1、<p>　　電廠脫硫DCS下位機的設計與實施</p><p>　　作 者 姓 名 付力業(yè) </p><p>　　專 業(yè) 自動化 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</

2、b></p><p>　　第一章 電廠脫硫系統(tǒng)下位機方案設計3</p><p>　　1.1電廠脫硫工藝簡介3</p><p>　　1.1.1電廠脫硫原理及脫硫工藝流程4</p><p>　　1.2系統(tǒng)設計方案分析4</p><p>　　1.3電廠脫硫系統(tǒng)下位機方案論證5</p><

3、p>　　1.3.1可編程控制器選擇5</p><p>　　1.3.2數(shù)據(jù)采集電路6</p><p>　　1.3.3 PLC與上位機通信電路7</p><p>　　第二章 電廠脫硫系統(tǒng)下位機硬件設計8</p><p>　　2.1下位機I/O的擴展8</p><p>　　2.1.1電廠脫硫系統(tǒng)的數(shù)字量8

4、</p><p>　　2.1.2 PLC數(shù)字I/O模塊的選擇9</p><p>　　2.1.3電廠脫硫系統(tǒng)的模擬量11</p><p>　　2.1.4 PLC模擬I/O模塊的選擇12</p><p>　　2.2 PLC其他模塊的選擇12</p><p>　　2.2.1主機模塊12</p><

5、;p>　　2.2.2電源部分模塊14</p><p>　　2.2.3通信接口模塊14</p><p>　　第三章 電廠脫硫下位機控制程序的設計15</p><p>　　3.1 脫硫控制系統(tǒng)的控制流程圖15</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)控制基本思路16</p><p>　　3.2程序編寫步驟22

6、</p><p>　　3.3部分子系統(tǒng)的程序介紹24</p><p>　　3.3.1除霧系統(tǒng)的控制24</p><p>　　3.3.2制漿系統(tǒng)的控制25</p><p>　　3.3.3供漿系統(tǒng)的控制26</p><p>　　3.3.4排漿的控制27</p><p>　　3.4組態(tài)監(jiān)控軟

7、件的設計28</p><p>　　第四章 設計總結30</p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　我國每年因酸雨和二氧化

8、硫污染造成損失高達上千億元人民幣。消減二氧化硫的排放量，控制大氣二氧化硫污染，保護大氣環(huán)境質量，是我國目前及未來相當長時間內環(huán)境保護的重要課題之一。</p><p>　　本文首先簡述了煙氣脫硫工藝的技術發(fā)展狀況。通過分析不同煙氣脫硫方法的特點，并結合實際，對濕式煙氣脫硫工藝進行了相關介紹，并對其工藝流程設計進行了描述。</p><p>　　在充分理解分散控制系統(tǒng)及濕法煙氣脫硫技術的基礎上，

9、根據(jù)實際需求對煙氣脫硫自動控制系統(tǒng)的硬件進行了選型；在詳細分析煙氣脫硫過程中被控對象的特性和控制原理，以及對FGD-DCS自動控制系統(tǒng)的結構、功能及組站設計進行介紹后，本文還探討了煙氣脫硫系統(tǒng)啟動、停止控制的邏輯設計及煙氣脫硫系統(tǒng)緊急停運時的對策，并根據(jù)煙氣脫硫系統(tǒng)各子系統(tǒng)的特性及具體控制要求，設計出了一套相適應的控制策略，對子系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖，系統(tǒng)組態(tài)及控制策略也進行了詳細描述。</p><p>　　關鍵詞：

10、煙氣脫硫 自動控制系統(tǒng) 可編程控制器 集散控制系統(tǒng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Each year, the losses of China cause by acid rain and SO2 pollution reached up to thousands of billion Yuan, so for the

11、 present and for quite a long time in future, to reduce the emission of SO2, to control the air pollution of SO2, and to protect the quality of atmosphere have been one of our country’s important issues on environmental

12、protection.</p><p>　　The paper firstly outlines the development of flue gas desulphurization technology. By analyzing the different characteristics of flue gas desulphurization method， combined with practica

13、l , the paper introduces the wet flue gas desulphurization with practical ,the paper introduces the wet flue gas desulphurization technology related presentations, and describes the design of technique process. </p>

14、;<p>　　Based on the full understanding of distributed control system and wet flue gas desulphurization technology , and according to the actual demand of the automatic control system of flue gas desulphurization ,

15、 selection of hardware is done , After a detailed analysis of the object features and control principle of desulphurization process ,and a introduction on the structure ,function and design group of FGD-DCS automatic con

16、trol system of the structure , the article discusses the logic design on h</p><p>　　Key words： flue gas desulphurization ；automatic control system ；programmable logic controller distributed control system<

17、;/p><p>　　第一章 電廠脫硫系統(tǒng)下位機方案設計</p><p>　　1.1電廠脫硫工藝簡介</p><p>　　我國是一個能源生產(chǎn)和消費大國，一次能源消費總量僅次于美國，居世界第二位，在我國的一次能源和發(fā)電能源構成中，煤占據(jù)了絕對的主導地位，并且在很長的一段時間里，我國一次能源以煤為主的格局也不會發(fā)生變化。我國電力的生產(chǎn)仍以燃煤機組為主，大量的燃煤和煤中較高的

18、含硫量導致大量的SO2 排放。目前我國已經(jīng)是世界上最大的SO2排放國，SO2帶來的大氣污染及酸雨問題日益嚴重。我國的大氣污染屬于典型的煤煙型污染，以粉塵和酸雨危害最大，酸雨問題實質就是SO2問題，我國的酸雨區(qū)面積已占國土面積的30%，每年酸雨造成的損失在百億元以上，控制SO2排放總量是抑制我國酸雨污染發(fā)展的關鍵，因此加強對SO2排放的控制，已成為我國當前刻不容緩的任務。自動控制系統(tǒng)在火力發(fā)電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)起著關鍵作用，要提高脫硫效率

19、就必須提高控制系統(tǒng)的水平和控制質量。</p><p>　　脫硫工藝指從煙道氣或其他工業(yè)廢氣中除去硫氧化物(SO2和SO3)。脫硫工藝主要分為濕法、半干法和干法三類[1]。</p><p>　　1）濕法煙氣脫硫技術</p><p>　　濕法煙氣脫硫(WFGD)是采用液體吸收劑凈化煙氣中的SO2。近年來，常見的濕法煙氣脫硫技術有：石灰石/石灰-石膏法、亞硫酸鈉循環(huán)吸收法

20、、氧化鎂及海水脫硫等等。濕法煙氣脫硫技術比較成熟，在眾多的脫硫技術中占據(jù)主導地位，其脫硫反應速度快，脫硫效率高，脫硫劑利用率高，生產(chǎn)運行穩(wěn)定，適合大型燃煤電廠的煙氣脫硫。但是濕法煙氣脫硫存在初期投資大，系統(tǒng)復雜，占地面積大，能耗高，設備腐蝕嚴重，管道易堵塞，廢水難以處理等問題。濕法以石灰石－石膏法應用最普遍，也可以根據(jù)實際情況采用氧化鎂、氨水、純堿、強堿等作為吸收劑。</p><p>　　2）半干法煙氣脫硫技術&

21、lt;/p><p>　　半干法煙氣脫硫技術兼有于法與濕法的一些特點，可分為脫硫劑在干狀態(tài)下脫硫，在濕狀態(tài)下再生(如水洗活性炭再生流程)和脫硫劑在濕狀態(tài)下脫硫，在于狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物(如噴霧干燥法)兩種半干法。特別是在濕狀態(tài)下脫硫在于狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物的半干法，以其兼有濕法脫硫反應速度快、脫硫效率高和干法無廢水廢酸排出、脫硫后產(chǎn)物易于處理的好處而受到人們的廣泛關注 。半干法煙氣脫硫技術將低投資和優(yōu)良的性能巧妙地結合，但

22、是也存在吸收劑利用率較低和吸收劑消耗量大的問題。</p><p>　　3） 干法煙氣脫硫技術</p><p>　　干法煙氣脫硫(DFGD)是采用粉狀吸收劑、吸附劑或催化劑在干態(tài)下與燃煤產(chǎn)生的SO2反應，去除煙氣中的SO2 。主要包括：爐內噴鈣爐后增濕活化技術、循環(huán)流化床干法煙氣脫硫、移動床活性炭脫硫法、磷氨肥法、電子束照射法、荷電干式噴射脫硫法等。干法煙氣脫硫技術的脫硫吸收和產(chǎn)物處理均在于

23、狀態(tài)下進行，沒有廢水產(chǎn)生，設備腐蝕小，煙氣無需再熱，結構簡單，設備易于維護，運行費用低。但干法脫硫技術存在脫硫劑利用率低，脫硫效率低等缺點。</p><p>　　1.1.1電廠脫硫原理及脫硫工藝流程</p><p>　　石灰石/石膏法脫硫工藝采用石灰石或石灰作脫硫吸收劑，石灰石經(jīng)破碎磨細成粉狀與水混合攪拌成吸收漿液。在吸收塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓

24、入的氧化空氣進行化學反應被脫除，最終反應產(chǎn)物為石膏。其脫硫主要反應為：</p><p>　　SO2+H2O → H2SO3 CaCO3+H2SO3 → CaSO3+CO2+H2O</p><p>　　CaSO3+O2 → CaSO4 CaSO4+H2O → CaSO4·2H2O</p><p>　　石灰石/石膏濕法煙氣脫

25、硫的基本工藝流程為：鍋爐煙氣經(jīng)過除塵器除塵后，由引風機送入脫硫系統(tǒng)，煙氣由進口煙道進入由增壓風機增壓后，經(jīng)氣氣換熱器降溫，進入吸收塔。在吸收塔內，煙氣由下向上流動，石灰石漿液由上向下洗滌煙氣，在吸收塔底部，鼓入空氣進行氧化，生成的石膏由石膏漿液泵送人脫水系統(tǒng)。</p><p>　　石灰石/石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：煙氣循環(huán)系統(tǒng)、除霧系統(tǒng)、工藝水循環(huán)系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、石灰石漿液供漿系統(tǒng)、脫硫

26、塔系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)[2]，見圖1-1。</p><p>　　圖1-1脫硫工藝流程</p><p>　　1.2系統(tǒng)設計方案分析</p><p>　　根據(jù)對脫硫工藝及控制系統(tǒng)功能的要求，目前通常采用的脫硫控制系統(tǒng)方案有五種：手動控制，常規(guī)繼電器控制，模擬儀表和工控機的控制，PLC和工控機的控制和DCS的控制[3]。</p><p>　　方案 一：手

27、動控制是一種最原始的控制方式，由于人不能及時的反饋系統(tǒng)運行信息，而且容易疲勞，所以用手動控制效率低下，費時費力，而且準確性也值得懷疑。所以用純手動控制的成本是十分昂貴的。因此在當前的系統(tǒng)中除了必要時，如出現(xiàn)故障等時候，已經(jīng)完全被淘汰。</p><p>　　方案 二：至于使用繼電器來控制煙氣脫硫系統(tǒng)，這種控制方案投資比較省，但也只能適用控制設備比較少，比較簡單的系統(tǒng)，是屬于自動化程度化程度不是很高的控制方案。一旦系

28、統(tǒng)控制量較多或者系統(tǒng)比較復雜的話，常規(guī)繼電器控制就滿足不了，容易出現(xiàn)失誤，不夠穩(wěn)定。隨著電子技術、自動控制技術和計算機應用的迅速發(fā)展，特別是PLC大舉進入數(shù)控領域，繼電器控制也退出了主導的地位。</p><p>　　方案 三：采用模擬儀表和工控機的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)廣泛應用于中、小型電廠，系統(tǒng)配置簡潔，造價較低。但在一些大、中型的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)要同現(xiàn)場其他電氣設備實現(xiàn)各種聯(lián)鎖關系，在這種情況下，單一依靠工控

29、機以及模擬儀表無法實現(xiàn)這些復雜的控制功能，系統(tǒng)的可靠性較低[4]。</p><p>　　方案 四：采用PLC和工控機的控制系統(tǒng)，將PLC作為系統(tǒng)的控制核心，工控機與PLC結合，并實現(xiàn)通訊。PLC是面向工業(yè)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制器，具有編程靈活、功能齊全、控制簡單、使用方便、抗干擾能力強、體積小、重量輕、耗電省等特點，在脫硫系統(tǒng)中廣泛采用了PLC控制，改善了工人的工作環(huán)境，提高了脫硫的效率，取得了很大的經(jīng)濟成

30、效[5]。</p><p>　　方案 五：采用DCS的控制系統(tǒng)，充分利用DCS的軟、硬件資源，提高系統(tǒng)的可靠性。DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方法上卻完全不同。但由于DCS系統(tǒng)造價較高，所以一般在一些有著較為全面規(guī)范的大中型控制系

31、統(tǒng)中使用[6]。</p><p>　　本工程控制系統(tǒng)采用方案四，以PLC 做下位機控制，工控機做上位機來控制脫硫系統(tǒng)。操作人員在脫硫控制室操作上位機進行整套工藝系統(tǒng)的運行參數(shù)設置、監(jiān)控，實現(xiàn)對脫硫系統(tǒng)的順序自動啟停，運行參數(shù)自動檢測和存儲，并對關鍵參數(shù)實行自動調節(jié)。本系統(tǒng)可獨立運行，也可通過網(wǎng)絡連接進入廠方計算機系統(tǒng)。</p><p>　　1.3電廠脫硫系統(tǒng)下位機方案論證</p>

32、;<p>　　1.3.1可編程控制器選擇</p><p>　　PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計[7]。</p><p><b>　　PLC

33、的特點：</b></p><p>　　1)可靠性高，抗干擾能力強。</p><p>　　高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的

34、電路及設備也獲得故障自診斷保護。</p><p>　　2)配套齊全，功能完善，適用性強。</p><p>　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。</p><p>　　3)易學易用，深受工程技術人員歡迎。</p>

35、<p>　　PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。</p><p>　　4)系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。</p><p>　　PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的

36、接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。</p><p>　　5)體積小，重量輕，能耗低。</p><p>　　煙氣脫硫自動控制系統(tǒng)對硬件的要求很高，所以系統(tǒng)必須具備較高的可靠性，較快的速度等，在PLC產(chǎn)品中，S7-300 PLC功能強、速度快、擴展靈活；它具有緊湊、無槽位限制

37、的模塊化結構。本系統(tǒng)選用了SIEMENS公司生產(chǎn)的緊湊模塊式結構的小型SIMATIC S7-300可編程控制器，它是目前國內應用較多，性能價格比較好的高性能PLC。</p><p>　　1.3.2數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　根據(jù)脫硫控制系統(tǒng)的要求，脫硫系統(tǒng)需要采集的主要數(shù)據(jù)為：漿液pH值、煙氣壓力、煙氣溫度、吸收塔液位、吸收塔漿液密度等。</p><p>　　

38、漿液pH值通過pH傳感器測量，其工作原理是：在一定的范圍內，酸堿溶液的濃度與其電導率的大小成比例。因而，只要測出溶液電導率的大小變可得知酸堿濃度的高低。當被測溶液流入專用電導池時，如果忽略電極極化和分布電容，則可以等效為一個純電阻。在有恒壓交變電流流過時，其輸出電流與電導率成線性關系，而電導率又與溶液中酸、堿濃度成比例關系。因此只要測出溶液電流，便可算出酸、堿、鹽的濃度，即算出溶液的pH值。pH傳感器輸出4～20 mA信號，經(jīng)A/D轉換

39、裝置后送PLC[8]。</p><p>　　煙氣溫度的測量主要使用的是PT1OO的熱電阻和熱電偶，根據(jù)測量溫度范圍和安裝的要求，選用了熱電阻PT100測溫組件，溫度信號通過PT100和相應的調理模塊轉換成0～5 V的電壓量，送入A/D轉換裝置。</p><p>　　壓力測量傳感器也有很多形式，比如電阻式、電感式壓力傳感器，電容式、壓點式壓力傳感器等，根據(jù)使用環(huán)境、介質性能、壓力范圍等的不同

40、，綜合考慮加以選擇。選用電感式壓力傳感器。</p><p>　　1.3.3 PLC與上位機通信電路</p><p>　　隨著計算機和自動控制技術的高速發(fā)展,工業(yè)自動化水平提高到一個嶄新的高度。工業(yè)自動化根據(jù)其特點和使用方向又可分為過程控制自動化、面向生產(chǎn)和制造業(yè)的自動化以及自動化測量系統(tǒng)。這些工業(yè)自動化系統(tǒng)的建立和發(fā)展都有一個共同的特點,即由直接控制系統(tǒng)向集散型控制系統(tǒng)發(fā)展,而這種集散型控

41、制系統(tǒng)的發(fā)展都是以各種工業(yè)網(wǎng)絡為基礎。通過這些形形色色的工業(yè)總線系統(tǒng),各種工業(yè)設備構成一個既分散又統(tǒng)一的整體[9]。</p><p>　　當任意兩臺設備之間有信息交換時，它們之間就產(chǎn)生了通信。PLC通信是指PLC與PLC、PLC與計算機、PLC與現(xiàn)場設備或遠程I/O之間的信息交換。PLC通信的任務就是將地理位置不同的PLC、計算機、各種現(xiàn)場設備等，通過通信介質連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效

42、率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。</p><p>　　PROFIBUS是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS-DP， PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 3個兼容的版本。本文根據(jù)實際工程的需要選用PROFIBUS-DP。</p><p>　　PROFIBUS-DP的特點有：經(jīng)過優(yōu)化的高速，廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分

43、布式I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或4-20mA并行信號線。用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS-DP用于設備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備進行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此之外，智能現(xiàn)場設備還需要非周期性通信，以進行配置，診斷和報警處理[10]。</p><p>　　基于PROFIBUS-DP構建的系統(tǒng)分為主站和從站，主站為中央

44、控制器，從站為現(xiàn)場設備，它們之間采用主從方式進行通信，見圖1-2。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，它周期地接收從站的輸人信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。從站沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。</p><p>　　圖1-2控制系統(tǒng)的硬件組成</p><p>　　第二章 電廠脫硫系統(tǒng)下位機硬件設計</p><p>　　2.1下位機I/O的

45、擴展</p><p>　　PLC平均的I/O點的價格還比較高，因此應該合理選用PLC的I/O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定的裕量。通常I/O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%-15%的裕量來確定[11]。</p><p>　　2.1.1電廠脫硫系統(tǒng)的數(shù)字量</p><p>　　本方案是對電廠的三組鍋爐進

46、行設計的，根據(jù)控制系統(tǒng)設計的需要，對需要控制的數(shù)字量進行了統(tǒng)計。共需要90個輸入點和84個輸出點。各個數(shù)字量信號見表2-1和表2-2。</p><p>　　表2-1 控制系統(tǒng)數(shù)字輸入量點數(shù)表</p><p>　　表2-2 控制系統(tǒng)數(shù)字輸出量點數(shù)表</p><p>　　2.1.2 PLC數(shù)字I/O模塊的選擇</p><p>　　1.

47、0;開關量輸入模塊的選擇</p><p>　　開關量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設備的開關信號，將信號轉換為PLC內部接受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC內、外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面：</p><p>　　1）輸入信號的類型及電壓等級</p><p>　　開關量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流/直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因

48、素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入設備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。</p><p>　　開關量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠不得超過10米。距離較遠的

49、應選用輸入電壓等級較高的模塊。</p><p><b>　　2）輸入接線方式</b></p><p>　　開關量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式。匯點式的開關量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（COM）；而分組式的開關量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需

50、要分隔，一般選用匯點式的。</p><p>　　2. 開關量輸出模塊的選擇</p><p>　　開關量輸出模塊是將PLC內部低電壓信號轉換成驅動外部輸出設備的開關信號，并實現(xiàn)PLC內外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面：</p><p><b>　　1）輸出方式</b></p><p>　　開關量輸出

51、模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。繼電器輸出的價格便宜，既可以用于驅動交流負載，又可用于直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但其屬于有觸點元件，動作速度較慢（驅動感性負載時，觸點動作頻率不得超過1Hz）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。</p><p><b>　　2）輸出接線方式</b></p>

52、;<p>　　開關量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式。分組式輸出是幾個輸出點為一組，一組有一個公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅動不同電源的外部輸出設備；分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端，各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出，也有分隔式輸出。</p><p><b>　　3）驅動能力</b&

53、gt;</p><p>　　開關量輸出模塊的輸出電流(驅動能力)必須大于PLC外接輸出設備的額定電流。用戶應根據(jù)實際輸出設備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設備的電流較大，輸出模塊無法直接驅動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。</p><p>　　根據(jù)以上表中的輸入/輸出量的點數(shù)，綜合考慮選擇SIMATIC S7-300可編程控制器典型的數(shù)字量輸入/輸出擴展模塊有：SM 321 DI3

54、2xDC24V 24V直流32點數(shù)字輸入模塊三個，SM 322 DO16x RELAC 120V/230V 交流120V/230V繼電器16點數(shù)字輸出模塊六個[12]。</p><p>　　為了盡量減少強電對PLC的干擾，所有的數(shù)字量都經(jīng)過了中間繼電器進行了隔離，信號先經(jīng)過繼電器，然后再到強電部分的執(zhí)行繼電器，見圖2-1；將弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈等被控設備的執(zhí)行元件

55、。</p><p>　　圖2-1 PLC的輸出抗干擾保護</p><p>　　2.1.3電廠脫硫系統(tǒng)的模擬量</p><p>　　模擬量控制系統(tǒng)實現(xiàn)脫硫控制系統(tǒng)的模擬量閉環(huán)調節(jié)功能，脫硫控制系統(tǒng)的主要閉環(huán)調節(jié)回路有：增壓風機入口壓力調節(jié)、吸收塔液位自動調節(jié)、石灰石供漿流量調節(jié)等。 系統(tǒng)所需模擬量輸入輸出點數(shù)如表2-3和表2-3列出。</p><p

56、>　　表2-3控制系統(tǒng)模擬量輸入量點數(shù)表</p><p>　　表2-4控制系統(tǒng)模擬量輸出量點數(shù)表</p><p>　　2.1.4 PLC模擬I/O模塊的選擇</p><p>　　模擬量I/O模塊的主要功能是數(shù)據(jù)轉換，并與PLC內部總線相連，同時為了安全也有電氣隔離功能。模擬量輸入（A/D）模塊是將現(xiàn)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉換成PLC內部可接受的

57、數(shù)字量；模擬量輸出(D/A)模塊是將PLC內部的數(shù)字量轉換為模擬量信號輸出。</p><p>　　典型模擬量I/O模塊的量程為-10V—+10V、0—+10V、4—20mA等，可根據(jù)實際需要選用，同時還應考慮其分辨率和轉換精度等因素。轉換位數(shù)越高，精度越高，相應的模塊的制造成本越高。轉換的位數(shù)受技術因素的限制，不能無限的增加。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)控制要求和模擬量的點數(shù)，模擬量輸入

58、輸出模塊選擇如下：SM331 AI8 x13Bit 13位8路模擬量輸入模塊8個，SM332 AO8x12Bit 12位8路輸出模塊3個。</p><p>　　2.2 PLC其他模塊的選擇</p><p><b>　　2.2.1主機模塊</b></p><p>　　隨著PLC技術的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、

59、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標有著重要意義。</p><p>　　PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：</p><p><b>　　1）合理的結構型式</b></p><

60、p>　　PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2）安裝方式的選擇</b></p>

61、<p>　　PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程I/O硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I/O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。</p><p>&l

62、t;b>　　3）相應的功能要求</b></p><p>　　一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A/D和D/A轉換單元，具有加減算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復雜，要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中

63、、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。</p><p><b>　　4）響應速度要求</b></p><p>　　PLC是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號，有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速I/O處理功能的PLC，

64、或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。</p><p>　　5）系統(tǒng)可靠性的要求</p><p>　　對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。</p><p>　　中央處理單元一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電

65、路接口相連。為了綜合考慮，減少成本，選用帶有PRFIBUS-DP主站/ 從站接口接口的CPU 313C-2DP。</p><p>　　2.2.2電源部分模塊</p><p>　　PLC一般使用220V的交流電源，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V，12V，24V等直流電源，使PLC能正常工作。</p><p>　　電源部件的形式有多種，對于整體

66、式結構的PLC，通常電源封裝到機殼內部，對于模塊式的PLC，有的采用單獨的電源模塊，有的將電源和CPU封裝在一個模塊中。</p><p>　　對于S7-300來說，電源模塊是單獨的，有提供電流2A，5A，10A的三種。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將電源模塊選為：PS 307 5A。</p><p>　　2.2.3通信接口模塊</p><p>　　為了實現(xiàn)“人-機”或“機-機”之

67、間的對話，PLC有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機、和其他的PLC或計算機相連。為了與監(jiān)控的上位機連接，實現(xiàn)控制與管理相結合的綜合控制，采用PRFIBUS-DP通信，其接口為于CPU模塊上。</p><p>　　第三章 電廠脫硫下位機控制程序的設計</p><p>　　3.1 脫硫控制系統(tǒng)的控制流程圖</p><p>　　圖3-1程序控制流

68、程圖</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)控制基本思路</p><p><b>　　（1）順序控制</b></p><p>　　在自動方式，各設備根據(jù)聯(lián)鎖條件、時間條件或上位機指令實現(xiàn)啟動和停止。將煙氣系統(tǒng)、除霧系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)、工藝水循環(huán)系統(tǒng)通過程序設計把各個子系統(tǒng)連鎖在一起，一旦任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，立即將煙氣由旁路排放出

69、去，脫硫塔內的漿液排到事故漿池，同時發(fā)出故障報警，從而有效防止生產(chǎn)事故的發(fā)生。六個子系統(tǒng)的啟動順序為：排漿系統(tǒng)→制漿系統(tǒng) →供漿系統(tǒng)→煙氣系統(tǒng)→除霧系統(tǒng)。停止順序相反。如果排漿系統(tǒng)發(fā)生故障時，立即停止其他子系統(tǒng)并將石灰漿引入事故漿回流池。</p><p><b>　　（2）閉環(huán)控制</b></p><p>　　為了便于程序編寫和調試，將整個系統(tǒng)分為了許多子系統(tǒng)。各個子

70、系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋來控制和調節(jié)，見圖3-2，現(xiàn)場的變量經(jīng)過測量變送單元轉換成標準信號傳到PLC中，PLC經(jīng)過與設定值比較的偏差輸出一個控制信號到執(zhí)行器，執(zhí)行器再去控制現(xiàn)場的設備。</p><p>　　圖3-2 閉環(huán)控制框圖</p><p>　　在脫硫塔循環(huán)泵出口壓力閉環(huán)調節(jié)中采用了PID控制器，在PID控制器中用到了比例控制和積分控制，沒有采用到微分控制[13]。</p>&l

71、t;p>　　PID控制器是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活。在控制脫硫塔循環(huán)泵出口壓力閉環(huán)調節(jié)過程中，采用了PID調節(jié)算法，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制。</p><p>　　PID控制規(guī)律：

72、 （3-1）</p><p>　　在PLC S7-300的編程中，有專門的PID控制模塊，只需將各個PID控制參數(shù)設置好就可以直接調用PID模塊，F(xiàn)B41引腳見圖3-3和引腳參數(shù)見表3-1、表3-2。</p><p>　　圖3-3 FB41引腳圖</p><p>　　表3-1 FB41輸入?yún)?shù)</p><p

73、>　　表3-2 FB41的輸出參數(shù)</p><p><b>　　（3）電機控制</b></p><p>　　在系統(tǒng)控制中現(xiàn)場設備中有很多電機，為了在編寫程序時方便，單獨建立了一個功能，專門用于控制電機，見圖3-4和表3-3。這樣在用到時直接調用就可以了，很大程度上減輕了編寫程序的工作量見，圖3-5，在模擬量轉換時同樣也單獨建立了一個功能[14]。</p&g

74、t;<p>　　首先插入一個功能，打開后定義輸入輸出引腳的名稱，變量類型，然后對各個引腳之間的關系進行編寫程序即可，再用到時直接調用就行了。</p><p>　　表3-3 FC05電機/泵手自動控制模塊的輸入輸出量</p><p>　　圖3-4電機控制功能圖</p><p>　　圖3-5工藝水循環(huán)控制中調用FC5模塊</p><p&

75、gt;<b>　　3.2程序編寫步驟</b></p><p>　　SIMATIC Manager用于基本的組態(tài)和編程。SIMATIC管理器具有下列功能： 建立項目、硬件組態(tài)及參數(shù)設定、組態(tài)硬件網(wǎng)絡、編寫程序、編輯、調試程序。</p><p>　?。?）啟動SIMATIC Manager 建立一個工程文件后，建立一個S7-300站點，然后進行硬件組態(tài)，見圖3-6。將選好

76、的電源模塊、主機模塊、通信模塊、I/O模塊等選好插入到導軌上，建立起硬件連接，并相應做好參數(shù)設置[15]。</p><p><b>　　圖3-6硬件組態(tài)</b></p><p>　?。?）在建立相應的數(shù)據(jù)塊，存放相應的數(shù)據(jù)和中間變量，見圖3-7。如：模擬量經(jīng)轉換后的數(shù)據(jù)、PID設置的參數(shù)等其他一些用到的中間變量。</p><p>　　圖3-7程

77、序變量表（部分）</p><p>　?。?）建立多個功能，并將整個系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的程序都集中在一個功能中編寫，見圖3-8。這樣有利于在程序調試時查找和修改錯誤。</p><p><b>　　圖3-8各個功能</b></p><p>　?。?）根據(jù)控制要求在各個功能中編寫好相應的程序，根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖在主程序中直接調用編寫好的功

78、能，見圖3-9，寫好后進行編譯，調試修改。</p><p>　　圖3-9主程序中調用各個功能（部分）</p><p>　　3.3部分子系統(tǒng)的程序介紹</p><p>　　3.3.1除霧系統(tǒng)的控制</p><p>　　除霧器沖洗系統(tǒng)由9個電磁閥組成，每組3個，共三組。它們是按一定的順序輪流開關，兩個工藝相鄰閥門之間的開啟間隔時間是固定的。在程序

79、中每個閥門對應一個定時器，定時器去控制電磁閥的開關時間，上一個閥門定時器的輸出做為下一個定時器的啟動信號，這樣就構成了電磁閥順序輪流開關的控制，見圖3-10。</p><p>　　圖3-10除霧控制（部分）</p><p>　　3.3.2制漿系統(tǒng)的控制</p><p>　　制漿系統(tǒng)根據(jù)漿液池中漿液的密度和池中的液位來控制制漿系統(tǒng)的啟停的，當池中漿液減少，低于下線時開

80、啟制漿加水電動閥，向池中加水，當石灰漿密度下降時，開啟卸料閥加入石灰。制漿池液位的差壓變送器檢測到水位下降后，PLC開啟加水電動閥，向制漿池中加水；池中的密度計監(jiān)測石灰漿的密度，密度下降就開啟皮帶秤，在開啟加料閥。密度高時，先關閉加料閥，再關皮帶秤，見圖3-11。</p><p>　　圖3-11制漿控制（部分）</p><p>　　3.3.3供漿系統(tǒng)的控制</p><p

81、>　　石灰石供漿流量調節(jié)的目的在于調節(jié)吸收塔內的pH值，使煙氣與石灰石漿液在最適合的pH值下發(fā)生化學反應，這是保證脫硫質量的關鍵之處。供漿系統(tǒng)的開啟只要受檢測吸收塔內石灰漿pH值的pH計的反饋信號來調節(jié)。同時在供漿時也要考慮吸收塔內的石灰漿漿液的液位，見圖3-12。</p><p>　　圖3-12供漿控制（部分）</p><p>　　3.3.4排漿的控制</p><

82、;p>　　由于灰漿沉積速度很快，特別是鍋爐壓火或停爐一段時間后，再加上煙氣中的余灰很快沉積在排漿泵的入口處，造成排漿泵每次重載啟動，甚至堵轉，使泵的密封圈，軸承，電機等損壞。為了解決以上問題，在排漿泵每次啟動前20s自動開啟沖洗閥，用具有一定壓力的自來水沖松排漿泵入口處板結的灰漿。</p><p>　　排漿系統(tǒng)的工作主要受塔內的漿液液位的控制，隨著脫硫塔的工作，石灰漿會沉積到脫硫塔的底部，密度也會上升，為了

83、防止密度過高后阻塞，在密度上升到一定值后，若供漿泵還不斷大量供漿，則立即開啟排漿泵排出石灰漿，見圖3-13。</p><p>　　圖3-13排漿控制(部分)</p><p>　　3.4組態(tài)監(jiān)控軟件的設計</p><p>　　隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得

84、傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。</p><p>　　通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述

85、實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成自動化控制工程。 </p><p>　　組態(tài)為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點[16]： </p><p>　　1）延續(xù)性和可擴充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應用程序，當現(xiàn)場或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級； </p

86、><p>　　2）封裝性，通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術，就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能； </p><p>　　3）通用性，每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備的I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡

87、功能的工程，不受行業(yè)限制。</p><p>　　在眾多的組態(tài)軟件中，常見的組態(tài)軟件有wincc、ifix、intoch和國內開發(fā)的組態(tài)軟件組態(tài)王、世紀星、三維力控、北京昆侖通態(tài)等其軟件各種開發(fā)功能各有千秋。采用哪種組態(tài)軟件并不重要，關鍵是利用軟件實現(xiàn)工程設計中的控制思想和控制模式。選用國內北京昆侖通態(tài)作為組態(tài)軟件進行組態(tài)，繪制的人機界面如圖3-14。</p><p><b>　　

88、圖3-14組態(tài)界面</b></p><p><b>　　第四章 設計總結</b></p><p>　　通過這段時間的畢業(yè)設計，完成了這份論文——電廠脫硫DCS下位機的設計與實施。在此過程中，我了解了許多關于脫硫工藝的有關知識，以及我國脫硫系統(tǒng)自動控制的現(xiàn)狀，掌握了電廠脫硫DCS系統(tǒng)的構成及基本設計方法。對PLC的有知識，有了更深入的了解。對以后的學習和工

89、作有了很大的幫助。在設計中還是碰到了很多困難，在指導老師和同學們的幫助下，通過查閱資料，逐項克服困難，進一步加深了對所選課題的理解及以前所學理論的總結，增強了理論聯(lián)系實踐的能力。</p><p>　　由于個人知識面和能力所限，完成的設計基本上滿足了各項相關要求，但仍有不足，還需進一步的改進。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

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97、走向工作崗位奠定了堅實的基礎。</p><p>　　這個學期完成的這份畢業(yè)設計，是我在大學里的最后一份答卷。在完成這份畢業(yè)設計的過程中許多老師和同學給了我很大的幫助，讓我才能在這么短的時間內完成這篇論文。在此首先感謝自動化教研室的王斌鵬老師給予我的指導和幫助，如果沒有他的幫助，我可能會走很多彎路。另外感謝四年來各位老師對我的鼓勵和幫助，最后要感謝我的同學們，許多同學提供的資料和方法對我都很有用處。非常感謝大家!&