环境监测与治理技术毕业论文

环境监测与治理技术毕业论文环境监测与治理技术毕业论文院 系： 生化工程系 专 业： 环境监测与治理技术 烟气脱硫工艺过程控制系统设计摘要我国的能源构成以煤炭为主，其消费量占一次能源总消费量70左右，这种局面在今后相当长的时间内不会改变。火电厂以煤作为主要燃料进行发电，煤直接燃烧释放出大量SO2，造成大气环境污染，且随着装机容量的递增，SO2的排放量也在不断增加。加强环境保护工作是我国实施可持续发展战略的重要保证。所以，加大火电厂SO2的控制力度 就显得非常紧迫和必要。SO2的控制途径有三个：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫 即烟气脱硫（FGD），目前烟气脱硫被认为是控制SO2最行之有效的途径。烟气脱硫主要为干法半干法和湿法。本文在众多烟气脱硫方法中，选择了常用的湿式石灰石烟气脱硫技术，并对烟气脱硫系统的结构组成和原理进行介绍。根据湿式石灰石烟气脱硫工艺及方案，文中给出以参与采集数据与过程控制的可编程控制器（PLC）为现场控制级，通过以太网技术搭建集散式控制系统。其中，针对湿式石灰石-石膏烟气脱硫过程具有的大惯性、时滞，非线性等特点，利用PLC的PID算法实现烟气脱硫中的吸收塔ph控制与流量控制。关键词：集散控制系统 可编程控制器 PID控制目录摘要1绪论1.1硫控制的意义1.2烟气脱硫技术的概述与选择1.3烟气脱硫的前景1.4烟气脱硫的发展状况2系统分析2.1工作原理2.1.1工艺流程2.2系统方案的比较2.3系统组成2.3.1湿式烟气脱硫主要系统功能及设备2.4可编程序逻辑控制器（PLC）介绍2.5集散控制系统（DCS）简述2.6本设计主要任务3系统控制设计3.1控制原理3.1.1控制原理概述3.1.2控制原理的分析与选择4系统硬件设计4.1集散系统设计4.1.1系统功能总设计4.2集散控制系统构成4.3 PLC设备的选型4.3.1 PLC机的选择4.3.2 PLC机的设置4.4 ph变送器、流量变送器的选择5软件设计5.1软件设计5.1.1软件总体功能5.1.2控制功能的完成5.2软件的采集控制部分5.2.1 PLC的PID算法5.3 PLC程序输入输出表5.4 MCGS系统组态软件5.4.1 MCGS简介5.4.2 工程建立5.4.3 MCGS与PLC的通信6结论6.1本文的结论6.2本文的说明6.3本课题的展望参考文献附录谢辞451 绪论1.1烟气脱硫控制的意义硫污染问题最早是发达国家面临的突出问题。工业革命以后，以煤炭火力发电厂为主，给空气环境带来严重的污染。如上世纪50年代英国的伦敦烟雾事件，北欧和美国酸雨对于森林和湖泊的破坏，纷纷引起了发达国家对于能源结构的改进的环境污染的治理1。我国能源消费结构以煤为主，是世界第一大煤炭生产和消费国。2005年，我国煤炭消费量为21.4亿吨，占一次能源消费总量的68.7%，大量燃烧煤炭造成了严重的环境问题。据统计，全国二氧化硫排放总量的90%是由燃煤造成的，二氧化硫污染已成为主要的大气污染源，有三分之一的国土面积受到酸雨污染，生态环境、大气质量问题突出，已严重影响我国经济社会发展和人民生命健康1。随着城市化、现代化以及工业的发展，国民经济的持续快速发展 ,我国生产生活用电需求量、对能源的需求量也在迅速增长。能源的大量消耗，将会导致大量SO2及硫的污染物的生成 ,对我们以及我们赖以生存的环境产生了深刻的影响和损害。目前，随着人们环保意识的增强和国家排污总量收费政策，火电厂大气污染物排放标准等环保政策的强制执行，燃煤电厂SO2排放的治理已势在必行2。能源生产部门既要实施高能高效的生产，同时也要满足该领域的环保指标，承担起经济发展中对环境不可推脱的责任。烟气脱硫，是一种应对能源燃烧生产中带来的污染的技术。成功的烟气脱硫技术，为人们在生活与发展中坚持人与自然的和谐提供了技术上的支持；同时也推进在工业、生产等领域的可持续发展。1.2 烟气脱硫技术的概述与选择烟气脱硫技术有:克劳斯法、石灰石-石膏法和今年来兴起的循环流化床等脱硫方法。目前，烟气脱硫技术(Flue Gas Desulfurization，简称FGD)又可分为湿法、干法、半湿法。表1.1 常用脱硫方法特点比较工艺碱原料副产品脱硫率湿式石灰-石膏法CaCO3石膏8595%石膏法CaO石膏8595%干式亚硫酸回收法NaOHNa2SO49095%半湿法石灰炉内脱硫+水喷射法CaCO3水泥原料等7085%湿法脱硫是国际脱硫领域的主流，占全世界现有烟气脱硫装置总量的85% 左右，在电厂、冶金、化工行业一直占据中国大约80%的江山。当前已开发的湿法烟气脱硫技术主要有石灰石/石灰法、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法等,其中石灰石/石灰法，占整个湿法烟气脱硫技术的36.7%3。干法烟气脱硫工艺均在干态下完成，无污水排放，烟气无明显温降，设备腐蚀较轻，但存在脱硫效率低，反应速度慢，石灰石利用率较低等问题4。而湿式石灰石-石膏脱硫方法是三种脱硫方法（湿法、干法、半干法）中技术最成熟、实际应用最多、运行状况最稳定的脱硫工艺，也是现今发展较完善、用户较广泛的脱硫技术5。湿式石灰石-石膏法烟气脱硫技术最早是由英国皇家化学工业公司提出的，经过近三十年的发展，目前它已成为世界上技术最成熟，实用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺，脱硫率在90%以上。该方法脱硫的基本原理是用石灰石浆液吸收烟气中的SO2，先生成亚硫酸钙，然后亚硫酸钙被氧化为硫酸钙，因而分为吸收和氧化两个过程，副产品石膏可回收利用，亦可抛弃处置。采用石灰石-石膏湿法脱硫的优点：技术成熟可靠，脱硫效率高达95%以上，有利于地区和电厂实行总量控制；单塔处理烟气量大，SO2脱除量大；适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫；物质传递能力的增强，可一定程度地降低了系统的成本，标准设计烟气流速达到4.0m/s；对锅炉负荷变化的适应性强（30%100%BMCR）；设备布置紧凑减少了场地需求；处理后的烟气含尘量大大减少；吸收剂(石灰石)资源丰富，价廉易得；脱硫副产物（石膏）便于综合利用，经济效益显著11。1.3烟气脱硫的前景随着国家有关控制SO2排放的行政法令政策与标准日趋严格且逐步完善，加大行政政策指导作用，带动政府、企业及生产工业联合行动 12。根据火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点、关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干意见，燃用含硫量=2%或大容量机组(=200MW)电厂建设脱硫装置时必须配备烟气脱硫系统。2004年全国燃煤机组装机容量为3.05亿千瓦，烟气脱硫机组容量为0.27亿千瓦，投资按700元/KW计算，需安装脱硫装置的火电机组保守地按2.5亿KW计算，总投资 =700x2.5=1750亿元。由此可见，电厂烟气脱硫技术在国内有着广泛的应用前景。1.4烟气脱硫的发展状况20世纪中后期，主要的工业发达国家颁布了防治大气污染的法规和标准，大大推动了烟气脱硫技术的发展。当今世界，无论烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，简称FGD）装置发展的速度、数量和容量，还是技术装备的水平，日本美国和德国均属于世界领先地位。迄今日本拥有FGD装备1800余套，总容量超过50000MW，其中石灰石湿法占95%以上；美国的烟气脱硫从20世纪70年代中期开始进入一个持续的快速发展时期，目前美国的FGD装机容量已超过150000MW，其中石灰石湿法占92%以上；欧洲的FGD技术以德国发展最为迅速，50MW以上的燃煤锅炉全部安装了FGD装置，德国90%以上的FGD装置采用石灰石-石膏法4。中国有50多家脱硫公司先后引进了德国、美国、日本等国的烟气脱硫技术装备，绝大部分是FGD石灰石-石膏法。国内已经实施和正在实施的大型火电发电机的烟气脱硫几乎都采用了国外的核心工艺包技术4。2 系统分析2.1 工作原理 2.1.1 工艺流程 石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。其基本工艺流程如下： 锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH(气体-气体换热器)降温后进入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3、HCl和HF，与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏（CaSO42H2O），并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。每个泵通常与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到4655左右，且为水蒸气所饱和。通过气-气换热器将烟气加热到80以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。脱硫过程主要反应有吸收反应、中和反应和氧化反应：1. SO2 + H2O H2SO3 (2-1)2. CaCO3 + H2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O (2-2)3. CaSO3 + 1/2 O2 CaSO4 (2-3)4. CaSO3 + 1/2 H2O CaSO31/2 H2O 结晶 (2-4)5. CaSO4 + 2H2O CaSO42H2O 结晶 (2-5)6. CaSO3 + H2SO3 Ca (HSO3)2 (2-6) 石灰/石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理如下，1.烟气中二氧化硫溶解于水中生成亚硫酸并离解成H氢离子和HSO离子；2.烟气中的氧(由氧化风机送入的空气)溶解在水中，将HSO3氧化成SO4 2-；3. 吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成Ca2+离子。在吸收塔内，溶解的二氧化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏(CaSO4*2H2O)。由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的邢化一或亚硫酸盐几乎全部被氧化为硫酸根或者硫酸盐，最后在CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成石膏CaSO4*2H2O，石膏可根据需要进行综合利用或者抛弃处理。同时烟气中的HCl、HF与CaCO3的反应，生成CaCl2或CaF2。吸收塔中的pH值通过注入石灰石浆液进行调节与控制，一般pH值在5.56.2之间。图2-1脱硫效率与烟气进口温度图脱硫效率随吸收塔进口烟气温度降低而增加。这是因为脱硫反应是放热反应。进口温度的升高不利于脱除二氧化硫的化学反应的进行。实际上，石灰石湿法烟气脱硫系统中，常采用GGH（气体-气体换热器）或在吸收塔前布置喷水装置，降低吸收塔进口的烟气温度，以提高脱硫效率。图2-2脱硫效率与进口烟气质量浓度关系图一般认为，当烟气中二氧化硫浓度升高时，有利于二氧化硫通过液浆表面向液浆内部扩散。加快反应速度，脱硫效率随之升高。事实上，烟气中二氧化硫浓度的升高对脱硫效率的影响在不同浓度范围内是不同的。在湿式烟气脱硫装置和Ca / S一定的情况下，随二氧化硫浓度升高，脱硫效率存在一个峰值。锅炉烟气经过高效静电除尘器后，烟气中飞灰浓度仍然较高，一般在100300/ m3（标准状态）。经过吸收塔洗涤后，烟气中绝大部分飞灰留在了浆液中。浆液中的飞灰在一定程度上阻碍了石灰石的消溶，降低了石灰石的消溶速率，导致浆液ph降低，脱硫效率下降。同时，飞灰中溶出的一些重金属如汞、镁、锌等离子会抑制钙离子与HSO3的反应，进而影响脱硫效果。2.2 系统方案的比较图2-3工艺流程图上图是一种应用较广泛的石灰石湿法烟气脱硫工艺流程。工艺流程特点是，用在吸收塔前面布置的预洗漂塔。一方面，降低主吸收塔的进口烟气温度，以利于石灰石浆液吸收二氧化硫；另一方面，用以除去飞灰、HCl和HF。以确保石灰石的消溶速率和脱硫效率，同时可以保证石膏的质量良好和稳定。烟气在预洗漂塔中冷却到50摄氏度左右，并被水蒸气饱和，然后进入吸收塔脱除二氧化硫。净烟气以烟囱排出。脱硫风机布置在系统进口，系统为正压运行。这流程在美国广为采用4。图2-4工艺流程图上图是另一种石灰石湿法烟气脱硫工艺。图中脱硫风机布置在系统进口，湿式烟气脱硫(FGD)装置正压运行。系统中设置换热器，由除尘器来的烟气经脱硫风机增压后，进入换热器与来自吸收塔的净烟气进行热交换，一方面将含有较高二氧化硫浓度的高温烟气降温，以利于石灰石浆液吸收二氧化硫；另一方面，将来自吸收塔的净烟气加热，以利于烟气抬升和污染物的运输及扩散。降温后的烟气进入吸收塔。由制浆系统制成满足工艺需要的石灰石浆液，由石灰石浆液泵输送至吸收塔。在吸收塔内石灰石浆液与烟气中的二氧化硫发生一系列复杂的物理化学反应，生成亚硫酸钙和硫酸钙。净化后的烟气再经换热器排出脱硫装置。由于亚硫酸钙不稳定，需进一步经氧化系统氧化成稳定的硫酸钙。硫酸钙结晶生成石膏。石膏浆液经石膏脱水系统制成石膏产品。这工艺流程应用最为广泛。目前，在我国燃煤电站石灰石湿法脱硫（FGD）装置中均采用4。本设计就是采用第二个模型设计的。2.3 系统组成2.3.1 湿式烟气脱硫主要系统功能及设备1.石灰石浆液制备系统制备并提供满足吸收塔要求的石灰石浆液。石灰石浆液制备系统的主要设备包括石灰石储仓、球磨机、石灰石浆液罐和浆液泵。2.烟气系统 为脱硫运行提供烟气通道，进行烟气脱硫装置的投入和切除，降低吸收塔入口的烟气温度和提升净化烟气的排烟温度。烟气系统主要设备包括烟道、烟气挡板、脱硫增压风机和气-气加热器（GGH，即烟气换热器）等关键设备。吸收塔入口烟道及出口至挡板的烟道，烟气温度较低，烟气含湿量较大，容易对烟道产生腐蚀，需进行防腐处理。烟气挡板是脱硫装置进入和退出运行的重要设备，分为湿式烟气脱硫主烟道烟气挡板和旁路烟气挡板。前者安装在湿式烟气脱硫系统的进出口，它是由双层烟气挡板组成，当关闭主烟道时，双层烟气挡板之间连接密封空气，以保证湿式烟气脱硫系统内的防腐衬胶等不受破坏。旁路挡板安装在原锅炉烟道的进出口。当湿式烟气脱硫系统运行时，旁路烟道关闭，这时烟道内连接密封空气。旁路烟气挡板设有快开机构，保证在湿式烟气脱硫系统故障时迅速打开旁路烟道，以确保锅炉的正常运行。经湿法脱硫后的烟气从吸收塔出来一般在4655左右，含有饱和水汽、残余的SO2、SO3、HCl、HF、NOx，其携带的SO42- SO32-盐等会结露，如不经过处理直接排放，易形成酸雾，且将影响烟气的抬升高度和扩散。为此湿法湿式烟气脱硫系统通常配有一套气-气换热器（GGH）烟气换热装置。气-气换热器是蓄热加热工艺的一种，即常说的GGH。它用未脱硫的热烟气（一般130150）去加热已脱硫的烟气，一般加热到80左右，然后排放，以避免低温湿烟气腐蚀烟道、烟囱内壁，并可提高烟气抬升高度。另外，从电除尘器出来的烟气温度高达130150，因此进入湿式烟气脱硫(FGD)前要经过GGH降温器降温，避免烟气温度过高，损坏吸收塔的防腐材料和除雾器。3.二氧化硫吸收系统 通过石灰石浆液吸收烟气中的二氧化硫，生成亚硫酸产物。氧化空气将亚硫酸产物氧化，并以石膏的形式结晶析出。同时，由除雾器将烟气中液滴除去。二氧化硫吸收系统的主要设备有：吸收塔，石灰石浆液循环泵，氧化风机，除雾器。吸收系统的主要设备是吸收塔，它是湿式烟气脱硫（FGD）设备的核心装置，系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构，如填料塔、湍球塔、喷射鼓泡塔、喷淋塔等等，其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、适应性、可用率高等优点而得到较广泛的应用，因而目前喷淋塔是石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。喷淋层设在吸收塔的中上部，吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层，为防止塔内沉淀物吸入泵体造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞，循环泵前都装有网格状不锈钢滤网（塔内）。单台循环泵故障时，湿式烟气脱硫系统可正常进行，若全部循环泵均停运，湿式烟气脱硫系统将保护停运，烟气走旁路。氧化空气系统是吸收系统内的一个重要部分，氧化空气的功能是保证吸收塔反应池内生成石膏。氧化空气注入不充分将会引起石膏结晶的不完善，还可能导致吸收塔内壁的结垢，因此，对该部分的优化设置对提高系统的脱硫效率和石膏的品质显得尤为重要。4.石膏脱水及储存系统 将来自吸收塔的石膏浆液浓缩、脱水，生产副产品石膏，储存和外运。该石膏脱水储存系统设备：石膏浆液排出泵，石膏浆液箱，石膏浆液泵，水力旋流器，真空皮带脱水机，石膏储仓。水力旋流器作为石膏浆液的一级脱水设备，其利用了离心力加速沉淀分离的原理，浆液流切向进入水力旋流器的入口，使其产生环形运动。粗大颗粒富集在水力旋流器的周边，而细小颗粒则富集在中心。已澄清的液体从上部区域溢出(溢流)；而增稠浆液则在底部流出(底流)。真空皮脱水机将已经经过水力旋流器一级脱水后的石膏浆液进一步脱水至含固率达到90%以上。图2-5烟气脱硫系统组成图2.4 可编程序逻辑控制器（PLC）介绍可编程序逻辑控制器在早期是一种开关逻辑控制装置，简称PLC (Programmable Logic Controller)。然而随着计算机技术和通信技术的发展，PLC采用微处理器作为其控制核心，它的功能已不再局限于逻辑控制的范畴。PLC功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，通用性强；编程方便，易于使用；可靠性高；设计、安装、调试工作量少；体积少，功耗低67。国际电工委员会IEC（International Electrical Committee）对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。 1.PLC的主要功能： 开关量控制 这是PLC最基本的功能，具有强大的逻辑运算功能，常用于取代传统的继电器控制系统； 模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度，压力，流量，液位等都是模拟量。而PLC中的微处理器CPU只能处理数字量，所以PLC中配备了A/D,D/A 转换模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理，处理完的数字量结果，经D/A 转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。用PLC进行模拟量控制的优点是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可以控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或实现起来不如PLC方便； 闭环过程控制 运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，还可以进行闭环控制。配置PID控制模块，对控制过程中的某一变量（如电压，电流，温度等）进行PID控制；顺序（步进）控制 PLC能通过移位寄存器方便完成步进控制功能；定时，计数控制 PLC为用户提供若干定时器，计数器，实现定时，延时，计数；数据处理 可进行数字运算和数据传送，比较，转换等功能；通信及联网 现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的集散式控制系统，实现工厂自动化。2.PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业环境下应用而设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，是PLC的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其他电气设备做不到的。PLC在设计中能抗诸如电噪声，电源波动，振动，电磁干扰等的干扰，能在高温，高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。PLC能承受电网电压的变化，可直接交流市电供电，直接取自电控箱电源。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。其硬件和软件还采用屏蔽，滤波，光电隔离和故障诊断，自动恢复，冗余技术等功能来增强PLC的可靠性。通用性强，灵活性好，功能齐全由于PLC产品已系列化，模块化，且软件包齐全，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。当控制系统要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存储器中的控制程序即可。编程简单，易于操作及维护PLC一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的控制系统流程图和语句表进行编程，形式简练，直观性强，广大电气工程人员易于接受。PLC的故障率很低，并有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员进行故障排查。如果出现故障是PLC本身的问题，在维修时只需更换插入式模块或其他易损坏部件即可，既方便又减少影响生产的时间。设计，安装，调试周期短用PLC完成一项控制工程时，由于硬软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，到生产现场时可进行联机调试，因此大大缩短了设计和投运周期。2.5 集散控制系统（DCS）简述集散控制系统(Total Distributed Control System)是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种集中分散型控制系统8。集散控制系统按照层次化体系功能划分为4个级别:现场装置的控制级、过程装置的管理级、车间生产的操作管理级、全厂优化和经营管理级。操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成，而各工序的自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成.中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，极大地提高了自动控制系统总体的安全性和可靠性;另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换 ，实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。现场控制站担当现场装置的控制级。现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制 ，因此它必需要能够自动采集与这个工序自动控制有关的各种工艺参数(如各种工艺介质的温度、压力、流量、粘度、物位高度等)以及设备的运行状态(如阀门的开度、机泵的开停、设备震动、机械位移)等生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，最后输出控制方案，实现生产过程的自动控制;另外还要与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。中央控制室的操作站实际上是一个人机界面，一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式提供给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令传送给控制站对控制方案进行调整，以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。用 PC 机 + PLC 组成集散控制系统时， PLC +“控制应用软件”承担了现场控制站的工作，PC+“实时监控软件”承担了操作站和工程师站的工作。“控制应用软件”由安装有 PLC 系统软件的PC机上设计，完成后下载到 PLC ，构成控制站。“实时监控软件”由安装有开发版监控组态软件的PC机上设计，完成后安装到有运行版监控组态软件的 PC机上运行，构成操作站和工程师站。2.6 本设计主要任务本设计的课题是烟气脱硫工艺过程控制系统的设计，其目的是设计烟气脱硫的控制方案实现烟气脱硫，并设计硬件搭建与软件编写。设计硬件电路的搭建，运用技术成熟、功能强大的PLC作为现场数据的采集与控制，配以安全可靠的以太网技术，按照集散式控制系统架构搭建系统。根据课题要求，分别完成如下具体任务：（1）组成烟气脱硫工艺过程控制系统；（2）设计出满足工艺要求的系统方框图；（4）利用组态软件对烟气脱硫系统的组态；（5）进行烟气脱硫控制系统的连接，；。 （6）进行DCS控制系统的摸运行调试3 系统控制设计3.1 控制原理3.1.1 控制原理概述脱硫装置运行控制的目的是提高脱硫效率、降低石灰石消耗，保证装置的安全与经济运行。虽然脱硫装置的运行控制远不如火电厂热力设备的控制复杂；但是，在运行参数检测，控制指标上有其特殊性，更具有化工过程控制的特点4。由于烟气脱硫系统是一个庞大的工程，本设计关注其中其于ph控制的吸收二氧化硫过程。3.1.2 控制原理的分析与选择由上述系统工艺分析可知，烟气脱硫的工艺质量受烟气温度、烟气颗粒、碱性浆液的ph值以及烟气的含水量等因数影响。根据酸碱平衡的原理，可推知吸收二氧化硫的工艺指标很大程度取决于吸收浆液的ph值。输入吸收塔的新石灰石浆液量取决于原烟气量、烟气二氧化硫浓度（二者乘积运算结果为送入吸收塔的二氧化硫质量流量）及实时检测的吸收塔石灰石浆液ph值。由有关资料可知，吸收塔浆液ph值和进入吸收塔的新石灰石浆液量，与原烟气量、烟气二氧化硫浓度（二者乘积运算结果为送入吸收塔的二氧化硫质量流量）及实时检测的吸收塔的ph值成正比关系。被控量为吸收塔内的ph值，调节量为输入吸收塔的石灰石浆液流量。1.串级控制：因烟气量变化不能迅速体现为ph值变化，即被控对象（即ph值）延迟惯性较大。采用前馈-反馈系统。前馈信号选择为原烟气二氧化硫浓度、送风量（与烟气量成线性关系）。图3-1吸收塔浆液ph串级-前馈控制系统前馈控制器起前馈控制作用，用来克服由于烟气量与烟气二氧化硫浓度的变化对被控制的ph值造成的影响。而反馈控制器起反馈控制作用，将浆液ph测量值与设定的ph值进行比较，得到差值信号与作为前馈信号的锅炉烟气量与烟气中二氧化硫浓度的综合信号（为进入吸收塔二氧化硫质量流量）相叠加。前馈与反馈控制共同作用产生一个调节信号。来控制石灰石浆液供给阀门开度。使吸收塔内浆液ph值维持在设定值上为防止依据ph测量可能造成的过调。采用流量测量（采用石灰浆液流量测量仪表），构成一个副反馈回路。ph测量仍构成主反馈回路。在串级控制系统中，有两个调节器，分别接收来自被控对象不同位置的测量信号。主调节器接收浆液ph测量值，副调节器接收送进吸收塔的石灰石浆液流量测量值。主调节器输出信号作为副调节器的设定值。副调节器的输出值与前馈信号（进入吸收塔的二氧化硫质量流量）叠加控制浆液供给阀的开度。图3-2控制框图串级系统由于副回路的存在。改善了系统品质特性，调节过程加快，具有超前控制的作用，并且具有一定的自适应能力。有效克服滞后，提高控制质量。2.串级控制系统的整定；在串级控制系统中，因为两个控制器串在一起，互相之间或多或少有些影响，因此串级系统的整定要比简单系统复杂一些。这里仅介绍逐次逼近法。a)先整定副控制器GT2。让副回路单独工作时的单回路系统来整定副控制器GT2的参数，记作GT2 1。Gm1、Gm2 是主副变送器的传递函数，G01、G02是主副对象的传递函数。b)根据GT2 1，整定主控制器GT1。由图可写出串级控制系统的特征方程式： （3-1）可得此时等效控制对象的传递函数为 （3-2）记作GT1 1 。c)根据步骤b得到的GT1 1，再整定副控制器GT2。由图可写出串级控制系统的特征方程式为 （3-3）可得此时等效控制对象为 （3-4）然后根据单回路系统的整定方法求出副控制器的参数，GT2 2。d)如果GT2 2和GT2 1的参数值基本相同，那么整定就算完成；否则应就GT2 2重复步骤b和c，直到出现两次整定结果基本相同为止。主回路是一个定值控制系统，主控制器必须具有积分作用，一般都采用PI控制；而副回路是一个随动系统，副控制器为了能快速的跟踪一般不带积分作用，同时微分作用也是不需要的。3.PID控制：主PID函数块反馈信号为实际ph值，它是从吸收塔中的浆液检测到的ph值经过输入转换得来的。主PID函数块的给定值为目标ph值，按烟气的二氧化硫浓度、流量等信息选定的。主PID函数块的控制输出为给定浆液流量。用它做为副控制回路的给定值。流量控制副PID函数块反馈输入信号为实际流量，它从检测流量管道中的流量，经输入转换得来。主PID函数块输出的给定浆液流量，即为它的流量给定值。流量控制副PID函数块的控制输出，经输出转换，加载给浆液流量调节阀，以确保有合适流量的浆液流入吸收塔9。设置由PID控制组成的串级-前馈系统见图3-3。图3-3浆液流量的PID与浆液ph的PID4 系统硬件设计4.1 集散系统设计4.1.1 系统功能总设计设计烟气脱硫控制系统采用集中监视、分散控制的模式。控制系统的控制层为DCS（分散式控制系统）架构，现场层为PLC（可编程控制器），系统最为主要特点具有分散控制系统DCS的分散控制、集中管理的优点和可编程控制器PLC的分散性和灵活性：由于控制层采用了DCS系统，本控制系统具有功能全、可靠性高，系统开放易扩展，采用了安全可靠的网络通讯技术，具有综合性和专业性、人机对话功能强，管理能力强等特点。同时系统兼有PLC系统的主要特点：I/O模件成熟可靠，运行速度快，组合灵活；良好的兼容性；程序编制及生成简便。本控制系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模数转换、数据处理、通讯联网、实时监控等基本功能。采用冗余的以太网通讯网路，通讯速率为10Mbps/100Mbps，通信稳定性可靠性得到保证。后台数据库可采用SQL Server、Orcale、Access完成统计报表。2个PLC现场控制站和中控室通过10M光纤以太网连接，组成现场控制网络。个控制站主要负责采集现场实时数据、根据工艺要求控制现场设备，如泵、阀等。在主控室设有分别侧重于监控、管理的两台工作站、打印机等设备。这两个工作站均连在10M以太网上。用来显示整个工艺流程、过程数据变化和设备状态。4.2 集散控制系统构成硬件构成本设计的硬件设备主要分为三个大部分：PLC部分、现场数据采集设备以及操作员站和工程师控制站部分，主要系统结构选用标准拓扑式环形结构，现场仪表和设备采集数据连接到PLC的输入模块、并接收PLC的命令对现场设备进行控制和调节；PLC接收现场设备的数据传输给计算机并接收计算机下达的控制命令，并内部通过强大的内部运算，进行PLC对现场变量的PID自动调节。图4-1系统组成图选用两台PLC通过PLC的冗余处理单元（RPU）设计为硬冗余系统设计为硬冗余系统，操作员站与工程师站的计算机采用冗余的以太网网络通信；工程师控制室设计用两台工业计算机，配以打印机等设备，与计算机的通讯采用RS-232串口通讯。组态软件选用MCGS。每个控制站设置有UPS，为所有PLC及变送仪表设备提供稳定、可靠的供电电源。制备石灰石浆液的流量传感器与流量信号转换器相连接，变送器元件信号转换器直接与相应的PLC模块连接，信号转换器把流量信号转换成020mA的标准信号送到PLC的AI模块。ph信号转换器分别与检测制备罐中石灰石浆液ph值的检测仪器以及检测吸收塔中的石灰石浆液ph值的检测仪器连接，信号转换器把相应转换的电流信号输送到PLC的AI模块。4.3 PLC设备的选型4.3.1 PLC机的选择PLC选用西门子的S7-200系列PLCCPU224XPCN。西门子的S7-200系列PLC属于小型PLC。在本系统中的西门子S7-224XP CN模块内置10KB RAM，2个RS-485通信口。最大数字量量I/O点数为224，最大模拟量I/O点数为45，CPU 本体集成2个模拟量输入通道/1个模拟量输出通道。外加用于扩展的模拟量输入模块EM231CN（4路模拟量输入），和EM222（8路数字量继电器型输出，见附录图1）。选择EM222继电器型输出，是因为继电器输出既可以驱动交流负载，又可驱动直流负载，而且适用的电压大小范围较宽，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强。注意到S7-224XPCN PLC上的通信口是RS-485标准；如果通信对象是RS-232设备，则需要RS-232/PPI（多主站）电缆。也可利用RS-232/PPI多主站电缆连接主站与多台PLC的通信。4.3.2 PLC机的设置S7-224 XP的两路模拟量输入通道被出厂设置为电压信号（010V）输入。为了能够输入电流信号，必须在A+与M端、B+与M端之间并入500欧姆的电阻。S7-224 XP的一路模拟量输出，通过电流接线端（或电压接线端）选择模拟量输出类型。1.模拟量输入格式：输入模拟量在程序中的寄存器，离CPU模块由近到远依次AIW0、AIW2、AIW4 每个通道是两个字节，单极性原始采集值032768，灵敏度1/4000；双极性原始采集值32000，灵敏度04000.模拟量到数字量转换器的12位读数是左对齐的。MSB是符号位：零表示一个正数据字值。在单极性格式中，3个连续的0使得ADC计数值每变化1个单位，数据字中则以8为单位变化。图4-2模拟输入量单极性格式在双极性格式中，4个连续的0使得ADC计数值每变化1个单位，数据字中则以16为单位变化。图4-3模拟输入量双极性格式2.模拟量输出格式：图4-4模拟输出量的电流/电压格式注意到，电压型的模拟量信号，由于电压输入端的输入内阻很高（例如S7-200的模拟量模块为10兆欧），极易引入干扰。一般电压信号是用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。因为电流输入端的输入阻抗较小，所以电流型信号不容易受到传输线沿途的电磁干扰，因而在工业现场获得广泛的应用。电流信号可以传输比电压信号远得多的距离。理论上，电流信号的传输距离受到以下几个因素的制约：信号输出端的带载能力，以欧姆数值表示（如700）；信号输入端的内阻；传输线的静态电阻值（来回是双线）信号输出端的负载能力必须大于信号输入端的内阻与传输线电阻之和。当然实际情况不会完全符合理想的计算结果，传输距离过长会造成信号衰减，也会引入干扰。一般先用信号变送器把模拟信号变换成统一的标准信号（如420mA的直流电流信号，15V的直流电压信号等），然后再送入模拟量输入模块。EM231模拟量输入（4输入）内部电路示意图见附录图2。模拟量扩展模块EM231电流信号用3个端子并采用四线制接法（例如RC，C+，C-，其中RC要与C+端子短接，见附录图3）。 图4-5模拟量输入模块内部图模拟模块测量量程的选择可使用DIP开关组态输入通道。表4-1 EM231 4路输入的DIP开关设置表SW1SW2SW3满量程输入分辨率ONONOFF05V1.25mV020mA5AONOFFON010V2.5mV3.模拟模块抗干扰的措施（1）传感器线尽可能短；（2）传感器线使用屏蔽的双绞线；（3）仅在传感器侧将屏蔽接终端；（4）未用通道应短接；（5）通过隔离输入信号或输入信号参考于模拟量模块外部24 V电源的公共端，即电源端子M、输入通道A-、B-等相连，确保输入信号范围在技术规范所规定的共模电压之内。4.4 ph变送器、流量变送器的选择ph变送器选择具有高抗干扰能力，输入/输出隔离式的二线式pH变送器ph300。同时ph300具有微机接口,可输出电流420mA对应0.0100.0% ；电压15V对应0.00100.0%。Dwyer SF系列流量变送器流量范围：0.515GPM(260LPM)；精度：2%满量程；温度范围：20225（-7107）；输出信号： 420mA。例如，量程为260LPM的液体流量变送器的输出信号是420mA，设转换后得到的数字为N，试以LMP为单位表示流量值LMP：420mA的模拟量对应数字量640032000，即260LPM对应于数字量640032000，流量的转换公式为 （4-1）5 软件设计5.1 软件设计5.1.1 软件总体功能本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。逻辑运算及报警处理程序等放在主程序中，系统初始化的一些工作放在初始化程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。5.1.2控制功能的完成本系统的自动控制功能主要分以下几个部分：1.浆液制备、烟气控制与吸收塔的联动控制在本系统中，浆液制备系统的搅拌存放的浆液、吸收塔系统中的氧化风机与增压风机以及烟气系统中的吹入风机全部实行联动控制；当浆液制备系统中的浆液制备开始后，制备的浆液满足吸收塔的浆液要求且输送到吸收塔中，烟气系统中的吹入风机和增压风机才能开启。当吸收塔中有石灰石浆液时，就要启动氧化风机和循环泵。2.吸收塔的ph控制与石灰石浆液的流量控制吸收塔的石灰石浆液ph值是影响二氧化硫吸收的一个重要因数，用作吸收的浆液ph值一般在5.56.2之间。设定吸收浆液的ph值，通过PID 模块实现串级控制，调节输送浆液阀门的开度，从而达到控制浆液ph值的功能。吸收浆液ph值的PID控制作为主PID控制。而输入浆液的流量控制作为副PID控制。以确保有合适流量的浆液流入吸收塔，维持吸收塔中浆液的ph值在预定的范围。（附录中附有控制流程图和程序）5.2 软件的采集控制部分采用PLC的PID控制实现ph值控制与流量控制。在程序中最多可以用8条PID指令。每一个PID指令用一个回路号和一个回路号。不同的PID指令不能使用相同的回路编号。回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值(PVn)，过程变量前值(PVn-1)，设定值(SPn)，输出值(Mn)，增益(KC)，采样时间(Ts)，积分时间(TI)，微分时间(TD)和积分项前值(MX)。为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。5.2.1 PLC的PID算法1.PID算法由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是：Mn = KC * en + KI * en + MX + KD *(en - en-1) (5-1)输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项其中：Mn是在第n个采样时间，回路输出的计算值KC 是回路增益en 是采样时刻n的回路误差值en-1 是回路误差的前一个数值(在第n-1个采样时间)KI 是积分项的比例常数MX 是积分项的前一个数值(在第n-1个采样时间)KD 是微分项的比例常数CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID输出。这个改进型算式是：Mn = MPn + MIn + MDn (5-2)其中：输出Mn 是在采样时间n时的回路输出的计算值比例项MPn 是在采样时间n时回路输出比例项的数值MPn = KC * (SPn - PVn)积分项MIn是在采样时间n时回路输出积分项的数值MI=KC (SP-PV)+MI微分项MDn是在采样时间n时回路输出微分项的数值MD=KC (PVn-1-PVn)+MI 为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为PVn-1=PVn。其中：MPn 是在采样时间n时的回路输出的比例项值KC 是回路增益SPn 是在采样时间n时的设定值的数值PVn 是在采样时间n时过程变量的数值MIn 是在采样时间n时的回路输出积分项的数值TS 是回路采样时间TI 是回路的积分周期(也称为积分时间或复位)MX 是在采样时刻n-1时的积分项的数值(也称为积分和或偏差)MDn 是在采样时间n时回路输出微分项的数值TD 是回路的微分周期(也称为微分时间或速率)SPn 是在采样时间n时设定点的数值SPn-1 是在采样时间n-1时设定点的数值PVn 是在采样时间n时过程变量的数值PVn-1 是在采样时间n-1时过程变量的数2.回路输出/输入值标准数值的标定变换10在使用PLC的PID指令时，要注意到输进PID指令的过程变量、给定值和输出值是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。而设定值和过程变量都可能是现实世界的值，它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。因此，在设置值送进PID指令之前，需要将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.01.0之间的标准化值。第一步是把16位整数值转成浮点型实数值；ITD AIW0，AC0 /将输入值转换为双整数DTR AC0，AC0 /将32位双整数转换为实数下一步是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.01.0之间的标准化值。/R 64000.0, AC0 /累加器中的标准化值+R 0.5, AC0 /加上偏置，使其在0.01.0之间MOVR AC0, VD100 /标准化的值存入回路表回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是将PV（过程变量）和SP（给定值）转换为标准值的逆过程。MOVR VD108, AC0 /把回路输出值移入累加器-R 0.5, AC0 /仅双极性有此句*R 64000.0, AC0 /在累加器中得到刻度值下一步是把表示回路输出的实数刻度值转换成16位整数：ROUND AC0，AC0 /把实数转换为32位整数DTI AC0, LW0 /把32位整数转换为16位整数MOVW LW0，AQW0 /把16位整数写入模拟输出寄存器5.3 PLC程序输入输出表表5-1 PLC输入/输出表入口烟气浓度AIW0浆液控制阀AQW0反应phAIW2制备水阀Q0.0浆液流量计AIW4制备石灰阀Q0.1出口烟气浓度AIW6搅拌机Q0.2制备处ph值AIW8水位高警告Q0.3浆液浓度AIW12烟气出口挡板Q0.4系统开I0.0出口风机Q0.5系统关I0.2旁路风机Q0.6浆液位I0.3旁路挡板Q0.7制备处水位高输入I0.4抽出泵Q1.0脱水机满I1.0脱水机Q1.1运石膏机Q2.0氧化风机Q2.3GGHQ2.1循环泵Q2.4吹入风机Q2.2浆液泵Q2.5表5-2 PLC程序变量资源分配表首次启动制备进料控制时间T50首次启动制备停止进料控制时间T51关闭石灰控制时间T37关闭水控制时间T38搅拌控制时间T40脱水控制时间T42运送石膏控制时间T43制备启动中继器M0.0首次制备中继器M0.1制备液位判断中继器M0.2ph测量判断中继器M0.3降低ph中继器M0.4提高ph中继器M0.5停止进料中继器M0.6排放浆液中继器M0.7烟气初始中继器M1.0SO2测量中继器M1.1旁路中继器M1.2排放中继器M1.3石灰初始中继器M2.0浆液浓度计算标志M2.1抽水中继器M2.2脱水中继器M2.3石膏运送中继器M2.4系统运行中继器M5.0吸收塔浆液位中继器M5.15.4 MCGS系统组态软件5.4.1 MCGS简介MCGS(Monitor and Control Generated System)通信监控系统)是一套基于Windows平面的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行与Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。5.4.2 工程建立本设计采用全中文工控组态软件MCGS通用版6.2进行编制，MCGS采用可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位构造用户运行系统的图形界面。所设计的程序主要界面有：制备浆液系统、浆液吸收系统、烟气调节系统、石膏脱水系统以及各系统的历史数据报表和实时数据报表。PLC要通过RS-232串口进行连接与组态软件MCGS进行通信，利用STEP7编写好系统控制与数据采集程序，下载到下位机PLC中。MCGS中的驱动构件可驱动PLC程序运行，