（测试计量技术及仪器专业论文）基于plc的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统.pdf

幕于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 摘要 脉冲电晕法烟气脱硫技术是一项先进的脱硫方法，是国际上公认的具有强大市场潜力 和应用前景的烟气脱硫新工艺。随着试验规模的扩大和该技术逐渐成熟走向实用化，作为 其关键技术之一的配套自动测控系统急待研究。本论文设计的基于p l c 的脉冲电晕法烟气 脱硫监控系统能够保证脱硫系统的正常运行，从而满足深入研究工艺过程的需要，目前处 于工业实验阶段，该课题同时为大型工业应用装置的自动测控系统的研制开发提供了宝贵 的设计思路与经验范例。 脉冲电晕法烟气脱硫工艺过程特殊，涉及到化工、高电压技术，等离子体工程计算 机技术、电磁兼容等多个学科，本人主要负责用p l c 控制布袋除尘器控制回路，以及上位 机的监控系统的开发，烟气温度模糊控制器的研制及在系统最后的联调时电磁兼容问题的 解决。本论文主要包括以下几个重要方面： ( 1 ) 设计完成了用上、下位机控制的脱硫监控系统，下位机采用p l c 实现系统的自动控 制和手动控制，并提供了部分梯形图，通过自由通讯口同下位机进行通讯，能够保证脱硫 系统稳定运行。 ( 2 ) 烟气的温度对脱硫过程影响很大，控制上采用模糊控制的技术路线，并设计了模糊 控制器。实践证明该方案适合此过程的控制任务。 ( 3 ) 上位机的监控程序采用面向对象的编程技术，用v m u a la _ 卜来完成，利用多线程技 术和通信控件m s c o m m ，根据s i e m e n sp l c 的专用通信协议，较好的完成了系统的监控 作用。 ( 4 ) 进行系统在现场的联合调试，由于该系统的特殊性，电磁兼容问题很严重，在现场 成功解决了该问题，并在软、硬件两个方面做了有效的预防措施。 现场调试运行结果表明，自动控制系统运行稳定，监控系统方便、灵活，为进一步的 深入研究工艺过程奠定了怠好的基础。 关键词：可编程控制器；模糊控制；监控系统i 电磁兼容；v i s u a lc h 缶0 ；脉冲电晕等离 子体 基于p l c 的脉冲屯晕法烟气脱硫监控系统 a b s t r a c t p p c p ( p u l s ec o r o n ai n d u c e dp l a s m a c h e m i c a lp r o c e s s ) i sag r e a tm e t h o dt od e s 0 ，f r o m f l u eg a s , i ti sg e n e r a l l ya c k n o w l e d g e dan e wc r a f to f d e s 0 2 f i r mf l u eg a sw i t hs t r o n gm a r k e t p o t e 瓶a 1a n dp r o s p e c to fu s i n gi nt h ew o r l d w 曲t e s t9 c a l ee n l a r g e m e n ta n dg r a d u a n yr i p et o b e i n gp r a c t i c a lt e c h n o l o g y , t h es t u d y o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nt h e p r o c e s so f p p c p , w h i c h i s a ni n d i s p e n s a b l ep a r ti nt h ew h o l ed e s 0 2 t e c h n o l o g y , i su r g e n t i nm yt h e s i s ，t h em o n i t o r i n g s y s t e mo f p p c pb a s e do np l cc a ne n s t l l et h ec o n t r o ls y s t e mw o r k c o r r e c t l y , t h u sc a l lm e e t t h e n e e dt or e s e a r c ht h ec r a f td e e p l y i ti si na ni n d u s l r i a le x p e r i m e n ts t a g ea tp r e s e n t , t h i ss u b j e c t o f f e r e dv a l u a b l ed e s i g nm o d ea n d e x p e r i e n c ee x a m p l e f o r l a r g es c a l ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o ns e t p p c ph a sas p e c i a lc r a f tp r o e m s ，i tr e l a t e st oc h e m i c a l ，h i g hv o l t a g et e c h n o l o g y , p l a s m a p r o j e c t , c o m p u t e rs d e n 皑e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) a n d o t h e r s u b j e c t s , i t i s c o m p l e t e dw i t hap r o j e c tt e a m ，m yr e s p o n s i b l ei st oc o n t r o lt h ep p c ps y s t e mw i t hp l c ，t h e m o n i t o r i n gs y s t e mi nu p p e rn 均c h 血a n d r e s o l v ee m c p r o b l e m i nt h ef i n a ld e b u g g i n g p r o c e s s t h i st h e s i si n c l u d e st h e f o l l o w i n g s e v e r a l i m p o r t a n tr e s p e c t s ： ( 1 ) d e s i g n t h ep p c p s y s t e mw i t ht h eu p p e ra n dt h el o w e rm a c h i n e t h eu p p e rm a c h i n ea d o p t s p l ct o i m p l e m e n tt h es y s t e mc o n t r o l sa u t o m a t i c a l l ya n dm a n u a l l y , a n dh a so f f e r e ds o m e l a d d e r - s h a p e dp i c t u r e st o o t oc o m m u n i c a t et h r o u g hf i e e d o mc o m m u n i c a t i o nw i t ht h el o w e r m a c h i n e t h u sc a l le n s l l r et h ec o n t r o ls y s t e mr u nw i t h o u te r r o r s ( 2 ) t h et e m p e l a m r eo f t h i ss y s t e mh a sm u c he f f e c to nt h ep p c p p r o c e s s a d o p tt h ef u z z y t e c h n o l o g i c a lc o n t r o lm u t e o ni t , a n d h a v ed e s i g n e dt h ef u z z yc o n t r o l l e r p r a c t i c eh a s p r o v e d t h a t t h i ss c h e m ei ss u i t a b l ef o rt h ec o n t r o lt a s ko f t h i sc o u r s e o ) t h em o n i t o r i n gp r o c e d u r eo ft h eu p p e rm a c h i n eu s et h e f a c e t a r g e tp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y , i t h a sb e e nf i n i s h e dw i t hv i s u a lc 卜卜u t i l i z et h e m u l t i t h r e a d i n g s k i l la n d c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm s c o m m ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l p u r p o s ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f s i e m e n s p l c ，c o m p l e t e t h e m o n i t o r i n g o f t h i ss y s t e m p r e f e r a b l y ( 4 ) c a r r yo n t h eu n i o n d e b u g g i n g i nt h es c c l q eo f t h e s y s t e m ，b e c a u s eo f t h ep a r t i c u l a r i t yo f t h i ss y s t e m ，a ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l e p r o b l e m i sv e r ys e r i o u s , t h i sp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d i ns c e n es u c c e 胬f u l l y , a n dn 1 a t d ee f f e c t i v ep r e c a u t i o n a r ym e a s r e si nh a r d w a r ea n ds o f h v a r e r e s p e c t s s c e n e d e b u go p e r a t i o n r e s u l tm a k ei tk n o w nt h a tt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mr u n ss t e a d i l y , t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o n v e n i e n t , f l e x i b l e i ta l s oh a v es e t t l e dg o o df o u n d a t i o nf o r 自l r t h e r i n v e s t i r g a b o nt ot h ec r a f tc o b r s e k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ；v i s u a l c 抖6 o ：p u l s e c o r o n a i n d u c e d p l a s m a c h e m i c a l p r o c e s s 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 0 前言 随着现代工业的不断发展，大气污染日益严重，燃煤电厂及工业锅炉排放的s 0 2 所 引起的酸雨问题受到了各国政府和人民的高度重视。随着我国经济的迅速发展，酸雨污 染面积在不断扩大。目前，年均降水p h 值低于5 的地区面积已从1 9 8 5 年的1 7 5 万平 方公里扩大到1 9 9 3 年的2 8 0 万平方公里，并且酸雨的出现频率也在大幅度的增长，降 雨酸度明显上升。酸雨地区的农作物，森林遭到严重破坏，文物古迹难以保存好，生产 设备被严重腐蚀，人民的身体健康受到极大的威胁，仅广东，广西，四川，贵州四省因 酸雨造成的间接或直接损失就高达1 6 0 亿元年。因此，治理酸雨污染，控制s 0 2 的排放 己刻不容缓，国务院己划定“酸雨控制区和s 0 2 污染控制区【l 】【2 】 ，治理污染，除了研究 和开发清洁能源技术，燃烧中的脱硫技术外，也必须要研究开发工业烟气的脱硫技术。 迄今为止，各项烟气脱硫技术中唯一成熟达到商用阶段的只有化学方法，并且多为 湿法，存在设备庞大，投资及运行费用高，有二次污染等问题。因此，研究开发技术先 进，经济合理，实用有效的烟气脱硫技术，是各国政府和环保界瞩目的一个焦点。其中 低温等离子体烟气脱硫技术，包括电子束法和脉冲电晕法，是国际上公认的具有强大的 市场潜力和应用前景的烟气脱硫新工艺 3 1 。j s c h a n g 等对烟气脱硫脱硝技术所作的经济 分析结果为：化学方法一次投资最大，运行费用最高；电子束法一次投资次之，运行费 用较低；窄脉冲电晕法一次投资最少，运行费用较低。低温等离子体烟气脱硫技术的主 要优点是：属于干法，无二次污染问题：在有氨注入的情况下，产物回收可用作化肥； 投资和运行费用较低。其中，电子束法需要造价昂贵的电子加速器和屏蔽辐射装置，而 脉冲电晕法以窄脉冲高压电源取代电子加速器【4 】，利用气体放电的方法产生高能电子， 并且脱硫反应器的结构同电除尘类似，有一定的产物收集功能，还可以借鉴e b d s 的经 验，是近十几年各科学家竟相研究的一个前沿课题【5 l 6 1 。 随着试验规模的扩大和该技术逐渐走向实用化，作为其关键技术之的配套自动 监控系统急待研究，国外还没有成熟的控制系统，很多工作都是靠工人的经验来完成， 本文完成比较先进的控制系统，论文按照如下思路组织文章，第一章介绍系统工作原理 和设计方案，第二章侧重下位机p l c 控制的实施，第三章介绍p l c 与上位机的通讯及 监控软件的编制，第四章介绍采用温度模糊控制器来控制温度，第五章介绍系统的抗干 扰措施和电磁兼容问题的解决，第六章总结本人工作和展望监控系统的进一步完善。 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 1 绪论 1 1 选题背景 国务院的文件中对二氧化硫排放浓度进行严格的控制：对燃煤含硫量大于1 的燃 煤电厂必须增设脱硫设施或其他减排二氧化硫的措施，目前我国仅电力行业就有近2 亿 千瓦火电厂工业锅炉、窑炉需要进行二氧化硫治理，但目前已经安装脱硫装置的火力发 电厂装机容量不足l 。 我国目前电力企业大部分属于火力发电，而这些火力发电企业已经成为我国几大环 境污染源之一，电力环保领域中烟尘、粉尘和废水等已经成为我国环保市场的重要开发 地带，至今电力行业除尘和废水处理已经基本达标。国内锅炉烟气除尘和工业粉尘除尘 机械设备和技术水平已具备一定的竞争力并开始走向国际市场，而烟气脱硫处理则一直 是电力行业环保治理的重点和难点，针对火力发电企业进行二氧化硫排放控制的脱硫业 务已经成为环保产业主要污染源治理重点之一。国家将对电厂脱硫项目给予政策支持， 通过行政拨款、发行国债融资、争取脱硫电厂优先上网等方式鼓励和促进电力企业参与 脱硫项目，加快脱硫进程，引导电力企业走上经济与环境协调发展之路，目前已有广东 省政府已决定拨款3 0 0 0 万元用于火电厂脱硫脱氮设各国产化研制与开发。国家将加大 力度治理控制二氧化硫排放，加大投资金额，预计“划定范围”内削减二氧化硫排放量 3 3 0 万吨，共需投资1 9 2 亿元左右j 。 本论文的选题是基于脉冲电晕法烟气脱硫技术的研究及其配套系统这一科学项目。 该项目是国家“十五”重点科技攻关项目哺】( n o ：2 0 0 1 a a 6 4 2 4 1 0 ) ，国家8 6 3 计划项目。 这一技术具有一系列的特点，如能耗低、投资省、产物是化肥，不存在废液处理，可同 时去除s 0 2 和n o 。，操作简单，体积小等，因此被认为是有前途的处理有害气体的方法 之一。该项目旨在研究新的高效脱硫方法及其在工程中的应用，烟气脱硫技术设备在我 国属弱势产业。在国家的支持下，大连理工大学静电与特种电源所建造了3 0 0 0 n m 3 h 的装置，并与中国工程物理研究院合作建造1 2 0 0 0 n m 3 1 l 1 5 0 0 0 n m 3 h 工业性试验装置。 本论文是其中的一部分，侧重于脱硫系统的自动化控制技术，并在实际脱硫应用中能可 靠稳定地运行。 1 2 脉冲电晕法烟气脱硫技术简介 1 2 1 脉冲电晕法烟气脱硫原理 脉冲电晕法烟气脱硫技术基本原理是：在烟气中进行高压窄脉冲放电，产生5 - 2 0 e v 高能电子，这些高能电子在与烟气的中性气体分子碰撞的过程中产生大量的o h 、h 0 2 、 o 、0 3 、0 2 + 、0 2 - 等自由基和活性粒子，由这些自由基和活性粒子引起的化学反应将烟 气中的s 0 2 转变为高次氧化物，然后形成h 2 s 0 4 。在有n h 3 注入的情况下，进一步生 成( n h 4 ) 2 s 0 4 ，生成的( n i - h ) 2 s 0 4 用布袋电除尘器收集，再利用，从而达到烟气脱 硫的目的【9 】。由于脉冲电晕法是在比较成功的电子束法基础上的改进，省掉了昂贵的加 速器，避免了电子枪寿命和x 射线的屏蔽问题，因而该方法得到各国学者研究。 本论文所论述的控制网络是应用在脉冲电晕法烟气脱硫系统之中的。因为其工艺过 2 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 程特殊，需检测和控制的物理量较多，涉及到化工、高电压技术、等离子体工程、信号 检测处理、计算机通讯、电磁兼容等多学科。首先须对工艺过程具有充分的了解和先验 知识，然后才能对相应的控制系统进行规划设计。图1 1 为脉冲电晕法烟气脱硫工艺图。 图1 ，1 脉冲电晕法烟气脱硫工艺流程图 f i g 1 1c r a f tf l o wc h a r to f p p c p 电厂锅炉排放的烟气首先经过除尘器，去掉粉尘，然后将烟气降温到6 0 c 8 0 c ， 采用的是热交换器。之后，加入水蒸汽，使烟气含水量增至1 0 左右。降温加湿后的烟 气与一定化学剂量比的氨气混合进入等离子体化学反应器，反应产物由产物收集器收 集。最后将洁净的烟气由风机引出烟道排放掉。 反应器中烟气温度、烟气含水量n h 3 与s 0 2 的化学剂量比、烟气流量、反应器入 口s 0 2 浓度、注入单位体积烟气的脉冲电能量等都直接影响到系统的运行情况1 1 0 】。 对s 0 2 脱除率( 量) 而言，这几个主要因素之间具有较复杂的耦合作用，虽然有脉 冲电晕法脱硫过程化学方程式的基本形式，但由于其复杂的反应过程，至今还没有完整 的反应机理模型【l ”。即使通过己建立的试验曲线也很难直观地评定各因素之间的关系， 况且运行过程中，系统参数也会有变化，所以，需要借助计算机的运算功能完成运行过 程的因素控制。 1 2 2 脉冲电晕法烟气脱硫控制系统设计要求 控制系统是按照如上所述的原理进行设计的。控制系统由布袋除尘器，烟气温度调 节回路，高压脉冲电源，旋转火花隙等几个部分组成。在控制系统的作用下，能够智能 调节注入反应器的烟气温度，布袋除尘部分可工作于手动和自动两种模式下，完成产物 收集。在手动方式下，系统的控制是由有经验的工人来完成的；在自动模式下，通过程 序的智能算法来控制系统的运行。控制系统还要具有一定的监控能力。 脉冲电晕法烟气脱硫控制系统的设计中涉及到以下几个问题：首先是整个控制系统 的组成，这是整个脱硫试验系统的基础，包括下位机p l c 控制回路的设计和上位机监 控软件的设计，以及上下位机之间可靠的通信；这其中有烟气温度的控制，采用温度模 糊控制器来实现，符合工业现场控制的实际要求，还有布袋除尘器控制部分，保证产物 的正确收集，最后是工业现场的电磁兼容问题，因为脉冲电晕法脱硫系统中同时存在强 电磁噪声源( 如脉冲电晕充放电回路) 和敏感元件( 如信号检测回路，分析仪器，计算 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 机等) 。此系统中信号种类繁多，电压分布等级为m 阼k k 电流分布等级为m a 列，因此系 统的可靠性非常重要。 设计一个由p l c 构成的控制系统要经过很多步骤，从课题的调研开始，到调试运 行成功的流程框图大致如图1 2 所示。 课 题 调 查 系 统 构 成 的 确 定 外 选卜一 围 电 择 路 外 设 设 计 控 制 系 统 的 设 计 1 3 论文的主要研究内容 i o 点 数 的 确 定 p l c 的 选 型 确 定 控 制 方 式 i ， o 分 配 p确 l 定 上 c 存 程 储 序 器 设 容 通 监 计 量 讯 _ _ 一 控 调 程 程 试 序 序 蜒 设 设 行 计 计 图1 2 设计流程框图 f i g 1 2d e s i g n f l o wc h a r t 在对脉冲电晕法脱硫系统的工作原理和现场情况的分析基础上，本论文对脉冲电晕 法脱硫控制系统进行了较为详细的论述。其中的每一个重要设计都是基于脱硫系统来考 虑的，都是为了解决脱硫系统的控制问题。在设计中尽量保证可靠和稳定，并本着实用 的原则，从成本和性能两方面进行了较多的考虑。整个论文的设计思想从以下几个方面 来考虑： ( 1 ) 在布袋除尘部分，采用人工和自动相结合，以自动为主，人工监控为辅，并可以 用t d 2 0 0 文本显示器在现场调试。 ( 2 ) 在分析反应器温度的动态变化情况和反应器的现场运行情况基础之上，通过对相 似控制过程的控制方法分析，选择设计了温度模糊控制器。模糊控制规则是根据脱硫温 度分析和经验来制定的。 ( 3 ) 可编程序控制器( p l c ) 是目前工业控制领域最广泛使用的控制技术，控制系统 可分为管理层、监控层和控制层。这种体系可较好的解决脉冲电晕脱硫反应器运行的控 制，具有可靠和易于扩展等特点。管理层位于最上层，可进行实时监控和日常管理，具 4 苎三! ! ! 堕壁! ! 曼呈鲨塑墨堕堕些笙墨竺 有良好的用户界面、数据库管理和监控通信的功能。监控层的p l c 通过自由口和上层 进行r s 一4 8 5 通信，进行信息交换，同时还负责模糊控制算法的实现，进行参数调整。 最下层的控制层直接和各种控制器连接，来完成脉冲电晕脱硫反应器的低层控制工作， 包括用布袋p l c 来控制风机、出料电机、空气压缩机和电磁阀的反吹振动。 ( 4 ) 系统的软件部分包括通信部分和监控部分。上层通信部分是根据设计的协议，采 用v c + + 的通信模块来完成，比较可靠。下层通信采用p l c 的自由口通信方式。系统的 监控程序利用了多线程的思想。 ( 5 ) 本论文还对控制系统中抗干扰技术从硬件和软件两个方面进行了论述，这是在吸 取了较多控制系统抗干扰技术的基础和我们在现场反复试验的基础上设计的。较好的解 决了现场的电磁兼容问题。 系统的工作过程如下：温度传感器从现场采集到的信号经过适当的处理，通过自由 口通信方式与模糊控制核心处理器进行信息交换，温度模糊控制器根据相应的规则，调 整参数，把信息反馈到下层控制处理器，从而控制进入反应器的烟气温度。在反应结束 后，由p l c 控制的布袋除尘器要能够及时和有效的振打和清灰，防止二次扬灰，这部 分可工作于手动和自动两种状态下，并可在现场调试，显示模块是为了现场的工作人员 可以进行现场参数调节和监视系统运行情况。最上层管理机可以对整个网络进行监控， 进行总体的数据分析等。 1 4 论文的整体概述 随着生产工艺的提高，对脉冲电晕法烟气脱硫系统自动化的要求也不断加强。本论 文结合实际项目，把较为先进的控制技术应用到脱硫过程中，节省了人工劳动，提高了 系统的运行效率。控制系统的设计是紧密结合工艺过程来实现的，首先是把进入反应器 的烟气温度控制在要求的温度范围内，其次是给反应器注入高压脉冲功率，保证反应的 正常进行，最后是布袋除尘部分，要能够正常的收集产物，确保脱硫效果。 论文分六部分对脉冲电晕法烟气脱硫控制系统的研制进行了详细的论述： 第一章绪论：介绍了论文的选题背景，说明了控制系统的总体设计思路。 第二章硬件部分设计：对整个控制系统中的硬件部分进行了的说明。其中详细说明 了整个系统的控制结构和p l c 控制电路，包括高压脉冲电源电路设计等。 第三章数据通信和监控：对整个系统中的软件设计思想进行了详细的阐述，其中包 括通信软件和监控软件设计，提出了多线程监控软件的设计思想。 第四章温度模糊控制算法设计：调节混风阀的开度，使进入反应器的温度控制在一 定的范围，提出了模糊控制的算法，并简要介绍了其基本设计原理，设计了本论文的模 糊控制规则库。 第五章给出了系统的抗干扰措施：分析了干扰出现的原因，并从硬件和软件两个方 面采取措施，同时解决了本系统的电磁兼容问题。 第六章总结和展望：总结了本论文的重点和不足部分，并结合当今在现场控制领域 中较为热门和先进的技术，进行了展望。 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 2 p l c 控制系统的设计 产物的收集采用布袋除尘器，是脱硫过程的关键步骤之一，是脱硫效果的体现。本 章叙述了控制系统结构和p l c 控制电路、高压脉冲注入电路。本部分所叙述的内容是 整个控制系统的重点，在设计中保证了系统能够可靠地运行。 2 1 系统控制 2 1 1p l c 概述 世界上第一台可编程序控制器产生于1 9 6 9 年，是由当时美国数字设备公司( d e c ) 为美国通用汽车公司( g m ) 研制开发并成功应用于汽车生产线上，被人们称为可编程 序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 1 2 】。在7 0 年代，随着电子及 计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算机，并被应用于p l c 中，使其具备了逻 辑控制、运算、数据分析、处理以及传输等功能。以后p l c 开始向小型化、高速度、 高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在8 0 年代工业控制领域中占据着主导地位。 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为体的 工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把 p l c 认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。p l c 的技术条件能 在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。 这是p l c 产品的市场生存价值。 早期的p l c 以数字量的顺序控制为主。随着p l c 功能不断扩充，p l c 增加了模拟 量控制功能、p i d 调节功能、通讯联网功能及分级控制功能等，在过去d c s 占统治地 位的化工、冶金等行业也可由p l c 进行控制【i “。 2 1 2 控制系统结构 本文将介绍一种基于p l c 的控制系统，具有传统p l c 所固有的灵活性及低价位等 优点，适用于离散控制、顺序控制及连续控制场合，以最低成本来完成高技术的自动化。 在脉冲电晕烟气脱硫控制系统中，现场运行效果良好。本控制系统由微机和可编程序控 制器( p l c ) 组成。在系统中由微机( 主机) 实行集中管理，由p l c ( 作为从机) 实时 对烟气脱硫系统中布袋除尘的工作过程进行分散控制。 本项目所开发的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统，不仅克服了传统人工控制的不足之 处，节省了人力，耗资小，还能对脱硫系统的运行状态进行监控，可以智能调节进入反 应器的烟气温度，并能定位脱硫系统中的故障点，从而完成对整个脱硫监控过程的控制 管理，较大的提高了脱硫系统的运行效率和可靠性。而且这种结构易于扩展，具有较高 的性能价格比。 图2 1 所示为脱硫控制系统的原理框图，采用分级控制的思想。分级递阶控制思想的 实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配，将全系统的监视和控制功能划 属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息传递到上一级。接受 6 基于p l c 的脉冲电晕法熘气脱硫监控系统 上一级管理。综合控制功能由最高一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制 系统达到最佳效果。 i p c s e 控机卜_ 一r s 2 3 2 4 8 5 转换器 p l c 卜一t d 2 0 0 1it d 2 0 0 卜一p l c 温 度 传 感 器 r i 温 度 传 感 器 t 2 温 度 传 感 器 t 3 p l c 卜_ 叫手动控制llp l c 卜一h热电偶输入模块 继电器控制模块ii 模拟量输出模块| | 开关量输出模块 嘲憾 温 度 显 乐 混 风 阀 调 节 器 中 间 继 电 器 风量调节闽 停风阀 图2 1 脱硫控制系统原理框图 f i 9 2 1p r i n c i p l ec h a r to f d e s 0 2 c o n t r o ls y s t e m 2 1 3 控制系统功能描述 本系统可分为管理级、监控级和控制级三部分。其中管理计算机( 工业控制机) 处 于顶层，可作为进行实时监控和日常管理之用。在系统运行时，可由专门值班人员操作， 监控整个脱硫设备的运行。管理计算机能对控制系统做出快速的反应，能对大量的数据 进行处理和存储，能够长期保存数据，具有优良方便的人机接口，以及丰富的数据库管 理软件。 上层管理系统和监控级的可编程控制器件是通过r s 4 8 5 网络连接起来的。微机具 有r s 一2 3 2 c 接口，s i e m e n s p l c 具有r s 4 8 5 接口的自由口通讯能力，采用r s 4 8 5 可 以进行上位机和下位监控机之间的通信。r s _ 4 8 5 串口采用“平衡差动式”数据传输，传 输线上是电位差信号，不构成电荷积累，抗干扰能力强，适用于高速率、远距离传输， 可达1 2 0 0 m t l 5 1 。 监控级主要功能是为运行操作人员提供人机界面，使操作人员及时全面地了解系 统运行情况，并对生产过程进行调节和控制。由于本系统的监控程序不是很复杂，考虑 到性价比，我们选用p l c 和显示屏t d 2 0 0 作为操作员监控设备。p l c 作为操作员核心 处理器，一方面同低层c p u 通信，它们之间采用s i e m e n sp l c 2 2 4 的自由口通信方式； 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 另一方面根据得到的数据量，通过相应的算法设计，修改系统运行参数和分析数据。系 统运行参数主要包括：进入反应器内烟气温度值，电磁阀振动长周期和短周期，混风阀 的风量；同时，还负责与管理级的计算机的数据通信。t d 2 0 0 用作操作员查看运行情况、 设置运行参数、控制下层系统的运行等。 控制级是整个脱硫系统的低层设备，是整个脱硫系统的真正执行机构。它包括控 制级核心c p up l c 2 2 4 、e m 2 3 1 热电偶模块、高压脉冲电源、e m 2 3 2 模拟量输出模块、 继电器控制模块和相应的执行电器( 主要是电机、电磁阀和混风阀) 。p l c 2 2 4 一方面与 上层处理器通信，把采集到的信号发给上层处理器并得到运行参数；另一方面判断是否 有手动信号，从而通过输出端口，驱动继电器模块。手动模块是由欧姆龙的触摸按键和 相应的指示灯组成的，主要用来在调试或者紧急情况下直接控制执行电器。继电器控制 模块是由5 v 继电器组成的控制装置，完成由p l c 输出的弱电控制风机、空压机、出料 机、混风阀等设备的强电。电磁阀的振动周期参数是由上层系统提供的，也可由手动来 执行。本层控制设备包括手动和自动两种模式，控制层可由多套设备组成。 2 2 布袋除尘部分系统硬件设计 2 2 1 除尘部分系统构成 本系统的硬件主要包括：s i e m e n sp l c 2 2 4 、t d 2 0 0 、e m c 热电偶模块、高压脉冲 电源、现场操作面板以及r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块。本系统选用了西门子公司生产的 s 7 。2 2 4p l c 。该设备具有以下较优越的特性【l6 】： ( 1 ) 在硬件上，集成1 4 输入1 0 输出共2 4 个数字量i 0 点。可连接7 个扩展模块，1 3 k 字节程序和数据存储空间，具有p i d 控制器，1 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯 协议。m p i 通讯协议和自由方式通讯能力。i o 端子排可很容易的拆卸，6 个独立的3 0 k h z 高速计数器，2 个独立的2 0 k h z 高速脉冲输出。s 7 2 2 4p l c 的这些硬件特性可以很好 完成系统的设计任务。 ( 2 ) 在软件方面，该公司提供了专用于s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 用户程序的编程软件 s t e p 7m i c r o d o s 。该软件提供了极丰富的指令集，可完成常用的如数制转换、表处理、 数据传输、定时器计数器处理、子程序调用等功能。多种通信方式供选择：p p i 方式， 自由口方式，d p 方式，通信的实现方法简单。具有三种编程方式：功能块图，梯形图， 结构文本。 2 2 2 下位机核心处理器p l c 系统下位机选用在工业现场应用广泛的可编程控制器。可编程控制器( p l c ) 是一 种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融 为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广 泛。其工作过程可分为三个阶段 1 7 】 18 】：输入采样( 处理) 、程序执行和输出刷新( 处 理) ，如图2 2 所示： 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 扫描周期 r 1 师i r i 扫捆，q 捌一 1 扫描周期 图2 2p l c 工作原理 f i g 2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f p l c ( 1 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入y o 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段和输出刷新阶段。在 这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，比) 映象区中的相应单元的状态和数据 也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉、辟信号的宽度必须大于一个扫描周期， 才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 ( 2 ) 用锶畸勘行阶段 在用户肖狩蝴亍阶髓p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形图) 。在扫描每 一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷 新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在i o 映象区 中对应位的状态，或者确定是否耍执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程 序执行过程中，只有输入点在i o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点 和软设备在i o 映象区或系统r a m 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排 在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起 作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描 周期才能对排在其上面的程序起作用。 ( 3 ) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束盾，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i o 映象区内 对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才 是p l c 的真正输出。 上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后p l c 又重新执行上述过程，周 而复始地进行，扫描周期一般为几m s 到几十i l l s 。如果在程序中使用了中断，与中断事 件相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来，中断程序并不作为正常扫描的部分 来执行，而是当中断事件发生时才执行( 这可能会在扫描周期的任意点上) 。 2 3p l c 控制布袋除尘器 在反应器中化学反应生成的产物要通过布袋除尘器来收集而再利用，达到烟气脱硫 的目的。布袋除尘器的基本工作原理为：一个较大功率的风机工作于吸尘管道的一端， 该管道和布袋除尘器是相连的。在另外一端，除尘气体被吸入管道中，在布袋除尘器中 被除尘布袋过滤。粉尘等微小颗粒不能透过布袋而被吸附到除尘过滤介质上。除尘装置 9 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 中的通风能力被减弱，管道中的压力将会减少， 振动使布袋上的粉尘落到下面的出尘口。这样， 道的入口继续被吸到管道中。 2 ，3 1 布袋除尘器被控部件 同时电磁阀按照一定的周期开启，发生 设备的通风能力又得到恢复，烟气在管 ( 1 ) 引风机：用来将工业过程的烟尘吸入到布袋除尘器中进行除尘，本系统采用上进 风负压式，所以引风机放置在除尘器的烟气出口处。 ( 2 ) 空气压缩机：用来压缩空气，并且和用来喷吹的8 个电磁阀相连，当需要反吹清 灰时，打开电磁阀，空气压缩机的高压空气便对布袋喷吹，使灰尘脱落。 ( 3 ) 电磁阀：根据工业试验的要求，设计了8 组除尘室进行除尘，所以对应每一个除 尘室也设计了8 个电磁阀。每一时间针对一组除尘室喷吹清灰，然后过一段时间对另一 组喷吹，如此循环。为了达到很好的反吹清灰效果，设置了两个空气压缩机，每个负载 对4 个除尘室喷吹，两个空气压缩机轮流工作，这样，一个压缩机喷吹后有足够的时间 来恢复自己的压力。 ( 4 ) 卸灰机：随着除尘的进行，灰斗里面的灰尘增多，到了一定的程度，卸灰机便动 作，将灰斗里面的灰尘卸掉。 ( 5 ) 相应的显示灯：在运行的过程中，为了对运行的状态有比较清楚的了解，以便进 行相应的控制，有必要设置一些显示灯，这些显示灯采用2 4 v 的发光二极管。在本系 统中，采用的显示灯有：显示是否加电的电源灯，显示自动的自动灯，显示手动的手动 灯，显示被控机器正在运行的风机灯，空压机灯，卸灰灯以及8 个电磁阀灯。 2 3 2 控制功能的设计 布袋除尘器在控制系统的作用下，工作于手动和自动两种模式下。在手动方式下， 电磁阀的反吹和出料的时间和时机是由有经验的工人来手动完成的。在自动模式下，通 过程序来控制系统的运行，其中要求喷吹和卸灰按照一定的周期进行并且可以根据需要 现场修改。 为了实现上述的控制，达到工业控制的要求，我们设计以下按钮和开关：电源启动 按钮i o 0 ，电源停止按钮i o 1 ，自动按钮1 0 1 2 。手动按钮i o 3 ，风机启动按钮1 0 4 ，风 机停止按钮1 0 5 ，空气压缩机启动按钮1 0 6 ，空气压缩机停止按钮i o 7 ，卸灰启动按钮 1 1 0 ，卸次停止按钮1 1 1 ，联动开关1 1 2 ( 其中1 0 0 1 1 1 表示是对p l c 的输入端i o 1 1 1 1 的控制) 。 表2 1 描述了相应的按钮实现的功能，在电源启动状态下，按下自动按钮，再使联 动开关闭合，整个系统便进入自动状态，风机启动，空压机启动，卸灰机按一定的周期 动作，用于喷吹的电磁阀也按一定的周期分别动作，在工业控制过程中，有时根据实际 需要对这些周期和动作时间进行修改，这就要求用到t d 2 0 0 实现这种功能a 在自动状 态下再按手动按钮，则进入手动状态。 在电源启动状态下，如果按手动按钮，则进入手动状态，这时的被控机器均由手动 控制，按下启动按钮则相应的机器启动，按下停止则停止。在手动状态下，如果按一下 自动按钮，则进入自动喷吹状态，如果按三下则进入自动状态。 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 在启动状态下，按下电源停止按钮，则运行一定时间再停止，也就是说延时停止。 在运行的过程中，相应的显示灯根据运行状态亮灭。根据上面的描述，设计了控制面板 ( 见附录) 。 表2 1 控制系统状态 t a b 2 1s t a t et a b l eo fc o n t r o ls y s t e m 2 3 3 控制程序的实现 功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来 发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统， 从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通， 便于程序的分工设计和检查调试。它只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的 转换进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。 该控制系统采用功能图法编制梯形图，以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理 解和沟通，节省程序设计时间和调试时间。 被控对象归纳起来有以下一些，如表2 2 所示。 表2 2p l c 的输出接口 t a b 2 2i n p u tt h ei n t e r f a c eo f p l c 基于p l c 的脉冲电晕法烟气脱硫监控系统 表2 , 2 中的q b 2 表示从q 2 0 一q 2 7 的八个输如接口，分别控制八个电磁阀，所以需 要1 7 个输出接口。所以我们选择使用带一个扩展槽的$ 7 - 2 0 0p l c 就可以满足要求， 扩展一块e m 2 2 2 数字量扩展模块。由于要求能够在现场运行过程中实现对一些参数的 控制，所以我们还选择s 7 2 0 0 配备的t d 2 0 0 文本显示器。 由于控制要求分为自动和手动两部分，所以将自动运行部分和