【正文】 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 前言 PLC 原理及應用課程是一門強調應用能力訓練與培養(yǎng)，以實踐動手能力培養(yǎng)為顯著特征的控制及相近專業(yè)重要的專業(yè)課程。多年來，高校開設的此類課程以訓練基本概念和基本應用能力為主，導致學生在走上工作崗位后仍然 需要進行二次培訓。這在采用中、高端 PLC 的熱能動力工程專業(yè)，熱工過程自動化專業(yè)方向表現的更為特出。為了改變這一情況，能源與動力工程學院基于“南京工程學院 施耐德電氣聯合實驗與培訓中心”的建設，選擇了施耐德最新的中端產品 Modicon M340 PLC 作為該課程的教學系統，建設了“施耐德電氣 M340 PLC 實驗室”。 作為全球領先的自動化產品供應商，施耐德電氣在各種類型的應用領域都擁有性能卓越的可編程控制器。 Modicon M340 PLC 集各種強勁功能和創(chuàng)新設計于一身，為復雜設備制造商和中小型項目提供各種自 動化系統的最佳技術和高效、靈活、經濟的解決方案。 M340 是僅次于 Unity 的施耐德投資第二大研發(fā)項目，于 2021 年 7 月 1 日開始接受訂貨，其開發(fā)平臺基于 Unity Pro 及更高版本。 Modicon M340 可編程控制器集各種強勁功能和創(chuàng)新設計于一身，完美無缺地滿足復雜設備制造商和中小型項目的要求，提供各種自動化功能的最佳技術和高效、靈活、經濟性的解決方案。 Modicon M340 充分支持工業(yè)和基礎設施自動化控制系統的“透明就緒”架構，成為 Modicon Premium 和 Quantum 系列產品線的最 佳拓展。使得該平臺幾乎具有了高端 PLC 應用系統開發(fā)的所有特征，很好地滿足了熱工過程自動化專業(yè)方向在 PLC 原理及應用課程的教學需要。 為了滿足 PLC 課程的教學需要，“施耐德電氣 M340 PLC 實驗室”的 M340 PLC 實驗教學系統不僅要包括如交通燈實驗、電機起停等經典教學實驗，同時為使學生更加系統全面的了解 PLC 應用系統，而且選擇了一個完整的過程控制系統案例 —— 火電廠煙氣脫硫控制系統，作為課程教學的主線。此次畢業(yè)設計即是結合該實驗教學系統的設計，完成試驗臺的初步的結構設計和功能設計，并主要完成火電廠煙氣脫硫控 制系統案例的全面設計、編程和調試工作。 火電廠煙氣脫硫控制系統是一個非常典型的過程控制系統案例，綜合了 脫硫 、液位 、壓力、溫度控制功能，涉及到順序控制、模擬量調節(jié)、安全報警等控制系統南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 中必不可少 的功能，可以向 學生展示一個完整的 PLC 控制應用系統，幫助學生全面的了解 PLC 控制系統，對學習 PLC 原理和 PLC 應用系統開發(fā)有一個全面的認識。 火電廠煙氣脫硫控制系統教學案例采用典型的監(jiān)控上位機 +PLC 下位機的兩層架構系統。本部分設計內容主要是完成案例的下位機 PLC 層的設計、組態(tài)、編程和調試工作。該部分工作是從火電廠煙氣脫 硫的工藝流程分析入手，進行控制需求分析，設計出一套的功能完備、系統簡單、低成本的 PLC 控制系統解決方案。 為了完成畢業(yè)設計任務，需要全面了解 PLC，掌握根據實際使用情況對 PLC 進行選型和配置的原則，根據火電廠煙氣脫硫的工藝過程特點確定控制需求，進行控制系統進行分析，確定火電廠煙氣脫硫控制系統的 Pamp。ID 圖和 I/O 清單，設計火電廠煙氣脫硫控制系統拓撲和控制原理圖（ SAMA）。畢業(yè)設計的另一項重要工作是完成控制系統的編程和調試，這需要借助施耐德 Unity Pro 軟件平臺來完成。 Unity Pro 是施耐德新開發(fā)的綜 合控制系統開發(fā)和調試平臺，該平臺的開發(fā)思想和方法與 DCS 系統幾乎一致。 Unity Pro 開發(fā)平臺的教學應用可以很好地滿足熱工過程自動化專業(yè)方向在 PLC，以及后續(xù)的計算機控制系統課程教學的需要。 本次畢業(yè)設計工作是對 PLC 控制系統設計、過程控制系統設計以及計算機控制系統的全面、系統的綜合訓練，為 PLC 原理及應用課程的案例教學方法進行較全面的實驗平臺、教學方法和教學內容的設計。所設計的成果對“南京工程學院 施耐德電氣聯合實驗與培訓中心”的建設和 PLC 及計算機控制系統課程配套教學方法的改革具有較大的參考價值。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁 第一章 緒論 課題背景 SO2是大氣污染的重要來源，是形成硫酸型酸雨的最直接原因。目前，煤電仍是我國電力生產的主要形式，煤電生產量約占全國發(fā)電量的 75%以上。因此，除了需要全面提高燃煤發(fā)電技廠的發(fā)電技術，獲得更高的發(fā)電效率外，還必須面臨如何控制其燃燒排放物的重大問題。 以燃燒化石燃料為基礎的火力發(fā)電廠，其煙氣排放物中帶給環(huán)境帶來污染和危害，的主要有有氧化物（大部分為 SO2，少部分 SO3）、氮氧化物、二氧化碳和粉塵等，其中煙氣排放產生的 SO2是世界上 最大的 SO2排放源之一。因此，控制火力發(fā)電廠 SO2的排放，保護環(huán)境，是電力生產發(fā)展中急需解決的問題之一。 火電廠脫硫工藝選擇脫硫技術可分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫三種。燃燒后脫硫即煙氣脫硫（ Flue Gas Desulfurization， FGD）技術 它是在煙道處加裝脫硫設備，對尾部煙氣進行脫硫處理，凈化咽氣，降低煙氣中 SO2排放量 。燃燒后脫硫（ FGD）是目前唯一可以進行大規(guī)模商業(yè)運行的脫硫方式，大型電廠 90%是采用這種方式。所謂煙氣脫硫，就是把煙氣中的 SO2和 SO3轉化為液體或固體化合物，使其從排出的煙氣中分離出去。脫硫的方法主要有干法、 半干法和濕法， 工業(yè)上應用最多，技術最成熟的是濕法脫硫。濕法煙氣脫硫工藝絕大多數采用堿性漿液或溶液作為吸收劑， 脫硫效率高。火電廠煙氣脫硫的主要困難在于 SO2的濃度低煙氣體積大， SO2的總量大，由于 SO2是酸性氣體，因此堿性物質耗量很大。煙氣中 SO2濃度具體由燃料的含硫量決定的。我國引進的技術以石灰 /石灰石法為主。 FGD 工藝方案中，石灰石或石灰為吸收劑的強制氧化濕式脫硫方式是目前使用最廣泛的脫硫技術。 國內外研究現狀 下位機研究現狀 針對 PLC 下位機的設計， 周宏英、王君、楊繼志 [1] 等 針對電廠脫硫控制系統主南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 要功能及工藝流程，使電廠脫硫控制系統中脫硫漿液制備與輸送系統、煙氣凈化系統以及循環(huán)液處理系統這三部分密切配合，從而提高了脫硫的效率。鄭晅 [2]根據煙氣脫硫系統的工藝特點，提出了自動控制要求和控制方式。采用可編程控制器 PLC 作為控制主機 ,將脫硫控制納入全廠輔助系統網絡集中監(jiān)控 ,既保證可靠性 ,又提高了經濟性。在脫硫系統設計時詳細對設計方案分析并選擇合適的可編程控制器，電源電路和數據采集電路。曾志新 [3]針對控制項目提出主要控制方案及聯鎖系統說明，才工藝中采用特殊的熱工保護來維持脫硫系統正常 運行以及發(fā)生事故時保護系統及設備。徐鵬 [4]鍋爐負荷、燃煤質量、煙氣濃度及煙氣流量等情況實現各類磨機、泵、閥門等設備的自動控制，給出了石灰石 石膏濕法全煙氣脫硫系統中 PLC 系統的分組。吳明亮、隨晶晶等 [5]在石灰石制粉控制系統中的應用中體現了 PLC 控制系統可控制良好的經濟型、可靠性和靈活性。 李國峰 [6]針對岱莊煤礦熱電廠原有煙氣脫硫系統脫硫效率低，運用 PLC 實現氨法煙氣脫硫綜合自動化監(jiān)控，大大提高了熱電廠的自動化水平。梁冬青 [7]結合 PLC 的特點，著重探討了 PLC 在電廠石灰石（石灰） —— 石膏濕法脫硫監(jiān)控 系統中的應用，根據脫硫系統的特點采用三臺上位計算機和三套 PLC控制系統組成冗余的控制系統和網絡，整個系統采用雙機熱備冗余方式，體現了 PLC控制的可靠性。黃紅艷 陳華東 [8]針對安順電廠二期 3 號、 4 號機組建設的 2 300MW機組的濕法脫硫系統，結合了 DCS 和 PLC，分析了全廠控制配置的優(yōu)缺點，介紹其工藝流程，軟硬件配置、主要模擬量控制和順序控制等，提出了良好的改造建議和方案。另外介紹了采用 PLC 的脫硫輔助控制系統，對石灰石的制備系統、廢水處理系統和石膏脫水系統的硬件和流程，使整個煙氣脫硫系統更加全面可靠。 孟憲朋、李璐、田林 [9]在硬件設計中考慮了控制站 PLC 的設計和現場變頻器的選型。關于變頻器以前很少接觸，在整個煙氣脫硫工藝中，有很多需要用到變頻器調速的地方，根據系統工藝要求變頻器有足夠的低頻轉矩提升能力和短視過流能力，選型時應該充分考慮各種情況。張勇 , 欒瑞瑛 [10]結合石灰石 —— 石膏濕法煙氣脫硫控制系統的特點，從控制處理能力，數據通訊交換，組態(tài)維護功能，人機交流方式，安全性和發(fā)展方向等方面比較了分散控制系統（ DCS）和 PLC，并且總結了脫硫系統的主要特點。針對濕式脫硫的缺點和干式脫硫的特點，干式脫硫主要 調節(jié)反應塔內溫度、壓力、灰漿濃度以及鍋爐熱負荷。干式脫硫在我國北方具有很高的推廣價值。鄒瑞強、朱曉莉、毛偉峰 [11]介紹了用施耐德 PLC 在濟鋼 AV71 鼓風機組控制中的應用，施耐德 PLC南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 的應用減弱了儀表的復雜程度，接線簡單明了，大大降低了事故率。肖漓 , 周國榮 [12]介紹了濕式鈣 /鎂法煙氣脫硫自動控制系統的工藝流程和自動控制系統結構與功能。PLC 是整個控制系統的核心，負責現場的數據采集，邏輯控制，系統故障處理以及同上位機的通訊。 上位機研究現 狀 目前，工業(yè)自動化控制技術已經發(fā)展到一個新的高度，可 編程控制器已經在工業(yè)控制領域得到廣泛的應用，它是經濟全球化和中國走向世界的一個必然。在 PLC與上位機組成的集散控制系統中， PLC 作為下位機，完成數據采集、邏輯分析、數學運算、輸出控制等功能，上位機完成數據存儲、結果處理、狀態(tài)顯示、打印輸出等功能，實現對系統的實時監(jiān)控和在線處理。這樣不僅提高了 PLC 的控制功能，擴大了它的控制范圍，而且能夠使 PLC 間的資源共享，便于實現集中控制和網絡化管理。 本文研究內容 本次畢業(yè)設計的內容是：在掌握施耐德可編程控制器（ PLC）的原理，編程以及使用方法的基礎上，通過深入仔 細研究火電廠煙氣脫硫控制系統的工藝流程。 煙氣脫硫控制系統采用施耐德 M340 系列 PLC 控制上位機管理的方式設計， PLC綜合了計算機技術與自動控制技術為一體的工業(yè)控制產品，運用 PLC 對上位機的軟件設計實現自動控制、 數據 顯示、記錄整個工藝過程。 下位機用 UnityPro 軟件根據設計需要對 PLC 進行硬件配置，用下位機軟件編寫代碼，使其模擬火電廠煙氣脫硫過程，對控制系統進行仿真。 上位機組態(tài)軟件采用 Vijeo Designer 觸摸屏上位機 軟件來配合 PLC 工作。用組態(tài)軟件畫出煙氣脫硫控制系統主畫面，監(jiān)視畫面，報警畫面， 趨勢畫面等，通過網絡通信功能連接 PLC， 能夠直觀的準確的控制各機械或生產過程，使之控制過程更加直觀，方便控制調整。 上位機軟件與下位機進行網絡通信功能連接，可以通過操作監(jiān)控界面完成對脫南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 硫裝置的啟停操作，使脫硫裝置的控制均能自動進行。所以本次課題需要完成對 PLC下位機的控制過程的軟件編程，給出 I/O 清單。 最后，依靠工業(yè)以太網來完成下位機與上位機的通訊，使之成為一個整體，再進行仿真模擬修改，最終完成火電廠煙氣脫硫控制系統。 第二章 工作原理和流程分析 火電廠煙氣 脫硫工藝選擇脫硫技術可分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫三種。燃燒前脫硫主要指選煤（如物理法，微生物法脫硫）、煤氣化和水煤漿技術；南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 11 頁 燃燒中脫硫指低污染燃燒、型煤加工和流化床方式燃燒技術以及 目前推廣的燃氣 —蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電技術；燃燒后脫硫即煙氣脫硫（ Flue Gas Desulfurization， FDG）技術。 FGD 是目前唯一可以進行大規(guī)模商業(yè)運行的脫硫方式，大型電廠脫硫的 90%是采用這種方式。 從脫硫方法看，主要有如下幾種：（ 1）拋棄法和回收法；（ 2）干法和濕法。工業(yè)上應用最多、技術最成熟的是濕法脫硫， 是伐是利用水或堿性吸收液或觸媒離子的溶液，吸收煙氣中的二氧化硫，它是目前世界上應用最廣泛的脫硫方式，脫硫效率高，全世界該工藝裝置的容量占絕大部分。 我國重慶的珞璜電廠、深圳沙角 A 電廠、上海石洞口電廠都是采用的濕法脫硫。其他工業(yè)化的工藝還有噴霧干燥法（ SDA）、爐內噴鈣尾部增濕活化（ LIFAC）、亞納循環(huán)法（ WL 法） 、電子束法（ EBA）。火電廠煙氣脫硫的主要困難在于 SO2的濃度低煙氣體積大， SO2的總量大，由于 SO2是酸性氣體，因此堿性物質耗量很大。煙氣中 SO2濃度具體由燃料的含硫量決定的。常見的濕法煙氣脫硫 技術主要有石灰 /石灰石 — 石膏法、雙堿法 (NaCa)、氧化鎂法、海水脫硫法、磷銨肥法等。第一代的 FDG 以石灰 /石灰石濕法為代表，其裝置主要安裝在美國和日本。在美國，大多數大中型燃煤鍋爐所采用的 FDG 工藝均為濕法，濕法約占 FDG 總容量的 92%。在日本，煙氣脫硫技術主要采用濕法和回收法，其中濕法石灰石 石膏法約占總容量的