谈锅炉除尘脱硫控制系统设计

摘要：针对某一锅炉除尘脱硫系统采用人工、半自动方式进行现场操作和管理，存在操作现场危险、工作环境差、浪费人力等问题，提出了一套基于PLC为核心控制器的全自动控制系统。根据实际工况，对生产工艺进行了研究，对系统的功能进行了分析，首先给出了控制系统的硬件设计，然后给出了系统的软件设计。运用PID控制技术实现了除尘器液位的稳定控制和压力的恒压控制；应用组态王作为上位机监控软件，实现了系统远程监控，便于现场操作和工作管理。

关键词：锅炉；除尘脱硫；自动控制

为适应国家环保排放标准的要求，保护城市生产和生活环境卫生，控制二氧化硫的排放指标在国家标准范围内，一般情况下，热力厂会采用除尘脱硫设施处理燃煤锅炉尾气，以减少对环境的影响［1］。

1功能需求分析

1．1脱硫工艺概述

锅炉除尘脱硫工艺主要包括除灰系统和脱硫系统。脱硫工艺采用石灰法脱硫，脱硫生产工艺中，会产生大量的石灰杂质，需要定时将其除去，否则其会凝固，堵塞除尘器。在脱硫除尘器中，为除去除尘器中的石灰杂质，需要注入一定的清水，与石灰杂质混合，形成石灰杂质废水，定时开启除尘器的排灰阀，可将废料排除到除尘器外的卸灰池中。

1．2控制需求

1）除尘器的排灰阀通过气缸控制，通过定时启停气缸电磁阀，可实现排灰阀的控制。2）除尘器的储水池中存有一定量的清水，用于输入到除尘器中，形成石灰杂质废水，除去石灰杂质。在储水池上安装补水阀，补水阀采用模拟量的电调阀控制，实现对储水池补水；通过开启阀门大小，实现储水池的水位控制，保证补水池水位恒定。3）采集系统管道的入口压力、出口压力、配碱池的pH值、配碱池的水位、系统中各个阀门的开口大小等参数，并将采集的数据实时显示在上位机监控软件中。4）控制沉灰池污泥泵、溶灰池污泥泵、输送机的变频器，实现频率给定控制并反馈其运行状态。

2控制系统硬件平台搭建

2．1工艺段划分

本文研究的除尘脱硫工艺包含6组除尘器、3组沉灰池、2组溶灰池、1个传输机和1个酸碱池控制。其中，每组除尘器都包含30组卸灰阀、1个补水池电调阀、1个差压阀、1个入口压力检测、1个出口压力检测、1个液位检测。考虑到生产工艺和布局需要，将控制系统分为2个控制区，按平均分配原则，A区控制3组除尘器、2组沉灰池、1组溶灰池、1个传输机；B区控制3组除尘器、1组沉灰池、1组溶灰池、1个酸碱池。两套控制系统都采用通讯方式和上位机连接。

2．2硬件设计

根据工艺需求，本文通过变频器对污泥泵和传输机等设备进行控制，系统采用模拟量输出方式进行控制，加上电调阀和压差阀，模拟量输出点数为8点；系统中压力、液位等传感器信号，以及变频器频率反馈信号等都属于模拟量输入信号，模拟量输入信号点数为28点；系统中气缸电磁阀控制信号和变频器的启停信号都属于开关量信号，计算共需要开关量输入点数168点，开关量输出点数112点。考虑15％的裕量，选择欧姆龙中大型系列PLC，型号为CJ2M－CPU13，同时配备上位机通讯模块SCU31、模拟量输入模块AD081－V1、模拟量输出模块DC08C、数字量输出模块OD261、数字量输入模块ID211，基本满足控制要求。以上计算为一个功能分区的输入输出点数，系统中总计两个功能分区，控制系统的硬件数量为单个功能分区数量的2倍，除尘脱硫控制系统硬件配置清单，如表1所示。为实现除尘脱硫的工艺过程，根据控制需求，设计的控制系统主要包括PLC、上位机软件（组态王）、变频器、补水泵电调阀、气缸电磁阀、压力传感器、pH值检测传感器、液位传感器等组成［2］。控制系统的结构示意图如图1所示。

3系统软件设计

系统软件设计包括PLC程序设计和上位机人机界面程序设计两个部分。PLC程序包括初始化控制程序、除尘器排灰阀控制程序、模拟量输出程序（用于变频器、电调阀、压差阀控制）、数据采集程序（采集阀门开度和变频器运行状态、系统压力等）、PID控制程序等；触摸屏人机界面程序包括开机界面、控制界面、手动界面、参数设定界面等［3－5］。

3．1除尘器排灰阀控制设计

除尘器排灰阀有两种控制方式：一种是自动方式，一种是手动方式。手动方式下可以手动单独操作任意排灰阀；自动方式下采用时间定时来控制，生产运行过程中，主要以自动方式为主。自动控制方式为：每个除尘器有30个排灰阀，将排灰阀分为6组，5个为一组，各组相互独立，每组设计一个启动开关，同时每个排灰阀设定独立工作时间和等待时间；以第一组为例，按下启动开关后，第一个排灰阀启动同时开始计时，工作时间结束后，第一个排灰阀停止，开始等待计时，计时结束后，启动第二个排灰阀并计时，依次启动第三个排灰阀，第四个排灰阀，第五个排灰阀，并依次循环下去，直到按下当组停止按钮后，当组的全部排灰阀关闭，计时停止。根据工况要求，排灰阀打开时间为30s，等待时间为120s。

3．2补水池电调阀控制设计

补水池电调阀的开口大小决定阀门的流量，进而决定补水池的液位。为保证补水池的水位保持在工况许可的固定范围内变化，补水池电调阀采用PID方式进行控制。PID控制方式在工业控制中有着十分广泛的应用，其参数设定方便、易于实现、鲁棒性好，适用于各种控制工况。其控制思路是：预先设定好补水池的目标液位值，补水池液位传感器经变送器变送输出信号为0～10V的模拟量信号，液位电压信号通过模拟量模块AD081－V1输入到PLC中，PLC程序中，通过传送、数值运算和转换等指令，将采集到的数字量信号转换为实际的液位值，将目标液位值和实际的液位值写入到PLC的PID指令中。PID控制功能是通过PLC的指令模块PID指令实现的。欧姆龙PLC的PID指令能够让用户灵活地设定PID参数P、I、D、采样时间等参数，并具有自整定功能。PID指令中有三个参数，分别是输入值、控制字、输出值。其中，输入值对应设定的实际液位值；控制字为控制参数的首地址，首地址中设定目标液位值，紧接着为PID运行参数的比例参数P、积分参数I、微分参数D、采样时间T等；输出值传送给模拟量输出模块AD08C，对应电调阀模拟量输入端口，进而调节电调阀的开口大小。图3为1＃电调阀的PID控制指令。

3．3压力控制程序设计

锅炉运行工艺中，系统压力是工业锅炉安全运行的重要指标之一，系统中各种安全隐患和故障都将产生压力变化。除尘器系统中的压力包括入口压力和出口压力，本研究通过插板阀来调节入口压力与出口压力的压差，当压差偏大时，缩小插板阀的开口尺寸；当压差变小时，则增大插板阀的开口尺寸，使其控制在工况允许范围内。其中，控制算法仍采用PID控制算法，控制理论框图如图4所示。

3．4上位机监控程序设计

本文上位机监控软件采用组态王7．5版本的组态软件，根据下位机硬件配置，上位机应用变量点数800多个点，故采用1024点版本软件。

3．4．1设备连接实现组态王与下位机欧姆龙PLC通讯方式采用串口通讯，232串口通讯距离最大不超过10m，而485和422通讯方式可达800m，由于下位机PLC与监控现场的距离400m左右，故本研究采用全双工的422通讯方式。通讯参数设置为：通讯波特率为19200，数据位8位，停止位1位，无校验。

3．4．2监控画面设计监控画面设计的理念是依据除尘脱硫工艺流程，在人机界面上呈现出系统设备的工作状态、传感器仪表的数值显示、操作功能按钮等。为便于操作，将监控系统各个功能单元分开设计，组态王监控系统的画面主要包括：1）参数设置界面实现污泥泵、传输机等频率给定和插板阀、电调阀等阀门开度给定；2）数据监控界面实现系统压力、温度和设备状态等参数实时监控；3）排灰阀操作画面用于实现排灰阀的自动和手动控制。

4结束语

目前，该控制系统已经投入使用，实践应用表明：该控制系统的应用，减少了现场的工作量和工作强度，为企业节约了8～10个人力成本，具有良好的经济和社会效益。脱硫除尘自动化远程监控系统的设计，实现了各种过程控制和逻辑控制的功能，提高了企业的自动化水平，使操作工人远离现场操作，改善了工作条件，减轻了工作强度，为燃煤烟气排放的达标提供了良好保证，为企业带来良好的经济效益。

参考文献

［1］陈裕楼．电厂锅炉脱硫脱硝及烟气除尘技术［J］．中国设备工程，2020（13）：196－197

［2］王俊，潘恒乐．新型链式废烟提升输送装置的研制［J］．烟草科技，2019，52（4）：107－110

［3］金建军．基于伺服电机驱动的十字滑台PLC控制系统设计［J］．自动化应用，2018（2）：36－37，43

［4］张巍，骆昕，林家春．基于PLC的标准布氏硬度机的自动控制系统［J］．机电工程，2020，37（2）：211－215

［5］李大伟．真空热压装置液压加载平台控制系统设计［J］．机电工程，2020，37（12）：1535－1539

作者：李大伟 单位：辽宁装备制造职业技术学院