談鍋爐除塵脫硫控制系統設計

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摘要：針對某一鍋爐除塵脫硫系統采用人工、半自動方式進行現場操作和管理，存在操作現場危險、工作環境差、浪費人力等問題，提出了一套基于PLC為核心控制器的全自動控制系統。根據實際工況，對生產工藝進行了研究，對系統的功能進行了分析，首先給出了控制系統的硬件設計，然后給出了系統的軟件設計。運用PID控制技術實現了除塵器液位的穩定控制和壓力的恒壓控制；應用組態王作為上位機監控軟件，實現了系統遠程監控，便于現場操作和工作管理。

關鍵詞：鍋爐；除塵脫硫；自動控制

為適應國家環保排放標準的要求，保護城市生產和生活環境衛生，控制二氧化硫的排放指標在國家標準范圍內，一般情況下，熱力廠會采用除塵脫硫設施處理燃煤鍋爐尾氣，以減少對環境的影響［1］。

1功能需求分析

1．1脫硫工藝概述

鍋爐除塵脫硫工藝主要包括除灰系統和脫硫系統。脫硫工藝采用石灰法脫硫，脫硫生產工藝中，會產生大量的石灰雜質，需要定時將其除去，否則其會凝固，堵塞除塵器。在脫硫除塵器中，為除去除塵器中的石灰雜質，需要注入一定的清水，與石灰雜質混合，形成石灰雜質廢水，定時開啟除塵器的排灰閥，可將廢料排除到除塵器外的卸灰池中。

1．2控制需求

1）除塵器的排灰閥通過氣缸控制，通過定時啟停氣缸電磁閥，可實現排灰閥的控制。2）除塵器的儲水池中存有一定量的清水，用于輸入到除塵器中，形成石灰雜質廢水，除去石灰雜質。在儲水池上安裝補水閥，補水閥采用模擬量的電調閥控制，實現對儲水池補水；通過開啟閥門大小，實現儲水池的水位控制，保證補水池水位恒定。3）采集系統管道的入口壓力、出口壓力、配堿池的pH值、配堿池的水位、系統中各個閥門的開口大小等參數，并將采集的數據實時顯示在上位機監控軟件中。4）控制沉灰池污泥泵、溶灰池污泥泵、輸送機的變頻器，實現頻率給定控制并反饋其運行狀態。

2控制系統硬件平臺搭建

2．1工藝段劃分

本文研究的除塵脫硫工藝包含6組除塵器、3組沉灰池、2組溶灰池、1個傳輸機和1個酸堿池控制。其中，每組除塵器都包含30組卸灰閥、1個補水池電調閥、1個差壓閥、1個入口壓力檢測、1個出口壓力檢測、1個液位檢測?？紤]到生產工藝和布局需要，將控制系統分為2個控制區，按平均分配原則，A區控制3組除塵器、2組沉灰池、1組溶灰池、1個傳輸機；B區控制3組除塵器、1組沉灰池、1組溶灰池、1個酸堿池。兩套控制系統都采用通訊方式和上位機連接。

2．2硬件設計

根據工藝需求，本文通過變頻器對污泥泵和傳輸機等設備進行控制，系統采用模擬量輸出方式進行控制，加上電調閥和壓差閥，模擬量輸出點數為8點；系統中壓力、液位等傳感器信號，以及變頻器頻率反饋信號等都屬于模擬量輸入信號，模擬量輸入信號點數為28點；系統中氣缸電磁閥控制信號和變頻器的啟停信號都屬于開關量信號，計算共需要開關量輸入點數168點，開關量輸出點數112點?？紤]15％的裕量，選擇歐姆龍中大型系列PLC，型號為CJ2M－CPU13，同時配備上位機通訊模塊SCU31、模擬量輸入模塊AD081－V1、模擬量輸出模塊DC08C、數字量輸出模塊OD261、數字量輸入模塊ID211，基本滿足控制要求。以上計算為一個功能分區的輸入輸出點數，系統中總計兩個功能分區，控制系統的硬件數量為單個功能分區數量的2倍，除塵脫硫控制系統硬件配置清單，如表1所示。為實現除塵脫硫的工藝過程，根據控制需求，設計的控制系統主要包括PLC、上位機軟件（組態王）、變頻器、補水泵電調閥、氣缸電磁閥、壓力傳感器、pH值檢測傳感器、液位傳感器等組成［2］。控制系統的結構示意圖如圖1所示。

3系統軟件設計

系統軟件設計包括PLC程序設計和上位機人機界面程序設計兩個部分。PLC程序包括初始化控制程序、除塵器排灰閥控制程序、模擬量輸出程序（用于變頻器、電調閥、壓差閥控制）、數據采集程序（采集閥門開度和變頻器運行狀態、系統壓力等）、PID控制程序等；觸摸屏人機界面程序包括開機界面、控制界面、手動界面、參數設定界面等［3－5］。

3．1除塵器排灰閥控制設計

除塵器排灰閥有兩種控制方式：一種是自動方式，一種是手動方式。手動方式下可以手動單獨操作任意排灰閥；自動方式下采用時間定時來控制，生產運行過程中，主要以自動方式為主。自動控制方式為：每個除塵器有30個排灰閥，將排灰閥分為6組，5個為一組，各組相互獨立，每組設計一個啟動開關，同時每個排灰閥設定獨立工作時間和等待時間；以第一組為例，按下啟動開關后，第一個排灰閥啟動同時開始計時，工作時間結束后，第一個排灰閥停止，開始等待計時，計時結束后，啟動第二個排灰閥并計時，依次啟動第三個排灰閥，第四個排灰閥，第五個排灰閥，并依次循環下去，直到按下當組停止按鈕后，當組的全部排灰閥關閉，計時停止。根據工況要求，排灰閥打開時間為30s，等待時間為120s。

3．2補水池電調閥控制設計

補水池電調閥的開口大小決定閥門的流量，進而決定補水池的液位。為保證補水池的水位保持在工況許可的固定范圍內變化，補水池電調閥采用PID方式進行控制。PID控制方式在工業控制中有著十分廣泛的應用，其參數設定方便、易于實現、魯棒性好，適用于各種控制工況。其控制思路是：預先設定好補水池的目標液位值，補水池液位傳感器經變送器變送輸出信號為0～10V的模擬量信號，液位電壓信號通過模擬量模塊AD081－V1輸入到PLC中，PLC程序中，通過傳送、數值運算和轉換等指令，將采集到的數字量信號轉換為實際的液位值，將目標液位值和實際的液位值寫入到PLC的PID指令中。PID控制功能是通過PLC的指令模塊PID指令實現的。歐姆龍PLC的PID指令能夠讓用戶靈活地設定PID參數P、I、D、采樣時間等參數，并具有自整定功能。PID指令中有三個參數，分別是輸入值、控制字、輸出值。其中，輸入值對應設定的實際液位值；控制字為控制參數的首地址，首地址中設定目標液位值，緊接著為PID運行參數的比例參數P、積分參數I、微分參數D、采樣時間T等；輸出值傳送給模擬量輸出模塊AD08C，對應電調閥模擬量輸入端口，進而調節電調閥的開口大小。圖3為1＃電調閥的PID控制指令。

3．3壓力控制程序設計

鍋爐運行工藝中，系統壓力是工業鍋爐安全運行的重要指標之一，系統中各種安全隱患和故障都將產生壓力變化。除塵器系統中的壓力包括入口壓力和出口壓力，本研究通過插板閥來調節入口壓力與出口壓力的壓差，當壓差偏大時，縮小插板閥的開口尺寸；當壓差變小時，則增大插板閥的開口尺寸，使其控制在工況允許范圍內。其中，控制算法仍采用PID控制算法，控制理論框圖如圖4所示。

3．4上位機監控程序設計

本文上位機監控軟件采用組態王7．5版本的組態軟件，根據下位機硬件配置，上位機應用變量點數800多個點，故采用1024點版本軟件。

3．4．1設備連接實現組態王與下位機歐姆龍PLC通訊方式采用串口通訊，232串口通訊距離最大不超過10m，而485和422通訊方式可達800m，由于下位機PLC與監控現場的距離400m左右，故本研究采用全雙工的422通訊方式。通訊參數設置為：通訊波特率為19200，數據位8位，停止位1位，無校驗。

3．4．2監控畫面設計監控畫面設計的理念是依據除塵脫硫工藝流程，在人機界面上呈現出系統設備的工作狀態、傳感器儀表的數值顯示、操作功能按鈕等。為便于操作，將監控系統各個功能單元分開設計，組態王監控系統的畫面主要包括：1）參數設置界面實現污泥泵、傳輸機等頻率給定和插板閥、電調閥等閥門開度給定；2）數據監控界面實現系統壓力、溫度和設備狀態等參數實時監控；3）排灰閥操作畫面用于實現排灰閥的自動和手動控制。

4結束語

目前，該控制系統已經投入使用，實踐應用表明：該控制系統的應用，減少了現場的工作量和工作強度，為企業節約了8～10個人力成本，具有良好的經濟和社會效益。脫硫除塵自動化遠程監控系統的設計，實現了各種過程控制和邏輯控制的功能，提高了企業的自動化水平，使操作工人遠離現場操作，改善了工作條件，減輕了工作強度，為燃煤煙氣排放的達標提供了良好保證，為企業帶來良好的經濟效益。

參考文獻

［1］陳裕樓．電廠鍋爐脫硫脫硝及煙氣除塵技術［J］．中國設備工程，2020（13）：196－197

［2］王俊，潘恒樂．新型鏈式廢煙提升輸送裝置的研制［J］．煙草科技，2019，52（4）：107－110

［3］金建軍．基于伺服電機驅動的十字滑臺PLC控制系統設計［J］．自動化應用，2018（2）：36－37，43

［4］張巍，駱昕，林家春．基于PLC的標準布氏硬度機的自動控制系統［J］．機電工程，2020，37（2）：211－215

［5］李大偉．真空熱壓裝置液壓加載平臺控制系統設計［J］．機電工程，2020，37（12）：1535－1539

作者：李大偉 單位：遼寧裝備制造職業技術學院