基于PCS7的半干法烟气脱硫控制系统

介绍了基于PCS7实现的循环流化床半干法烟气脱硫（CFB-FGD）网络控制系统。该系统由PC机、工业控制机、PLC等组成，由于设计了以工业以太网为核心的系统网络结构，采用了合理的冗余技术，从而使系统有更强大的功能、更高的准确可靠性。实际运行结果表明，系统达到了设计要求，实现了半干法烟气脱硫的自动化，提高了脱硫效率。

循环流化床半干法烟气脱硫（CFB-FGD）控制系统是一个多变量(如浓度、流量、温度、压力)、多任务(如SO2浓度控制、烟气流量控制、温度控制、压力控制、吸收剂制备、脱硫灰再循环控制、脱硫除尘器控制、风机起停控制)、多设备(如风机、阀门、泵)，并具有时变性、耦合性和随机性的复杂非线性系统。CFB-FGD脱硫的工艺流程，如图1所示。

图1 循环流化床半干法烟气脱硫工艺流程

随着工业自动化控制理论和计算机技术的迅速发展，生产工艺对控制系统的可靠性、运算能力、扩展能力、开放性、操作及监控水平等方面提出了愈来愈高的要求。传统的DCS系统已经不能满足现在过程自动化控制的设计标准和要求，SIMATIC PCS 7过程控制系统正是在这种形势下迎合需求所开发的新一代过程控制系统。

它是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和可编程控制器S5、S7系列的基础上，结合最先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。

我们基于PCS7系统设计了半干法烟气脱硫控制系统，它以工业以太网为核心，以智能设备PLC为控制主体，以PROFIBUS DP为连接PLC和现场设备、分布式I/O的现场总线，以SIEMENS工控机和PC机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化工作平台，很好地解决了传统方法中存在的问题，实现了高可靠性、高性能的半干法烟气脱硫网络通信与计算机控制系统。

控制系统设计

目前国内的烟气脱硫方法90％以上使用的是湿法脱硫，国内的湿法脱硫控制系统多采用基于DCS技术的计算机控制系统，实现烟气脱硫的分散自动控制和集中监控。

但基于DCS的系统存在一些重要缺陷，一方面传统的DCS系统是自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交互和共享，使自动化系统成为“信息孤岛”；另一方面传统DCS系统的现场底层传感器和数据采集器之间采用一对一物理连线和模拟信号传输，导致大范围布线，给现场施工带来很大麻烦；同时，信号传输的抗干扰能力也较差。因此，对于新兴的CFB-FGD半干法烟气脱硫工艺而言，采用传统的DCS已经难以满足其工艺和控制要求。

基于CFB-FGD半干法烟气脱硫系统的特点，控制系统采用了基于全集成自动化思想的PCS7系统，以工业以太网为核心，主干网为100M全双工交换式冗余光纤环网，并集成企业局域网（Enterprise LAN）和PROFIBUS DP现场总线的三层网络结构，实现了从现场测控到脱硫系统内部信息管理系统的集成以及与电厂其余系统信息交互的集成。该系统的结构原理如图2所示。

图2　系统的结构原理

图2系统主要有三层结构，在各层网络及设备上尽可能采用了冗余策略[2]，确保系统的可靠性，同时电厂一般均有两台机组，因此系统设计时充分考虑了这一要求，设计为两台CFB-FGD半干法烟气脱硫机组的控制系统。

最上层网络传递的是管理数据，数据量较大，但实时性要求不是很高，所以采用标准以太网。该层网络上接有OS Client（操作员站终端）、OS Server、ES以及一个连接电厂管理信息系统的网关。通过与整个电厂局域网连接的网关能将半干法脱硫这一电厂辅机系统方便地接入整个电厂的管理信息系统，电厂可以直接对脱硫系统进行决策、计划、管理、经营和调度等等，使脱硫辅机真正与电厂主机和其余辅机、与电厂的管理信息系统融为统一的整体。

系统网络中ES（工程师站）的作用是完成设备的组态和控制编程，还兼具有操作员的功能。同时在操作员站的设计上，我们采用了多客户机/服务器体系结构，允许多个OS客户机同时访问几个OS服务器，这些访问可以同时进行，可访问的数据包括项目数据、过程变量、归档数据、报警和消息等等。

OS服务器的作用是完成系统的数据采集与处理、数据存储与交换以及显示等功能，系统中OS Server也采用了冗余策略，提高服务器的可靠性，确保数据安全；OS Client则可以通过标准以太网访问OS Server，实现数据的显示、访问和更新功能。系统还具有图中没有标出的打印服务器及相关辅助计算机，来完成系统相应的辅助功能。

三层网络的中间层为系统的主干网，采用的是100M全双工交换式冗余光纤环网[2]。这层连接着控制器PLC、OS Server及ES。本系统中PLC也采用了冗余策略。由于这层数据对实时性要求较高，而且是工作在工业环境下的，因此这层采用了冗余的工业以太网，确保了PLC控制器与ES、OS Server之间的数据传递实时可靠。将标准以太网和工业以太网分为两层增加了系统的自由度，扩展性，同时也提高了系统运行的可靠性和实时性。

现场控制网络层传递的是实时数据，数据量少，但实时性要求最高。所以，现场控制网络选用了冗余的PROFIBUS DP。采用冗余PROFIBUS-DP将具有冗余功能的分布式I/O设备、一些总线耦合器等同主控PLC联网，一些冗余的分布式I/O还能实现即插即用，尽可能减小器件损坏对系统运行的影响。系统采用冗余的PLC，实现热备功能，在故障事件发生时自动无扰地切换到备用单元，使系统几乎无需因为故障而停机，确保了系统的高可靠性。

同时，系统通过Y-LINK实现非冗余PROFIBUS DP与冗余PROFIBUS DP的连接，通过DP/PA LINK实现PROFIBUS PA 总线与冗余PROFIBUS DP的连接。这样没有冗余功能的分散子系统PLC控制单元及一些非冗余DP总线设备就可以轻松接入系统，而一些PA总线的传感器和执行器也可以方便地接入系统中。

系统功能描述

由于CFB-FGD半干法烟气脱硫工艺对控制系统的控制功能要求很高，因此如何选择正确有效的控制方案和控制策略对于工艺能否实现起到了很重要的作用。该网络控制系统实现的控制功能有：模拟量控制、顺序控制及设备控制；并且实现了数据采集和处理的相关功能。

模拟量控制主要实现对SO2排放浓度的控制、CFB-FGD吸收塔入口烟气流量控制及吸收塔的温度和压差控制，通过合理的优化控制策略[1]，实现控制对工艺的最优配合。

SO2排放浓度的控制是CFB-FGD半干法烟气脱硫控制系统设计的关键环节，它是一个延时较大且强耦合的非线性系统，在技术上有一定难度。我们设计了自适应PID控制算法。系统根据PLC采集的吸收塔温度、压差、锅炉负荷及吸收塔出入口SO2浓度等参数的大小，经自适应PID控制器调整后，由PLC控制调频旋转给料器的工作状态改变旋转给料器的频率和下料流速，以此控制吸收剂进入吸收塔的量，最终达到SO2排放浓度的最优控制，达到了较好的控制效果，降低了系统的Ca/S比，提高了系统的脱硫效率。

吸收塔内的固体颗粒浓度（或称固－气比）是保证流化床良好运行的重要参数，在运行中它是通过控制吸收塔的压降来实现调节的，从而保证反应器始终处于良好的运行工况。通过调整流量控制阀的开度，可控制物料的再循环量，达到控制吸收塔压降的目的，从而保证了床内脱硫反应所需的稳定的物料浓度。

本系统采用了一个PID控制器来控制吸收塔的压差，以流量调节阀作为执行机构，通过调节经过空气斜槽返回吸收塔的物料量来控制吸收塔入口和出口的压力差值这一过程值。

为了给吸收塔内的脱硫反应创造一个良好的化学反应条件，进入脱硫塔内的烟气必须降温，降温水通过高压水泵以一定的压力通过一根高压回流式喷嘴注入吸收塔内，根据吸收塔出口温度，直接调节回流水管上的回流水调节阀的开度，以调节回流水量，从而调节吸收塔的喷水量，使吸收塔出口温度稳定控制在75℃左右。

当脱硫系统停止运行时，工艺水要自动停止注入。本系统同样采用了一个PID控制器来控制吸收塔的温度，由于温度是化学反应的一个重要参数，因此对吸收塔温度的控制我们采用了在PID回路前加入一个滤波器，防止开机或者过程中温度发生的突变，对系统产生致命的影响。

为了保证低负荷运行时吸收塔的烟气量不低于75％，在烟气进入烟囱的前端引了一条循环烟道，通过清洁烟气调节风挡到吸收塔入口烟道，从而保证主机在低负荷运行时吸收塔有最佳的传热、传质状态。

当引风机下游流量变送器显示值低于75%设计流量时，清洁循环烟气系统启动，调节风挡开始调节吸收塔烟气量到80%负荷流量，保证吸收塔内稳定的烟气流速和文丘里管速。我们使用了PID控制器，加入了检测吸收塔烟气量在75％－80％之间的功能，并用此控制PID调节的开启和跟踪，确保了烟气流量保持在75％－80％。

设备控制实现了对工艺过程中相关设备的控制（如风机、阀门）。该系统中各设备具有单独开启、成组开启，设备联锁，跳停等控制功能，同时系统对设备的机械、电路等多种故障具有监控报警功能。

该系统的顺序控制设计有各种顺序控制功能组，各顺序控制组下又分子顺序控制功能组，子顺序控制功能组的启、停在安全的基础上能独立进行。CFB-FGD半干法烟气脱硫的顺序控制主要包括以下子系统：烟道系统，增压风机系统，塔底灰输送系统、烟气再循环系统，脱硫除尘系统，物料循环系统，生石灰供应系统，吸收剂制备系统，吸收剂加入系统，工艺水系统，流化风系统，脱硫灰输送系统等子系统。

除了上述的控制功能之外，系统还具备了强大的数据采集和处理功能。系统连续采集和处理所有与系统有关的测点信号及设备状态信号，这些数据按系统设备对象被合理分类组织，储存和显示，并及时向操作人员提供有关的运行信息，实现系统安全经济运行。一旦发生任何异常工况，及时报警，提高系统的可利用率。系统提供多种数据采集和处理功能，如数据显示，操作记录，历史数据存储和检索，报警系统，性能计算等等。

结语

本系统实际应用表明，它具有造价低、功能强、结构灵活实用、可靠性高且开发和维护费用低等特点，能降低Ca/S，减少吸收剂的使用，从而降低用户的运行成本；同时提高系统的脱硫效率。且根据不同的现场情况与用户要求，系统可以扩展为不同的模式。该系统实现了现场通信、自动控制系统和计算机网络的有效无缝集成。可以说，以PCS7为基础的控制系统，将大大提高工业过程控制的自动化、网络化和信息化的水平。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于PCS7的半干法烟气脱硫控制系统设计”，作者为张哲平。）