煙氣脫硫工藝控制系統(tǒng)設計 畢業(yè)論文.doc

煙氣脫硫畢業(yè)論文煙氣脫硫工藝控制系統(tǒng)設計學 院: 信息科學技術學院專 業(yè)： 姓 名： 指導老師： 自動化 學 號： 職 稱： 煙氣脫硫工藝控制系統(tǒng)設計摘 要隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，有效地控制二氧化硫的污染已成為國家規(guī)劃的一部分。本文在眾多煙氣脫硫方法中，選擇了常用的濕式石灰石煙氣脫硫技術，并對煙氣脫硫系統(tǒng)的結構組成和原理進行介紹。根據濕式石灰石煙氣脫硫工藝及方案，文中給出以參與采集數據與過程控制的可編程控制器（plc）為現場控制級，通過以太網技術搭建集散式控制系統(tǒng)，并以mcgs組態(tài)軟件實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。其中，針對濕式石灰石-石膏煙氣脫硫過程具有的大慣性、時滯，非線性等特點，利用plc的pid算法實現煙氣脫硫中的吸收塔ph控制與流量控制。mcgs作為上位機軟件提供友好的用戶界面，實現了運行參數流程與列表數據顯示。關鍵詞：集散控制系統(tǒng) 可編程控制器 組態(tài)軟件 pid控制abstractsince the authority gradually emphasized much on the environmental protection, the control of the so2 emission had been further rigidified as a part of the state agenda. 12 a wet flue gas desulfurization process which shares the widespread popularity, is presented among flue gas desulfurization technologies, and the structure, and principium of flue gas desulfurization system is also introduced. base on limestone/gypsum wet flue gas desulfurization process character and feature, an implementation that plc (programmable logic controller) and ethernet are constructed in dcs (distributed control system) architecture while configuration software mcgs is observing the system, is designed. for the limestone/gypsum wet flue gas desulfurization process with large inertia, delay, non-linear, plc as the field layer is, acquire the data and control the operation via pid (proportional integral differential)algorithm that will achieve the function of ph control and flow control in the process. as is the pc configuration software, mcgs proves to be friendly to operator, controlling system operation and displaying process parameters.key words: distributed control system programmable logic controller configuration software pid controller目 錄摘要 abstract1緒論11.1煙氣脫硫控制的意義11.2煙氣脫硫技術的概述與選擇11.3煙氣脫硫的前景21.4煙氣脫硫的發(fā)展狀況22系統(tǒng)分析32.1工作原理32.1.1工藝流程32.2系統(tǒng)方案的比較52.3系統(tǒng)組成62.3.1濕式煙氣脫硫主要系統(tǒng)功能及設備62.4 可編程序邏輯控制器（plc）介紹82.5 集散控制系統(tǒng)（dcs）簡述92.6 本設計主要任務103系統(tǒng)控制設計113.1 控制原理113.1.1 控制原理概述113.1.2 控制原理的分析與選擇114系統(tǒng)硬件設計144.1 集散系統(tǒng)設計144.1.1 系統(tǒng)功能總設計144.2 集散控制系統(tǒng)構成144.3 plc設備的選型154.3.1 plc機的選擇154.3.2 plc機的設置154.4 ph變送器、流量變送器的選擇175軟件設計185.1軟件設計185.1.1 軟件總體功能185.1.2 控制功能的完成185.2 軟件的采集控制部分185.2.1 plc的pid算法185.3 plc程序輸入輸出表205.4 mcgs系統(tǒng)組態(tài)軟件215.4.1 mcgs簡介215.4.2工程建立225.4.3 mcgs與plc的通信256結論286.1本文的結論286.2本文的說明286.3本課題的展望28參考文獻29附錄30頁碼用羅馬數字，宋體五號，居中謝辭42iv1 緒論1.1煙氣脫硫控制的意義硫污染問題最早是發(fā)達國家面臨的突出問題。工業(yè)革命以后，以煤炭火力發(fā)電廠為主，給空氣環(huán)境帶來嚴重的污染。如上世紀50年代英國的倫敦煙霧事件，北歐和美國酸雨對于森林和湖泊的破壞，紛紛引起了發(fā)達國家對于能源結構的改進的環(huán)境污染的治理1。我國能源消費結構以煤為主，是世界第一大煤炭生產和消費國。2005年，我國煤炭消費量為21.4億噸，占一次能源消費總量的68.7%，大量燃燒煤炭造成了嚴重的環(huán)境問題。據統(tǒng)計，全國二氧化硫排放總量的90%是由燃煤造成的，二氧化硫污染已成為主要的大氣污染源，有三分之一的國土面積受到酸雨污染，生態(tài)環(huán)境、大氣質量問題突出，已嚴重影響我國經濟社會發(fā)展和人民生命健康1。隨著城市化、現代化以及工業(yè)的發(fā)展，國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展 ,我國生產生活用電需求量、對能源的需求量也在迅速增長。能源的大量消耗，將會導致大量so2及硫的污染物的生成 ,對我們以及我們賴以生存的環(huán)境產生了深刻的影響和損害。目前，隨著人們環(huán)保意識的增強和國家排污總量收費政策，火電廠大氣污染物排放標準等環(huán)保政策的強制執(zhí)行，燃煤電廠so2排放的治理已勢在必行2。能源生產部門既要實施高能高效的生產，同時也要滿足該領域的環(huán)保指標，承擔起經濟發(fā)展中對環(huán)境不可推脫的責任。煙氣脫硫，是一種應對能源燃燒生產中帶來的污染的技術。成功的煙氣脫硫技術，為人們在生活與發(fā)展中堅持人與自然的和諧提供了技術上的支持；同時也推進在工業(yè)、生產等領域的可持續(xù)發(fā)展。1.2 煙氣脫硫技術的概述與選擇煙氣脫硫技術有:克勞斯法、石灰石-石膏法和今年來興起的循環(huán)流化床等脫硫方法。目前，煙氣脫硫技術(flue gas desulfurization，簡稱fgd)又可分為濕法、干法、半濕法。表1.1 常用脫硫方法特點比較工藝堿原料副產品脫硫率濕式石灰-石膏法caco3石膏8595%石膏法cao石膏8595%干式亞硫酸回收法naohna2so49095%半濕法石灰爐內脫硫+水噴射法caco3水泥原料等7085%濕法脫硫是國際脫硫領域的主流，占全世界現有煙氣脫硫裝置總量的85% 左右，在電廠、冶金、化工行業(yè)一直占據中國大約80%的江山。當前已開發(fā)的濕法煙氣脫硫技術主要有石灰石/石灰法、鈉堿法、氨吸收法、氧化鎂法等,其中石灰石/石灰法，占整個濕法煙氣脫硫技術的36.7%3。干法煙氣脫硫工藝均在干態(tài)下完成，無污水排放，煙氣無明顯溫降，設備腐蝕較輕，但存在脫硫效率低，反應速度慢，石灰石利用率較低等問題4。而濕式石灰石-石膏脫硫方法是三種脫硫方法（濕法、干法、半干法）中技術最成熟、實際應用最多、運行狀況最穩(wěn)定的脫硫工藝，也是現今發(fā)展較完善、用戶較廣泛的脫硫技術5。濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫技術最早是由英國皇家化學工業(yè)公司提出的，經過近三十年的發(fā)展，目前它已成為世界上技術最成熟，實用業(yè)績最多，運行狀況最穩(wěn)定的脫硫工藝，脫硫率在90%以上。該方法脫硫的基本原理是用石灰石漿液吸收煙氣中的so2，先生成亞硫酸鈣，然后亞硫酸鈣被氧化為硫酸鈣，因而分為吸收和氧化兩個過程，副產品石膏可回收利用，亦可拋棄處置。采用石灰石-石膏濕法脫硫的優(yōu)點：技術成熟可靠，脫硫效率高達95%以上，有利于地區(qū)和電廠實行總量控制；單塔處理煙氣量大，so2脫除量大；適用于任何含硫量的煤種的煙氣脫硫；物質傳遞能力的增強，可一定程度地降低了系統(tǒng)的成本，標準設計煙氣流速達到4.0m/s；對鍋爐負荷變化的適應性強（30%100%bmcr）；設備布置緊湊減少了場地需求；處理后的煙氣含塵量大大減少；吸收劑(石灰石)資源豐富，價廉易得；脫硫副產物（石膏）便于綜合利用，經濟效益顯著11。1.3煙氣脫硫的前景隨著國家有關控制so2排放的行政法令政策與標準日趨嚴格且逐步完善，加大行政政策指導作用，帶動政府、企業(yè)及生產工業(yè)聯(lián)合行動 12。根據火電廠煙氣脫硫關鍵技術與設備國產化規(guī)劃要點、關于加快火電廠煙氣脫硫產業(yè)化發(fā)展的若干意見，燃用含硫量=2%或大容量機組(=200mw)電廠建設脫硫裝置時必須配備煙氣脫硫系統(tǒng)。2004年全國燃煤機組裝機容量為3.05億千瓦，煙氣脫硫機組容量為0.27億千瓦，投資按700元/kw計算，需安裝脫硫裝置的火電機組保守地按2.5億kw計算，總投資 =700x2.5=1750億元。由此可見，電廠煙氣脫硫技術在國內有著廣泛的應用前景。1.4煙氣脫硫的發(fā)展狀況20世紀中后期，主要的工業(yè)發(fā)達國家頒布了防治大氣污染的法規(guī)和標準，大大推動了煙氣脫硫技術的發(fā)展。當今世界，無論煙氣脫硫（flue gas desulfurization，簡稱fgd）裝置發(fā)展的速度、數量和容量，還是技術裝備的水平，日本美國和德國均屬于世界領先地位。迄今日本擁有fgd裝備1800余套，總容量超過50000mw，其中石灰石濕法占95%以上；美國的煙氣脫硫從20世紀70年代中期開始進入一個持續(xù)的快速發(fā)展時期，目前美國的fgd裝機容量已超過150000mw，其中石灰石濕法占92%以上；歐洲的fgd技術以德國發(fā)展最為迅速，50mw以上的燃煤鍋爐全部安裝了fgd裝置，德國90%以上的fgd裝置采用石灰石-石膏法4。中國有50多家脫硫公司先后引進了德國、美國、日本等國的煙氣脫硫技術裝備，絕大部分是fgd石灰石-石膏法。國內已經實施和正在實施的大型火電發(fā)電機的煙氣脫硫幾乎都采用了國外的核心工藝包技術4。2 系統(tǒng)分析2.1 工作原理 2.1.1 工藝流程 石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)主要有：煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、排放系統(tǒng)組成。其基本工藝流程如下： 鍋爐煙氣經電除塵器除塵后，通過增壓風機、ggh(氣體-氣體換熱器)降溫后進入吸收塔。在吸收塔內煙氣向上流動且被向下流動的循環(huán)漿液以逆流方式洗滌。循環(huán)漿液則通過噴漿層內設置的噴嘴噴射到吸收塔中，以便脫除so2、so3、hcl和hf，與此同時在“強制氧化工藝”的處理下反應的副產物被導入的空氣氧化為石膏（caso42h2o），并消耗作為吸收劑的石灰石。循環(huán)漿液通過漿液循環(huán)泵向上輸送到噴淋層中，通過噴嘴進行霧化，可使氣體和液體得以充分接觸。每個泵通常與其各自的噴淋層相連接，即通常采用單元制。在吸收塔中，石灰石與二氧化硫反應生成石膏，這部分石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進入石膏脫水系統(tǒng)。脫水系統(tǒng)主要包括石膏水力旋流器（作為一級脫水設備）、漿液分配器和真空皮帶脫水機。經過凈化處理的煙氣流經兩級除霧器除霧，在此處將清潔煙氣中所攜帶的漿液霧滴去除。同時按特定程序不時地用工藝水對除霧器進行沖洗。進行除霧器沖洗有兩個目的，一是防止除霧器堵塞，二是沖洗水同時作為補充水，穩(wěn)定吸收塔液位。煙氣脫硫技術屬于燃燒后的脫硫。在吸收塔出口，煙氣一般被冷卻到4655左右，且為水蒸氣所飽和。通過氣-氣換熱器將煙氣加熱到80以上，以提高煙氣的抬升高度和擴散能力。最后，潔凈的煙氣通過煙道進入煙囪排向大氣。脫硫過程主要反應有吸收反應、中和反應和氧化反應：1. so2 + h2o h2so3 (2-1)2. caco3 + h2so3 caso3 + co2 + h2o (2-2)3. caso3 + 1/2 o2 caso4 (2-3)4. caso3 + 1/2 h2o caso31/2 h2o 結晶 (2-4)5. caso4 + 2h2o caso42h2o 結晶 (2-5)6. caso3 + h2so3 ca (hso3)2 (2-6) 石灰/石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝的化學原理如下，1.煙氣中二氧化硫溶解于水中生成亞硫酸并離解成h氫離子和hso離子；2.煙氣中的氧(由氧化風機送入的空氣)溶解在水中，將hso3氧化成so4 2-；3. 吸收劑中的碳酸鈣在一定條件下于水中生成ca2+離子。在吸收塔內，溶解的二氧化硫、碳酸鈣及氧發(fā)生化學反應生成石膏(caso4*2h2o)。由于吸收劑循環(huán)量大和氧化空氣的送入，吸收塔下部漿池中的邢化一或亞硫酸鹽幾乎全部被氧化為硫酸根或者硫酸鹽，最后在caso4達到一定過飽和度后結晶形成石膏caso4*2h2o，石膏可根據需要進行綜合利用或者拋棄處理。同時煙氣中的hcl、hf與caco3的反應，生成cacl2或caf2。吸收塔中的ph值通過注入石灰石漿液進行調節(jié)與控制，一般ph值在5.56.2之間。圖2-1脫硫效率與煙氣進口溫度圖脫硫效率隨吸收塔進口煙氣溫度降低而增加。這是因為脫硫反應是放熱反應。進口溫度的升高不利于脫除二氧化硫的化學反應的進行。實際上，石灰石濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，常采用ggh（氣體-氣體換熱器）或在吸收塔前布置噴水裝置，降低吸收塔進口的煙氣溫度，以提高脫硫效率。圖2-2脫硫效率與進口煙氣質量濃度關系圖一般認為，當煙氣中二氧化硫濃度升高時，有利于二氧化硫通過液漿表面向液漿內部擴散。加快反應速度，脫硫效率隨之升高。事實上，煙氣中二氧化硫濃度的升高對脫硫效率的影響在不同濃度范圍內是不同的。在濕式煙氣脫硫裝置和ca / s一定的情況下，隨二氧化硫濃度升高，脫硫效率存在一個峰值。鍋爐煙氣經過高效靜電除塵器后，煙氣中飛灰濃度仍然較高，一般在100300/ m3（標準狀態(tài)）。經過吸收塔洗滌后，煙氣中絕大部分飛灰留在了漿液中。漿液中的飛灰在一定程度上阻礙了石灰石的消溶，降低了石灰石的消溶速率，導致漿液ph降低，脫硫效率下降。同時，飛灰中溶出的一些重金屬如汞、鎂、鋅等離子會抑制鈣離子與hso3的反應，進而影響脫硫效果。2.2 系統(tǒng)方案的比較圖2-3工藝流程圖上圖是一種應用較廣泛的石灰石濕法煙氣脫硫工藝流程。工藝流程特點是，用在吸收塔前面布置的預洗漂塔。一方面，降低主吸收塔的進口煙氣溫度，以利于石灰石漿液吸收二氧化硫；另一方面，用以除去飛灰、hcl和hf。以確保石灰石的消溶速率和脫硫效率，同時可以保證石膏的質量良好和穩(wěn)定。煙氣在預洗漂塔中冷卻到50攝氏度左右，并被水蒸氣飽和，然后進入吸收塔脫除二氧化硫。凈煙氣以煙囪排出。脫硫風機布置在系統(tǒng)進口，系統(tǒng)為正壓運行。這流程在美國廣為采用4。圖2-4工藝流程圖上圖是另一種石灰石濕法煙氣脫硫工藝。圖中脫硫風機布置在系統(tǒng)進口，濕式煙氣脫硫(fgd)裝置正壓運行。系統(tǒng)中設置換熱器，由除塵器來的煙氣經脫硫風機增壓后，進入換熱器與來自吸收塔的凈煙氣進行熱交換，一方面將含有較高二氧化硫濃度的高溫煙氣降溫，以利于石灰石漿液吸收二氧化硫；另一方面，將來自吸收塔的凈煙氣加熱，以利于煙氣抬升和污染物的運輸及擴散。降溫后的煙氣進入吸收塔。由制漿系統(tǒng)制成滿足工藝需要的石灰石漿液，由石灰石漿液泵輸送至吸收塔。在吸收塔內石灰石漿液與煙氣中的二氧化硫發(fā)生一系列復雜的物理化學反應，生成亞硫酸鈣和硫酸鈣。凈化后的煙氣再經換熱器排出脫硫裝置。由于亞硫酸鈣不穩(wěn)定，需進一步經氧化系統(tǒng)氧化成穩(wěn)定的硫酸鈣。硫酸鈣結晶生成石膏。石膏漿液經石膏脫水系統(tǒng)制成石膏產品。這工藝流程應用最為廣泛。目前，在我國燃煤電站石灰石濕法脫硫（fgd）裝置中均采用4。本設計就是采用第二個模型設計的。2.3 系統(tǒng)組成2.3.1 濕式煙氣脫硫主要系統(tǒng)功能及設備1.石灰石漿液制備系統(tǒng)制備并提供滿足吸收塔要求的石灰石漿液。石灰石漿液制備系統(tǒng)的主要設備包括石灰石儲倉、球磨機、石灰石漿液罐和漿液泵。2.煙氣系統(tǒng) 為脫硫運行提供煙氣通道，進行煙氣脫硫裝置的投入和切除，降低吸收塔入口的煙氣溫度和提升凈化煙氣的排煙溫度。煙氣系統(tǒng)主要設備包括煙道、煙氣擋板、脫硫增壓風機和氣-氣加熱器（ggh，即煙氣換熱器）等關鍵設備。吸收塔入口煙道及出口至擋板的煙道，煙氣溫度較低，煙氣含濕量較大，容易對煙道產生腐蝕，需進行防腐處理。煙氣擋板是脫硫裝置進入和退出運行的重要設備，分為濕式煙氣脫硫主煙道煙氣擋板和旁路煙氣擋板。前者安裝在濕式煙氣脫硫系統(tǒng)的進出口，它是由雙層煙氣擋板組成，當關閉主煙道時，雙層煙氣擋板之間連接密封空氣，以保證濕式煙氣脫硫系統(tǒng)內的防腐襯膠等不受破壞。旁路擋板安裝在原鍋爐煙道的進出口。當濕式煙氣脫硫系統(tǒng)運行時，旁路煙道關閉，這時煙道內連接密封空氣。旁路煙氣擋板設有快開機構，保證在濕式煙氣脫硫系統(tǒng)故障時迅速打開旁路煙道，以確保鍋爐的正常運行。經濕法脫硫后的煙氣從吸收塔出來一般在4655左右，含有飽和水汽、殘余的so2、so3、hcl、hf、nox，其攜帶的so42- so32-鹽等會結露，如不經過處理直接排放，易形成酸霧，且將影響煙氣的抬升高度和擴散。為此濕法濕式煙氣脫硫系統(tǒng)通常配有一套氣-氣換熱器（ggh）煙氣換熱裝置。氣-氣換熱器是蓄熱加熱工藝的一種，即常說的ggh。它用未脫硫的熱煙氣（一般130150）去加熱已脫硫的煙氣，一般加熱到80左右，然后排放，以避免低溫濕煙氣腐蝕煙道、煙囪內壁，并可提高煙氣抬升高度。另外，從電除塵器出來的煙氣溫度高達130150，因此進入濕式煙氣脫硫(fgd)前要經過ggh降溫器降溫，避免煙氣溫度過高，損壞吸收塔的防腐材料和除霧器。3.二氧化硫吸收系統(tǒng) 通過石灰石漿液吸收煙氣中的二氧化硫，生成亞硫酸產物。氧化空氣將亞硫酸產物氧化，并以石膏的形式結晶析出。同時，由除霧器將煙氣中液滴除去。二氧化硫吸收系統(tǒng)的主要設備有：吸收塔，石灰石漿液循環(huán)泵，氧化風機，除霧器。吸收系統(tǒng)的主要設備是吸收塔，它是濕式煙氣脫硫（fgd）設備的核心裝置，系統(tǒng)在塔中完成對so2、so3等有害氣體的吸收。濕法脫硫吸收塔有許多種結構，如填料塔、湍球塔、噴射鼓泡塔、噴淋塔等等，其中噴淋塔因為具有脫硫效率高、阻力小、適應性、可用率高等優(yōu)點而得到較廣泛的應用，因而目前噴淋塔是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝中的主導塔型。噴淋層設在吸收塔的中上部，吸收塔漿液循環(huán)泵對應各自的噴淋層。吸收塔循環(huán)泵將塔內的漿液循環(huán)打入噴淋層，為防止塔內沉淀物吸入泵體造成泵的堵塞或損壞及噴嘴的堵塞，循環(huán)泵前都裝有網格狀不銹鋼濾網（塔內）。單臺循環(huán)泵故障時，濕式煙氣脫硫系統(tǒng)可正常進行，若全部循環(huán)泵均停運，濕式煙氣脫硫系統(tǒng)將保護停運，煙氣走旁路。氧化空氣系統(tǒng)是吸收系統(tǒng)內的一個重要部分，氧化空氣的功能是保證吸收塔反應池內生成石膏。氧化空氣注入不充分將會引起石膏結晶的不完善，還可能導致吸收塔內壁的結垢，因此，對該部分的優(yōu)化設置對提高系統(tǒng)的脫硫效率和石膏的品質顯得尤為重要。4.石膏脫水及儲存系統(tǒng) 將來自吸收塔的石膏漿液濃縮、脫水，生產副產品石膏，儲存和外運。該石膏脫水儲存系統(tǒng)設備：石膏漿液排出泵，石膏漿液箱，石膏漿液泵，水力旋流器，真空皮帶脫水機，石膏儲倉。水力旋流器作為石膏漿液的一級脫水設備，其利用了離心力加速沉淀分離的原理，漿液流切向進入水力旋流器的入口，使其產生環(huán)形運動。粗大顆粒富集在水力旋流器的周邊，而細小顆粒則富集在中心。已澄清的液體從上部區(qū)域溢出(溢流)；而增稠漿液則在底部流出(底流)。真空皮脫水機將已經經過水力旋流器一級脫水后的石膏漿液進一步脫水至含固率達到90%以上。圖2-5煙氣脫硫系統(tǒng)組成圖2.4 可編程序邏輯控制器（plc）介紹可編程序邏輯控制器在早期是一種開關邏輯控制裝置，簡稱plc (programmable logic controller)。然而隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，plc采用微處理器作為其控制核心，它的功能已不再局限于邏輯控制的范疇。plc功能強，性能價格比高；硬件配套齊全，通用性強；編程方便，易于使用；可靠性高；設計、安裝、調試工作量少；體積少，功耗低67。國際電工委員會iec（international electrical committee）對可編程序控制器作了如下的定義：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設計”。 1.plc的主要功能： 開關量控制 這是plc最基本的功能，具有強大的邏輯運算功能，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)； 模擬量控制 在工業(yè)生產過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度，壓力，流量，液位等都是模擬量。而plc中的微處理器cpu只能處理數字量，所以plc中配備了a/d,d/a 轉換模塊，把現場輸入的模擬量經a/d轉換后送cpu處理，處理完的數字量結果，經d/a 轉換后，轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續(xù)量的控制。用plc進行模擬量控制的優(yōu)點是，在進行模擬量控制的同時，開關量也可以控制。這個優(yōu)點是別的控制器所不具備的，或實現起來不如plc方便； 閉環(huán)過程控制 運用plc不僅可以對模擬量進行開環(huán)控制，還可以進行閉環(huán)控制。配置pid控制模塊，對控制過程中的某一變量（如電壓，電流，溫度等）進行pid控制；順序（步進）控制 plc能通過移位寄存器方便完成步進控制功能；定時，計數控制 plc為用戶提供若干定時器，計數器，實現定時，延時，計數；數據處理 可進行數字運算和數據傳送，比較，轉換等功能；通信及聯(lián)網 現代plc具有網絡通信的功能，它既可以對遠程i/o進行控制，又能實現plc與plc，plc與計算機之間的通信，從而構成“集中管理，分散控制”的集散式控制系統(tǒng)，實現工廠自動化。2.plc的特點：可靠性高，抗干擾能力強plc是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，能適應工業(yè)現場的惡劣環(huán)境。在plc的設計和制造過程中，采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，是plc的平均無故障時間通常在20000小時以上，這是一般的其他電氣設備做不到的。plc在設計中能抗諸如電噪聲，電源波動，振動，電磁干擾等的干擾，能在高溫，高濕以及空氣中存有各種強腐蝕物質粒子的惡劣環(huán)境下可靠地工作。plc能承受電網電壓的變化，可直接交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。其硬件和軟件還采用屏蔽，濾波，光電隔離和故障診斷，自動恢復，冗余技術等功能來增強plc的可靠性。通用性強，靈活性好，功能齊全由于plc產品已系列化，模塊化，且軟件包齊全，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。用戶在硬件設計方面，只需確定plc的硬件配置和i/o的外部接線，不需要諸如繼電器之類的固體電子器件和大量繁雜的硬接線電路。當控制系統(tǒng)要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，只要改變存儲器中的控制程序即可。編程簡單，易于操作及維護plc一般采用易于理解和掌握的梯形圖語言及面向工業(yè)控制的控制系統(tǒng)流程圖和語句表進行編程，形式簡練，直觀性強，廣大電氣工程人員易于接受。plc的故障率很低，并有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員進行故障排查。如果出現故障是plc本身的問題，在維修時只需更換插入式模塊或其他易損壞部件即可，既方便又減少影響生產的時間。設計，安裝，調試周期短用plc完成一項控制工程時，由于硬軟件齊全，設計和施工可同時進行。由于用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，到生產現場時可進行聯(lián)機調試，因此大大縮短了設計和投運周期。2.5 集散控制系統(tǒng)（dcs）簡述集散控制系統(tǒng)(total distributed control system)是利用計算機技術對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種集中分散型控制系統(tǒng)8。集散控制系統(tǒng)按照層次化體系功能劃分為4個級別:現場裝置的控制級、過程裝置的管理級、車間生產的操作管理級、全廠優(yōu)化和經營管理級。操作人員對自動控制過程的管理則由中央控制室的操作站來完成，而各工序的自動控制過程由各控制站相對獨立地自動完成.中央操作站與各現場控制站一方面各自相對獨立地運行，從而將各種故障限制在局部范圍內，極大地提高了自動控制系統(tǒng)總體的安全性和可靠性;另一方面又相互進行實時數據通訊和信息交換 ，實現了操作人員在中央控制室的操作站對整個自動控制過程進行管理和調整?，F場控制站擔當現場裝置的控制級?，F場控制站的主要任務是實現對生產過程的自動控制 ，因此它必需要能夠自動采集與這個工序自動控制有關的各種工藝參數(如各種工藝介質的溫度、壓力、流量、粘度、物位高度等)以及設備的運行狀態(tài)(如閥門的開度、機泵的開停、設備震動、機械位移)等生產信息，然后按照事先編好的控制程序進行大量的數值計算，最后輸出控制方案，實現生產過程的自動控制;另外還要與操作站進行實時通訊，將采集到的各種生產信息傳送到操作站供操作人員使用，同時接收操作人員通過操作站發(fā)出的各種指令實時調整自動控制方案、優(yōu)化生產過程。中央控制室的操作站實際上是一個人機界面，一方面把控制站采集的各種生產信息進行加工處理，然后以操作人員所習慣和熟悉的各種流程畫面、生產報表、歷史趨勢和聲光報警等形式提供給操作人員。另一方面把操作人員的各種指令傳送給控制站對控制方案進行調整，以優(yōu)化生產過程或對特殊情況的緊急處理。用 pc 機 + plc 組成集散控制系統(tǒng)時， plc +“控制應用軟件”承擔了現場控制站的工作，pc+“實時監(jiān)控軟件”承擔了操作站和工程師站的工作?！翱刂茟密浖庇砂惭b有 plc 系統(tǒng)軟件的pc機上設計，完成后下載到 plc ，構成控制站?！皩崟r監(jiān)控軟件”由安裝有開發(fā)版監(jiān)控組態(tài)軟件的pc機上設計，完成后安裝到有運行版監(jiān)控組態(tài)軟件的 pc機上運行，構成操作站和工程師站。2.6 本設計主要任務本設計的課題是煙氣脫硫工藝過程控制系統(tǒng)的設計，其目的是設計煙氣脫硫的控制方案實現煙氣脫硫，并設計硬件搭建與軟件編寫。設計硬件電路的搭建，運用技術成熟、功能強大的plc作為現場數據的采集與控制，配以安全可靠的以太網技術，按照集散式控制系統(tǒng)架構搭建系統(tǒng)。根據課題要求，分別完成如下具體任務：（1）組成煙氣脫硫工藝過程控制系統(tǒng)；（2）設計出滿足工藝要求的系統(tǒng)方框圖；（4）利用組態(tài)軟件對煙氣脫硫系統(tǒng)的組態(tài)；（5）進行煙氣脫硫控制系統(tǒng)的連接，；。 （6）進行dcs控制系統(tǒng)的摸運行調試3 系統(tǒng)控制設計3.1 控制原理3.1.1 控制原理概述脫硫裝置運行控制的目的是提高脫硫效率、降低石灰石消耗，保證裝置的安全與經濟運行。雖然脫硫裝置的運行控制遠不如火電廠熱力設備的控制復雜；但是，在運行參數檢測，控制指標上有其特殊性，更具有化工過程控制的特點4。由于煙氣脫硫系統(tǒng)是一個龐大的工程，本設計關注其中其于ph控制的吸收二氧化硫過程。3.1.2 控制原理的分析與選擇由上述系統(tǒng)工藝分析可知，煙氣脫硫的工藝質量受煙氣溫度、煙氣顆粒、堿性漿液的ph值以及煙氣的含水量等因數影響。根據酸堿平衡的原理，可推知吸收二氧化硫的工藝指標很大程度取決于吸收漿液的ph值。輸入吸收塔的新石灰石漿液量取決于原煙氣量、煙氣二氧化硫濃度（二者乘積運算結果為送入吸收塔的二氧化硫質量流量）及實時檢測的吸收塔石灰石漿液ph值。由有關資料可知，吸收塔漿液ph值和進入吸收塔的新石灰石漿液量，與原煙氣量、煙氣二氧化硫濃度（二者乘積運算結果為送入吸收塔的二氧化硫質量流量）及實時檢測的吸收塔的ph值成正比關系。被控量為吸收塔內的ph值，調節(jié)量為輸入吸收塔的石灰石漿液流量。1.串級控制：因煙氣量變化不能迅速體現為ph值變化，即被控對象（即ph值）延遲慣性較大。采用前饋-反饋系統(tǒng)。前饋信號選擇為原煙氣二氧化硫濃度、送風量（與煙氣量成線性關系）。圖3-1吸收塔漿液ph串級-前饋控制系統(tǒng)前饋控制器起前饋控制作用，用來克服由于煙氣量與煙氣二氧化硫濃度的變化對被控制的ph值造成的影響。而反饋控制器起反饋控制作用，將漿液ph測量值與設定的ph值進行比較，得到差值信號與作為前饋信號的鍋爐煙氣量與煙氣中二氧化硫濃度的綜合信號（為進入吸收塔二氧化硫質量流量）相疊加。前饋與反饋控制共同作用產生一個調節(jié)信號。來控制石灰石漿液供給閥門開度。使吸收塔內漿液ph值維持在設定值上為防止依據ph測量可能造成的過調。采用流量測量（采用石灰漿液流量測量儀表），構成一個副反饋回路。ph測量仍構成主反饋回路。在串級控制系統(tǒng)中，有兩個調節(jié)器，分別接收來自被控對象不同位置的測量信號。主調節(jié)器接收漿液ph測量值，副調節(jié)器接收送進吸收塔的石灰石漿液流量測量值。主調節(jié)器輸出信號作為副調節(jié)器的設定值。副調節(jié)器的輸出值與前饋信號（進入吸收塔的二氧化硫質量流量）疊加控制漿液供給閥的開度。圖3-2控制框圖串級系統(tǒng)由于副回路的存在。改善了系統(tǒng)品質特性，調節(jié)過程加快，具有超前控制的作用，并且具有一定的自適應能力。有效克服滯后，提高控制質量。2.串級控制系統(tǒng)的整定；在串級控制系統(tǒng)中，因為兩個控制器串在一起，互相之間或多或少有些影響，因此串級系統(tǒng)的整定要比簡單系統(tǒng)復雜一些。這里僅介紹逐次逼近法。a)先整定副控制器gt2。讓副回路單獨工作時的單回路系統(tǒng)來整定副控制器gt2的參數，記作gt2 1。gm1、gm2 是主副變送器的傳遞函數，g01、g02是主副對象的傳遞函數。b)根據gt2 1，整定主控制器gt1。由圖可寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程式： （3-1）可得此時等效控制對象的傳遞函數為 （3-2）記作gt1 1 。c)根據步驟b得到的gt1 1，再整定副控制器gt2。由圖可寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程式為 （3-3）可得此時等效控制對象為 （3-4）然后根據單回路系統(tǒng)的整定方法求出副控制器的參數，gt2 2。d)如果gt2 2和gt2 1的參數值基本相同，那么整定就算完成；否則應就gt2 2重復步驟b和c，直到出現兩次整定結果基本相同為止。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，主控制器必須具有積分作用，一般都采用pi控制；而副回路是一個隨動系統(tǒng)，副控制器為了能快速的跟蹤一般不帶積分作用，同時微分作用也是不需要的。3.pid控制：主pid函數塊反饋信號為實際ph值，它是從吸收塔中的漿液檢測到的ph值經過輸入轉換得來的。主pid函數塊的給定值為目標ph值，按煙氣的二氧化硫濃度、流量等信息選定的。主pid函數塊的控制輸出為給定漿液流量。用它做為副控制回路的給定值。流量控制副pid函數塊反饋輸入信號為實際流量，它從檢測流量管道中的流量，經輸入轉換得來。主pid函數塊輸出的給定漿液流量，即為它的流量給定值。流量控制副pid函數塊的控制輸出，經輸出轉換，加載給漿液流量調節(jié)閥，以確保有合適流量的漿液流入吸收塔9。設置由pid控制組成的串級-前饋系統(tǒng)見圖3-3。圖3-3漿液流量的pid與漿液ph的pid4 系統(tǒng)硬件設計4.1 集散系統(tǒng)設計4.1.1 系統(tǒng)功能總設計設計煙氣脫硫控制系統(tǒng)采用集中監(jiān)視、分散控制的模式。控制系統(tǒng)的控制層為dcs（分散式控制系統(tǒng)）架構，現場層為plc（可編程控制器），系統(tǒng)最為主要特點具有分散控制系統(tǒng)dcs的分散控制、集中管理的優(yōu)點和可編程控制器plc的分散性和靈活性：由于控制層采用了dcs系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)具有功能全、可靠性高，系統(tǒng)開放易擴展，采用了安全可靠的網絡通訊技術，具有綜合性和專業(yè)性、人機對話功能強，管理能力強等特點。同時系統(tǒng)兼有plc系統(tǒng)的主要特點：i/o模件成熟可靠，運行速度快，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡便。本控制系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實時順序控制、條件控制、計數控制、步進控制等功能；能夠完成模數轉換、數據處理、通訊聯(lián)網、實時監(jiān)控等基本功能。采用冗余的以太網通訊網路，通訊速率為10mbps/100mbps，通信穩(wěn)定性可靠性得到保證。后臺數據庫可采用sql server、orcale、access完成統(tǒng)計報表。2個plc現場控制站和中控室通過10m光纖以太網連接，組成現場控制網絡。個控制站主要負責采集現場實時數據、根據工藝要求控制現場設備，如泵、閥等。在主控室設有分別側重于監(jiān)控、管理的兩臺工作站、打印機等設備。這兩個工作站均連在10m以太網上。用來顯示整個工藝流程、過程數據變化和設備狀態(tài)。4.2 集散控制系統(tǒng)構成硬件構成本設計的硬件設備主要分為三個大部分：plc部分、現場數據采集設備以及操作員站和工程師控制站部分，主要系統(tǒng)結構選用標準拓撲式環(huán)形結構，現場儀表和設備采集數據連接到plc的輸入模塊、并接收plc的命令對現場設備進行控制和調節(jié)；plc接收現場設備的數據傳輸給計算機并接收計算機下達的控制命令，并內部通過強大的內部運算，進行plc對現場變量的pid自動調節(jié)。圖4-1系統(tǒng)組成圖選用兩臺plc通過plc的冗余處理單元（rpu）設計為硬冗余系統(tǒng)設計為硬冗余系統(tǒng)，操作員站與工程師站的計算機采用冗余的以太網網絡通信；工程師控制室設計用兩臺工業(yè)計算機，配以打印機等設備，與計算機的通訊采用rs-232串口通訊。組態(tài)軟件選用mcgs。每個控制站設置有ups，為所有plc及變送儀表設備提供穩(wěn)定、可靠的供電電源。制備石灰石漿液的流量傳感器與流量信號轉換器相連接，變送器元件信號轉換器直接與相應的plc模塊連接，信號轉換器把流量信號轉換成020ma的標準信號送到plc的ai模塊。ph信號轉換器分別與檢測制備罐中石灰石漿液ph值的檢測儀器以及檢測吸收塔中的石灰石漿液ph值的檢測儀器連接，信號轉換器把相應轉換的電流信號輸送到plc的ai模塊。4.3 plc設備的選型4.3.1 plc機的選擇plc選用西門子的s7-200系列plccpu224xpcn。西門子的s7-200系列plc屬于小型plc。在本系統(tǒng)中的西門子s7-224xp cn模塊內置10kb ram，2個rs-485通信口。最大數字量量i/o點數為224，最大模擬量i/o點數為45，cpu 本體集成2個模擬量輸入通道/1個模擬量輸出通道。外加用于擴展的模擬量輸入模塊em231cn（4路模擬量輸入），和em222（8路數字量繼電器型輸出，見附錄圖1）。選擇em222繼電器型輸出，是因為繼電器輸出既可以驅動交流負載，又可驅動直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強。注意到s7-224xpcn plc上的通信口是rs-485標準；如果通信對象是rs-232設備，則需要rs-232/ppi（多主站）電纜。也可利用rs-232/ppi多主站電纜連接主站與多臺plc的通信。4.3.2 plc機的設置s7-224 xp的兩路模擬量輸入通道被出廠設置為電壓信號（010v）輸入。為了能夠輸入電流信號，必須在a+與m端、b+與m端之間并入500歐姆的電阻。s7-224 xp的一路模擬量輸出，通過電流接線端（或電壓接線端）選擇模擬量輸出類型。1.模擬量輸入格式：輸入模擬量在程序中的寄存器，離cpu模塊由近到遠依次aiw0、aiw2、aiw4 每個通道是兩個字節(jié)，單極性原始采集值032768，靈敏度1/4000；雙極性原始采集值32000，靈敏度04000.模擬量到數字量轉換器的12位讀數是左對齊的。msb是符號位：零表示一個正數據字值。在單極性格式中，3個連續(xù)的0使得adc計數值每變化1個單位，數據字中則以8為單位變化。圖4-2模擬輸入量單極性格式在雙極性格式中，4個連續(xù)的0使得adc計數值每變化1個單位，數據字中則以16為單位變化。圖4-3模擬輸入量雙極性格式2.模擬量輸出格式：圖4-4模擬輸出量的電流/電壓格式注意到，電壓型的模擬量信號，由于電壓輸入端的輸入內阻很高（例如s7-200的模擬量模塊為10兆歐），極易引入干擾。一般電壓信號是用在控制設備柜內電位器設置，或者距離非常近、電磁環(huán)境好的場合。因為電流輸入端的輸入阻抗較小，所以電流型信號不容易受到傳輸線沿途的電磁干擾，因而在工業(yè)現場獲得廣泛的應用。電流信號可以傳輸比電壓信號遠得多的距離。理論上，電流信號的傳輸距離受到以下幾個因素的制約：信號輸出端的帶載能力，以歐姆數值表示（如700）；信號輸入端的內阻；傳輸線的靜態(tài)電阻值（來回是雙線）信號輸出端的負載能力必須大于信號輸入端的內阻與傳輸線電阻之和。當然實際情況不會完全符合理想的計算結果，傳輸距離過長會造成信號衰減，也會引入干擾。一般先用信號變送器把模擬信號變換成統(tǒng)一的標準信號（如420ma的直流電流信號，15v的直流電壓信號等），然后再送入模擬量輸入模塊。em231模擬量輸入（4輸入）內部電路示意圖見附錄圖2。模擬量擴展模塊em231電流信號用3個端子并采用四線制接法（例如rc，c+，c-，其中rc要與c+端子短接，見附錄圖3）。 圖4-5模擬量輸入模塊內部圖模擬模塊測量量程的選擇可使用dip開關組態(tài)輸入通道。表4-1 em231 4路輸入的dip開關設置表sw1sw2sw3滿量程輸入分辨率ononoff05v1.25mv020ma5aonoffon010v2.5mv3.模擬模塊抗干擾的措施（1）傳感器線盡可能短；（2）傳感器線使用屏蔽的雙絞線；（3）僅在傳感器側將屏蔽接終端；（4）未用通道應短接；（5）通過隔離輸入信號或輸入信號參考于模擬量模塊外部24 v電源的公共端，即電源端子m、輸入通道a-、b-等相連，確保輸入信號范圍在技術規(guī)范所規(guī)定的共模電壓之內。4.4 ph變送器、流量變送器的選擇ph變送器選擇具有高抗干擾能力，輸入/輸出隔離式的二線式ph變送器ph300。同時ph300具有微機接口,可輸出電流420ma對應0.0100.0% ；電壓15v對應0.00100.0%。dwyer sf系列流量變送器流量范圍：0.515gpm(260lpm)；精度：2%滿量程；溫度范圍：20225（-7107）；輸出信號： 420ma。例如，量程為260lpm的液體流量變送器的輸出信號是420ma，設轉換后得到的數字為n，試以lmp為單位表示流量值lmp：420ma的模擬量對應數字量640032000，即260lpm對應于數字量640032000，流量的轉換公式為 （4-1）5 軟件設計5.1 軟件設計5.1.1 軟件總體功能本程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。邏輯運算及報警處理程序等放在主程序中，系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現pid控制的定時采樣及輸出控制。5.1.2控制功能的完成本系統(tǒng)的自動控制功能主要分以下幾個部分：1.漿液制備、煙氣控制與吸收塔的聯(lián)動控制在本系統(tǒng)中，漿液制備系統(tǒng)的攪拌存放的漿液、吸收塔系統(tǒng)中的氧化風機與增壓風機以及煙氣系統(tǒng)中的吹入風機全部實行聯(lián)動控制；當漿液制備系統(tǒng)中的漿液制備開始后，制備的漿液滿足吸收塔的漿液要求且輸送到吸收塔中，煙氣系統(tǒng)中的吹入風機和增壓風機才能開啟。當吸收塔中有石灰石漿液時，就要啟動氧化風機和循環(huán)泵。2.吸收塔的ph控制與石灰石漿液的流量控制吸收塔的石灰石漿液ph值是影響二氧化硫吸收的一個重要因數，用作吸收的