【文章內容簡介】 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 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 11 3 系統(tǒng)控制設計 控制原理 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(shù)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。 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(shù)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。 ：因煙氣量變化不能迅速體現(xiàn)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 31吸收塔漿液 ph 串級 前饋控制系統(tǒng) 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 12 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 32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。 ； 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(shù)，記作 [GT2] 1。 Gm Gm2 是主副變送器的傳遞函數(shù)， G0 G02 是主副對象的傳遞函數(shù)。 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： 011 10120220221 ???? mmTTT GGGGG GGG （ 31） 可得此時等效控制對象的傳遞函數(shù)為 202210102201* 1mTmT GGG GGGGG ?? 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 13 （ 32） 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 0][1 1010212022 ??? mTmT GGGGGGG （ 33） 可得此時等效控制對象為 10102120202* mTm GGGGGGG ?? （ 34） 然后根據單回路系統(tǒng)的整定方法求出副控制器的參數(shù)， [GT2] 2。 d)如果 [GT2] 2 和 [GT2] 1的參數(shù)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(xiàn)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。 控制： 主 PID 函數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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 33。 圖 33漿液流量的 PID與漿液 ph 的 PID 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 14 4 系統(tǒng)硬件 設計 集散 系統(tǒng) 設計 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(xiàn)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(shù)控制、步進控制等功能；能夠完成模數(shù)轉換、數(shù)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(shù)據庫可采用 SQL Server、 Orcale、 Access 完成統(tǒng)計報表。 2 個 PLC 現(xiàn)場控制站和中控室通過 10M 光纖以太網連接，組成現(xiàn)場控制網絡。個控制站主要負責采集現(xiàn)場實時數(shù)據、根據工藝要求控制現(xiàn)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(shù)據變化和設備狀態(tài)。 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(xiàn)場數(shù)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(xiàn)場儀表和設備采集數(shù)據連接到 PLC 的輸入模塊、并接收 PLC 的命令對現(xiàn)場設備進行控制和調節(jié)； PLC 接收現(xiàn)場設備的數(shù)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(xiàn)場變量的 PID 自動調節(jié)。 圖 41系統(tǒng)組成圖 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 15 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 RS232 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 0~20mA 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。 PLC 設備的選型 PLC 機的選擇 PLC 選用西門子的 S7200 系列 PLC—— CPU224XPCN。西門子的 S7200 系列 PLC 屬于小型 PLC。 在本系統(tǒng)中的西門子 S7224XP CN 模塊內置 10KB RAM， 2 個 RS485 通信口。最大數(shù)字量量 I/O 點數(shù)為 224，最大模擬量 I/O 點數(shù)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(shù)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 S7224XPCN PLC 上的通信口是 RS485 標準；如果通信對象是 RS232 設備，則需要 RS232/PPI（多主站）電纜。也可利用 RS232/PPI 多主站電纜連接主站與多臺 PLC的通信。 PLC 機的設置 S7224 XP 的兩路模擬量輸入通道被出廠設置為電壓信號（ 0~10V）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。 S7224 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。 ： 輸入模擬量在程序中的寄存器，離 CPU 模塊由近到遠依次 AIW0、 AIW AIW4?? 每個通道是兩個字節(jié)，單極性原始采集值 0~32768，靈敏度 1/4000；雙極性原始采集值 177。32022，靈敏度 0~ 12 位讀數(shù)是左對齊的。 MSB 是符號位：零表示一個正數(shù)據字值。 在單極性格式中， 3 個連續(xù)的 0 使得 ADC 計數(shù)值每變化 1 個單位，數(shù)據字中則以 8 為單位變化。 環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 16 圖 42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(shù)值每變化 1 個單位，數(shù)據字中則以 16 為單位變化。 圖 43模擬輸入量雙極性格式 ： 圖 44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 S7200 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(xiàn)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(shù)值表示（如 700Ω ）；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 4~20mA 的直流電流信號，1~5V 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（例環(huán)境監(jiān)測與治理技術畢業(yè)論文 17 如 RC， C+， C， 其中 RC 要與 C+端子短接， 見附錄圖 3）。 濾波內部電路A/D光電耦合 圖 45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 41 EM231 4路輸入的 DIP開關設置表 SW1 SW2 SW3 滿量程輸入 分辨率 ON ON OFF 0~5V 0~20mA 5μA ON OFF ON 0~10V （ 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。 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。