水系统 主要包 含了 S 0 2 排放控制 、 温度控制 、 净化塔的压降控制三个主要 P I D控 制 回路 ， 也考虑到 D C S的站点负荷 ， 所 以把净化塔 系统 、 气 力输灰、 工艺水系统共设置一个 I ／ O控制站， 这样不涉及到站间 引用且满足了经济性要求。 布袋除尘器 由于它 的工艺特点 ，可以作为独立的设 备考虑。 布袋清灰主要是通过逻辑运算， 采用顺序控制， 以定时输出脉冲控 制电磁阀来达到清灰的目的。布袋除尘器本体设有旁路烟道，当 温度或差压超过设定值时 ， 旁路 自动运行 ， 以保证系统安全平稳工 作 。所 以， 布袋可做 为一个 独立的系统 ， 由于他的逻辑控制特性 而 更适合采用 P L C控制。 2 ． 3系统安全性、 可靠性设计 为了使系统能稳定、 安全、 可靠地运行， 主要采用冗余技术。首 先 ，主控单元使用冗余配置，每个 I ／ O控制站设置两个冗余的主控 单元。其次 ， 网络冗余 ， 对于控制层网络和管理层网络均设置冗余 ， 任何一个 网络故障均不影响系统 的正常运行 。再者还有 电源冗余 、 服务器冗余设置等 。为了增加 可靠性， 还需采用分散风险、 增加隔离 等措施。 将冗余设置的测点接至不同的模块， 将所有过程输入／ 输出 单元都采用可靠的光电隔离技术， 使各单元之问和单元与上位机之 间的 C P U无任何 的电气联系 ，从而提高 系统的抗干扰能力和安全 性。在同一单元的不同通道间以及逻辑功能侧和现场信号侧， 也采 取隔离措施， 用于消除由于现场电位差对系统造成的损坏。系统中 昌 ． 昌 匡 3V0PR-sD I l 州 ET A阀 l l 彻 ． S N E T A 网l 1 。 l 1 l O ／ l O O M 太网 l l S N E T B 网 l I l l l J J J 。 J J j 匡 荦 P R O_F [ BU S D P 申 荜 P ROF IBU S DP 卣 白占 T 向 古占 T C P U 7 - 3 0 0 C P U S 7 3 0 0 口 口 口 口 口 口 I 自 日 自 口 日 1 0 既场控制站 1 布袋P L C 控制站 1 1 现场控制站 2 布袋P L C 控制站 1 脱硫控制 2 脱硫控制 图 5 半干法脱硫控 制系统结构 图 Ele c t r i c a I Au t o ma t i o n l 53 电气自动 6 2 0 1 0年第 3 2卷 第 4期 A E 6 4 HS M．A M 。 。 I F -- S E L I AE64 PI D HSPI D 囝 I D 自动 控 制 系 统 与 装 置 Au t o ma t ic Co n t r ol S y s t e ms E q u i p men t s AE6 4PI DAV T嚣 MUL 1L AE 2 0 F T S E T A Q 3 0 C L 0 0 1 AQ30CF0 01 AE6 4HSM HSAI gl d A N 回 手 搽 A SP A 图 6 S O 排放 回路控制算法 所有的单元上均有状态指示灯 ， 包括运行、 故障及网络通信灯等， 一 额外配置支持 D P协议 的通讯接 口卡。 要实现 P L C与 D C S系统的 旦发生故障， D C S可实现带电对故障单元进行更换。 通讯，首先，用 P L C的组态软件， 在 P L C内部指定通讯区下装给 3工程实现 3 ． 1 控制系统的结构 根据工程 的不 同需要 ， 可选用进 口或 国产 D C S系统。从控制 系统的性能、 价格 、 工程服务及工程能力作综合 比较 ， 我们选用 和 利时 MA C S系统 。控制系统的结构设计 如图 5所示 。 其中， 每套脱硫系统设一个现场控制站， 一个操作员站、 一个 操作员站兼工程师站 ， 两套脱硫 系统可设置两个操作员站 ，一个工程师站兼 备用操 作员站。D C S系统现场控制站标准配置为两个互为冗余的主控单 元 ， 每个主控单元设 计两套 S N E T网络接 口电路 ， 实现 S N E T网络 的双冗余 结构 I 。D C S系统可采用 I ／ O模块及 D P主站组成现场 控制站 ， 采用 P r o fi b u s D P现场总线技术 ， 构成先进 、 可靠 的 D C S分 布式控制系统 。 I ／ O模块和底座组成现场模块单元 ， 在现场 总线控 制系统 中成为 D P从 站。同时将布袋 P L C控制 系统也作为 D P从 站 ，通 过二线 制 R S 4 8 5接 口，连接 至 D C S系统 D P主站 。采用 P r o fi b u s ． D P现场总线技术 】 ， 其最大传输距离约为 1 2 1 9 m， 最大传 输速率为 1 0 M b p s ， 这样便于布袋 P L C控制柜的灵活就位。 3 ． 2 主要回路控制算法的实现 M A C S系统提供 了一套标准 的控制方法 的组态语言 ，并 向用 户提供 一套 图形化 的人机 界面组态 工具 。根据 半干法工 艺的特 点 ，采用智能 P I D控制器来实现关 键控制 回路 ，主要有石灰加料 P I D控制算法、喷水调节 P I D控制算法、循环灰反料 P I D控制算 法 ， 如图 6所示为 S O 排放 回路控制算法 。通过智能 P I D调节器 ， 可实现手动、 自动 、 及跟踪调节功能。 图中 A A 2 0 C Q O O 1 为出 口烟气 S O z 含量 ； A Q 3 0 C L 0 0 1 为皮带秤称 重流量反馈 ； A Q 3 0 C F 0 0 1 为石灰给料螺旋频率反馈 ； A B Y1 0 1 1 0 2 为 石灰给料频率给定。 手动状态下 ， P I D单元停止演算 ， 依靠手操来改 变石灰给料频率输 出； 自动状态下 ， P I D按出口烟气 S O 2 含量进行控 制运算 ， 并以称重流量或频率反馈进行跟踪， 从而控制石灰给料量 。 3 ． 3 P L C 与 DC S通讯 的实现 由于本系统布袋采用西门子 s 7 ． 3 0 0 C P U 3 1 5 2 D P ，自身带 D P 接 口并支持 D P通讯协议 ，将 P L C设置成为 D P从站 的工作方式 ， 就能接人 D C S系统。 若对于自身不支持 D P协议的 C P U， 则必须再 5 4 I Ele c t r i c a I A u t o ma t i o n P L C 。 然后 ， 在 D C S中 ， 根据通讯区的数据 ， 在硬件组态 中添加该种 型号 的 P L C ， 为其添加物理点 和算法组态 ， 然后给控制器下装。具 体步骤可参照 D C S组态手册完成 。 3 ． 4 系统控制方式的实现 为 了满足工艺运行 的需要 ，监控系统采用控制室集 中监控和 现场监控相结合的控制方法 ，设置为手动和 自动两种控制方式 。 手动控制 通过主控柜或现场操作按钮 的操作实现启停 ， D C S 及上 位机只负责对设 备工况 的监测显示而不参与控 制。自动控制 当 各现场控制柜上 的手 ／自动转换 开关处 于 自动位置 时，计算机监 控系统可工作于遥控 、 远控二种 自控工作方式 ， 默认项为远控 ， 此 时 D C S会根据 现场 的工 艺参数及设备 工况完成对设备 的 自动控 制而无需人 工干预 ；当上位机监控画面上 的控制方式选择遥控状 态时， 工艺操作人员可通过鼠标对各工艺设备及参数进行设置。 系统在 自动控制时 ， 工控机和 D C S系统能根据工艺参数 、 设备 工况和控制要求， 按规定的时间周期 、 设定的逻辑顺序 、 设定的智能 控制模型和设定的工艺参数 自动启停设备 、自动切换设备 的交替运 行和调节设备的开启度、 速度， 以保证重要工艺参数的正常运行。 4结束语 系统引入主从站的概念 ， 采用 P L C和 D C S 相结合 ， 使控制更 为灵活。布袋 即使在 D C S网络或上位机 出现故障时 ， 也能独立可 靠的运行。同时各脱硫系统采用 D C S 冗余配置， 增强了系统的安 全可靠性 。各套脱硫系统采用独立的控制站 ，使得 系统投产运行 后 ，系统维护变得简单容易。此种控制结构 已经在新疆奎屯 2 1 3 5 MW 机组烟气半干法加布袋除尘脱硫 工程 、 中国铝业 山西分公 司 5 X 2 2 0 t ／ h锅 炉烟 气脱硫 除尘改造 项 目、河南濮 阳三强热 电 2 2 2 0 t ／ h锅 炉烟气 净化 工程 等多套 半干 法脱硫 系统 中成功应 用 ， 系统运行稳定 ， 控制效果 良好 。 参考文献 [ 1 ] D L ／ T 5 1 9 62 0 0 4 ． 火力发电厂烟气脱 硫设计技术规范 【 M】 ． [ 2 ] 王常力 ， 罗安主编． 分布式控制 系统 D C S 设计 与应用实 例【 M】 ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 8 [ 3 ] 北京 和利时系统工程 股份有 限公 司． Ho l l i a s MA C S硬件手册 【 z ] ． 2 0 0 3 9 ． [ 作者简 介] 倪德芬 1 9 7 1 一 ， 女 ， 工程 师， 主要研 究方向为仪表及控 制工 程 。 队 ∞ ∞∞ ∞ ∞刚盯 m ∞