【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 任務(wù)： （ 1） 組成 煙氣 脫硫 工藝 過(guò)程控制系統(tǒng) ； （ 2）設(shè)計(jì)出滿足工藝要求的系統(tǒng)方框圖 ； （ 4）利用組態(tài)軟件對(duì) 煙氣 脫硫系統(tǒng)的組態(tài) ； （ 5） 進(jìn)行煙氣脫硫控制系統(tǒng)的連接，； 。 （ 6） 進(jìn)行 DCS 控制系統(tǒng)的摸運(yùn)行調(diào)試 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 11 3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 控制原理 控制原理概述 脫硫裝置運(yùn)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行。雖然脫硫裝置的運(yùn)行控制遠(yuǎn)不如火電廠熱力設(shè)備的控 制復(fù)雜；但是，在運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)，控制指標(biāo)上有其特殊性，更具有化工過(guò)程控制的特點(diǎn) [4]。 由于煙氣脫硫系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，本設(shè)計(jì)關(guān)注其中其于 ph 控制的吸收二氧化硫過(guò)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(zhì)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(jù)酸堿平衡的原理，可推知 吸收二氧化硫的工藝指標(biāo)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(yùn)算結(jié)果為送入吸收塔的二氧化硫質(zhì)量流量）及實(shí)時(shí)檢測(cè)的 吸收塔石灰石漿液 ph 值。由有關(guān)資料可知，吸收塔漿液 ph值和進(jìn)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(yùn)算結(jié)果為送入吸收塔的二氧化硫質(zhì)量流量）及實(shí)時(shí)檢測(cè)的吸收塔的 ph 值成正比關(guān)系。被控量為吸收塔內(nèi)的 ph 值，調(diào)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(duì)象（即 ph 值）延遲慣性較大。采用前饋 反饋系統(tǒng)。前饋信號(hào)選擇為原煙氣二氧化硫濃度、送風(fēng)量（與煙氣量成線性關(guān)系） 。 圖 31吸收塔漿液 ph 串級(jí) 前饋控制系統(tǒng) 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 12 前饋控制器起前饋控制 作用，用來(lái)克服由于煙氣量與煙氣二氧化硫濃度的變化對(duì)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(cè)量值與設(shè)定的 ph 值進(jìn)行比較，得到差值信號(hào)與作為前饋信號(hào)的鍋爐煙氣量與煙氣中二氧化硫濃度的綜合信號(hào)（為進(jìn)入吸收塔二氧化硫質(zhì)量流量）相疊加。前饋與反饋控制共同作用產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)。來(lái)控制石灰石漿液供給閥門開度。使吸收塔內(nèi)漿液 ph 值維持在設(shè)定值上 為防止依據(jù) ph 測(cè)量可能造成的過(guò)調(diào)。采用流量測(cè)量（采用石灰漿液流量測(cè)量?jī)x表），構(gòu)成一個(gè)副反饋回路。 ph 測(cè)量仍構(gòu)成主反饋回路。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 分別接收來(lái)自被控對(duì)象不同位置的測(cè)量信號(hào)。主調(diào)節(jié)器接收漿液 ph 測(cè)量值，副調(diào)節(jié)器接收送進(jìn)吸收塔的石灰石漿液流量測(cè)量值。主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。副調(diào)節(jié)器的輸出值與前饋信號(hào)（進(jìn)入吸收塔的二氧化硫質(zhì)量流量）疊加控制漿液供給閥的開度。 圖 32控制框圖 串級(jí)系統(tǒng)由于副回路的存在。改善了系統(tǒng)品質(zhì)特性，調(diào)節(jié)過(guò)程加快，具有超前控制的作用，并且具有一定的自適應(yīng)能力。有效克服滯后，提高控制質(zhì)量。 ； 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，因?yàn)閮蓚€(gè)控制器串在一起，互相之間或多或少有些影響，因此串級(jí)系統(tǒng)的整定 要比簡(jiǎn)單系統(tǒng)復(fù)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(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來(lái)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(duì)象的傳遞函數(shù)。 b)根據(jù) [GT2] 1，整定主控制器 GT1。由圖可寫出串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式： 011 10120220221 ???? mmTTT GGGGG GGG （ 31） 可得此時(shí)等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 202210102201* 1mTmT GGG GGGGG ?? 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 13 （ 32） 記作 [GT1] 1 。 c)根據(jù)步驟 b 得到的 [GT1] 1，再整定副控制器 GT2。由圖可寫出串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式為 0][1 1010212022 ??? mTmT GGGGGGG （ 33） 可得此時(shí)等效控制對(duì)象為 10102120202* mTm GGGGGGG ?? （ 34） 然后根據(jù)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(yīng)就 [GT2] 2 重復(fù)步驟 b 和 c， 直到出現(xiàn)兩次整定結(jié)果基本 相同為止。 主回路是一個(gè)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(gè)隨動(dòng)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(shí)微分作用也是不需要的。 控制： 主 PID 函數(shù)塊反饋信號(hào)為實(shí)際 ph 值，它是從吸收塔中的漿液檢測(cè)到的 ph值經(jīng)過(guò)輸入轉(zhuǎn)換得來(lái)的。主 PID 函數(shù)塊的給定值為目標(biāo) 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(hào)為實(shí)際流量，它從檢測(cè)流量管道中的流量，經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換 得來(lái)。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(jīng)輸出轉(zhuǎn)換，加載給漿液流量調(diào)節(jié)閥，以確保有合適流量的漿液流入吸收塔 [9]。 設(shè)置由 PID 控制組成的串級(jí) 前饋系統(tǒng)見(jiàn)圖 33。 圖 33漿液流量的 PID與漿液 ph 的 PID 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 14 4 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 集散 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 功能總 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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(gòu) ，現(xiàn)場(chǎng)層為 PLC（ 可編程控制 器） ， 系統(tǒng) 最為主要 特點(diǎn) 具有分散控制系統(tǒng) DCS 的 分散控制、集中管理的 優(yōu)點(diǎn)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(kuò)展 ，采用了安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) ， 具有綜合性和專業(yè)性、人機(jī)對(duì)話功能強(qiáng) ， 管理能力強(qiáng) 等 特點(diǎn)。 同時(shí)系統(tǒng)兼有 PLC 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： I/O 模件成熟可靠，運(yùn)行速度快，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡(jiǎn)便。 本控制 系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實(shí)時(shí)順序控制、條件控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制等功能；能夠完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等基本功能。 采用 冗余的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)路，通訊速率 為 10Mbps/100Mbps，通信穩(wěn)定性可靠性得到保證。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)可采用 SQL Server、 Orcale、 Access 完成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。 2 個(gè) PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制站和中控室通過(guò) 10M 光纖以太網(wǎng)連接，組成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。個(gè)控制站主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、根據(jù)工藝要求控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如泵、閥等。在主控室設(shè)有分別側(cè)重于監(jiān)控、管理的兩臺(tái)工作站、打印機(jī)等設(shè)備。這兩個(gè)工作站均連在 10M 以太網(wǎng)上。用來(lái)顯示整個(gè)工藝流程、過(guò)程數(shù)據(jù)變化和設(shè)備狀態(tài)。 集散 控制系統(tǒng)構(gòu)成 硬件構(gòu)成 本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備主要分為三個(gè)大部分： PLC 部分、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè) 備以及操作員站和工程師控制站部分，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用 標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?式環(huán)形結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備采集數(shù)據(jù)連接到 PLC 的輸入模塊、并接收 PLC 的命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)； PLC 接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)并接收計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制命令，并內(nèi)部通過(guò)強(qiáng)大的內(nèi)部運(yùn)算，進(jìn)行 PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變量的 PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)。 圖 41系統(tǒng)組成圖 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 15 選用兩臺(tái) PLC 通過(guò) PLC 的冗余處理單元（ RPU） 設(shè)計(jì)為硬冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)為硬冗余系統(tǒng)，操作員站與工程師站的 計(jì)算機(jī)采用冗余的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信；工程師控制室設(shè)計(jì)用兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，配以打印機(jī)等設(shè)備，與計(jì)算機(jī)的通 訊采用 RS232 串口通訊。組態(tài)軟件選用 MCGS。 每個(gè)控制站設(shè)置有 UPS，為所有 PLC 及變送儀表設(shè)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(hào)轉(zhuǎn)換器相連接， 變送器元件 —— 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 直接與相應(yīng)的 PLC 模塊連接， 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 把流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0~20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到 PLC 的AI 模塊。 ph 信號(hào)轉(zhuǎn)換器分別與檢測(cè)制備罐中石灰石漿液 ph值的檢測(cè)儀器以及檢測(cè)吸收塔中的石灰石漿液 ph 值的檢測(cè)儀器連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換器把相應(yīng)轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)輸送到 PLC 的 AI 模塊。 PLC 設(shè)備的選型 PLC 機(jī)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(nèi)置 10KB RAM， 2 個(gè) RS485 通信口。最大數(shù)字量量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 224，最大模擬量 I/O 點(diǎn)數(shù)為 45， CPU 本體集成 2 個(gè)模擬量輸入通道 /1 個(gè)模擬量輸出通道。 外加用于擴(kuò)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(jiàn)附錄圖 1） 。 選擇 EM222 繼電器型輸出，是因?yàn)槔^電器輸出既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又 可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，而且適用的電壓大小范圍較寬，同時(shí)承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)。 注意到 S7224XPCN PLC 上的通信口是 RS485 標(biāo)準(zhǔn)；如果通信對(duì)象是 RS232 設(shè)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(tái) PLC的通信。 PLC 機(jī)的設(shè)置 S7224 XP 的兩路模擬量輸入通道被出廠設(shè)置為電壓信號(hào)（ 0~10V）輸入。為了能夠輸入電流信號(hào)，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(guò)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(yuǎn)依次 AIW0、 AIW AIW4?? 每個(gè)通道是兩個(gè)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(duì)齊的。 MSB 是符號(hào)位：零表示一個(gè)正數(shù)據(jù)字值。 在單極性格式中， 3 個(gè)連續(xù)的 0 使得 ADC 計(jì)數(shù)值每變化 1 個(gè)單位，數(shù)據(jù)字中則以 8 為單位變化。 環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)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(gè)連續(xù) 的 0 使得 ADC 計(jì)數(shù)值每變化 1 個(gè)單位，數(shù)據(jù)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(hào)，由于電壓輸入端的輸入內(nèi)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(hào)是用在控制設(shè)備柜內(nèi)電位器設(shè)置，或者距離非常近、電磁環(huán)境好的場(chǎng)合。因?yàn)殡娏鬏斎攵说妮斎胱杩馆^小，所以電流型信號(hào)不容易受到傳輸線沿途的電磁干擾，因而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得廣泛的應(yīng)用。電流信號(hào)可以傳輸比電壓信號(hào)遠(yuǎn)得多的距離。理論上 ，電流信號(hào)的傳輸距離受到以下幾個(gè)因素的制約：信號(hào)輸出端的帶載能力，以歐姆數(shù)值表示（如 700Ω ）；信號(hào)輸入端的內(nèi)阻；傳輸線的靜態(tài)電阻值（來(lái)回是雙線）信號(hào)輸出端的負(fù)載能力必須大于信號(hào)輸入端的內(nèi)阻與傳輸線電阻之和。當(dāng)然實(shí)際情況不會(huì)完全符合理想的計(jì)算結(jié)果，傳輸距離過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成信號(hào)衰減，也會(huì)引入干擾。 一般先用信號(hào)變送器把模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如 4~20mA 的直流電流信號(hào)，1~5V 的直流電壓信號(hào)等），然后再送入模擬量輸入模塊。 EM231 模擬量 輸入（ 4輸入）內(nèi)部電路示意圖見(jiàn)附錄圖 2。 模擬量擴(kuò)展模塊 EM231 電流信號(hào)用 3 個(gè)端子并采用四線制接法（例環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)畢業(yè)論文 17 如 RC， C+， C， 其中 RC 要與 C+端子短接， 見(jiàn)附錄圖 3）。 濾波內(nèi)部電路A/D光電耦合 圖 45模擬量輸入模塊內(nèi)部圖 模擬模塊測(cè)量量程的選擇可使用 DIP 開關(guān)組態(tài)輸入通道。 表 41 EM231 4路輸入的 DIP開關(guān)設(shè)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(cè)將屏蔽接終端； （ 4）未用通道應(yīng)短接； （ 5）通過(guò)隔離輸入信號(hào)或輸入信號(hào)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(hào)范圍在技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的共模電壓之內(nèi)。 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。