煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器全伸縮吹灰器程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓春暉

（上?？巳R德貝爾格曼機(jī)械有限公司，上海200090）

煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器（GGH）全伸縮吹灰器控制系統(tǒng)具有工藝參數(shù)設(shè)置靈活、手動(dòng)及自動(dòng)操作方便、報(bào)警提示詳細(xì)等特點(diǎn)；并且還有分散控制系統(tǒng)（DCS）硬接線接口，可以實(shí)現(xiàn)DCS程控操作，監(jiān)控吹灰槍運(yùn)行狀態(tài)，并提供總報(bào)警提示；另外可以通過系統(tǒng)發(fā)給DCS的高壓水請(qǐng)求信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高壓水泵的連鎖啟動(dòng)，大大方便運(yùn)行人員的操作。實(shí)踐證明：這套系統(tǒng)具有良好的GGH換熱面吹掃效果和吹灰器使用壽命。系統(tǒng)選擇S7-200PLC CPU216作為邏輯控制器［1］。CPU216有兩個(gè)編程口：一個(gè)用于人機(jī)接口（HMI）通信，另一個(gè)用于熱控維護(hù)人員檢修監(jiān)視程序的DCS modbus通信接口。HMI操作屏原為OP170B，現(xiàn)由于OP170B已停產(chǎn)，故選用 OP177B［2］。

1 吹灰器工藝流程

1.1 高壓水沖洗流程

選擇高壓水沖洗方式，啟動(dòng)自動(dòng)吹掃程序；延時(shí)5s后，如果密封風(fēng)機(jī)流量開關(guān)閉合，流量符合要求，程控過程開始，吹灰槍自動(dòng)運(yùn)行到第一步?jīng)_洗位置（800～1 200mm，可選），打開高壓水閥門；高壓水閥門完全打開后，系統(tǒng)向DCS發(fā)出高壓水啟動(dòng)命令，DCS接到高壓水啟動(dòng)命令3～5min內(nèi)啟動(dòng)高壓水，高壓水進(jìn)入吹灰管路；當(dāng)吹灰管路高壓水壓力大于設(shè)定值時(shí)，吹灰器開始步進(jìn)（10～20mm，可選），然后停留一（設(shè)）定時(shí)間（默認(rèn)為GGH旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間）；上一過程反復(fù)進(jìn)行，直到吹灰器前進(jìn)到行程開關(guān)（RLS）位置，然后再停留一定時(shí)間，進(jìn)行最前端位置的沖洗；在經(jīng)過前端位置沖洗（設(shè)定）時(shí)間后，系統(tǒng)向DCS發(fā)出停止高壓水命令，DCS在3～5min內(nèi)停止高壓水；當(dāng)高壓水壓力小于設(shè)定值（默認(rèn)1MPa）后，吹灰器再停留設(shè)定的排水時(shí)間；然后吹灰器開始自動(dòng)退回，當(dāng)退回到800～1 200mm（可選）時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉高壓水閥門；當(dāng)高壓水閥門完全關(guān)閉后，吹灰槍直接退回到原始位置（SLS），自動(dòng)過程結(jié)束。

1.2 蒸汽沖洗流程

選擇蒸汽沖洗方式，啟動(dòng)自動(dòng)吹掃；延時(shí)5s后，如果密封風(fēng)機(jī)流量開關(guān)閉合（流量符合要求），程控過程開始，吹灰槍自動(dòng)運(yùn)行到第一步?jīng)_洗位置（800～1 200mm，可選），打開蒸汽／低壓水公用氣動(dòng)閥門；蒸汽／低壓水公用氣動(dòng)閥門完全打開后，當(dāng)吹灰管路蒸汽壓力大于設(shè)定值時(shí)，吹灰器開始步進(jìn)（60～80mm，可選），然后停留一（設(shè)）定時(shí)間（默認(rèn)為GGH旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間）；上一過程反復(fù)進(jìn)行，直到吹灰器前進(jìn)到行程開關(guān)（RLS）位置，然后再停止一定時(shí)間，進(jìn)行最前端位置的沖洗；經(jīng)過前端位置停留（設(shè)定）時(shí)間后，系統(tǒng)關(guān)閉蒸汽／低壓水公用氣動(dòng)閥門，吹灰器再停留設(shè)定的排水時(shí)間后直接退回原始位置（SLS），過程自動(dòng)結(jié)束。

1.3 低壓水沖洗流程

選擇低壓水沖洗方式，其過程與1.2節(jié)類似，只是每步步進(jìn)位移為30～50mm（可選）。

控制系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)組成

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主要操作功能

2.1.1 就地控制柜控制

就地控制柜有以下操作方式：

（1）吹灰器、閥門的單臺(tái)手動(dòng)操作功能，可以用于單臺(tái)調(diào)試設(shè)備。

（2）沖洗介質(zhì)有“蒸汽”、“低壓水”、“高壓水”三項(xiàng)選擇功能。

（3）沖洗方式有“沖洗啟動(dòng)”、“沖洗停止”功能，從而實(shí)現(xiàn)沖洗過程的自動(dòng)程控。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行工藝需要的位移、時(shí)間、壓力等參數(shù)設(shè)置功能。

2.1.2 DCS控制

當(dāng)在就地控制柜選擇“遠(yuǎn)方”功能時(shí)，只有一種操作方式（自動(dòng)程控）：

（1）接到PLC命令，完成高壓水泵的全部啟動(dòng)、停止過程。

（2）沖洗方式有“蒸汽”、“低壓水”、“高壓水”三項(xiàng)選擇功能。

（3）有“沖洗啟動(dòng)”、“沖洗停止”功能，從而實(shí)現(xiàn)沖洗過程的自動(dòng)程控。

2.2 主要信號(hào)和受控設(shè)備

主要信號(hào)有：

（1）編碼器信號(hào)1個(gè)，用于吹灰槍行程檢測，準(zhǔn)確定位。

（2）壓力變送器信號(hào)2個(gè)，用于檢測正在吹灰的蒸汽或低壓水（共用）、高壓水壓力。

（3）進(jìn)到位、退到位行程開關(guān)信號(hào)，吹灰槍進(jìn)到位、退到位反饋信號(hào)。

（4）密封風(fēng)機(jī)流量開關(guān)信號(hào)，密封風(fēng)機(jī)是用來密封吹灰器與GGH接口，防止漏出的硫化物污染環(huán)境和腐蝕吹灰器等設(shè)備，密封風(fēng)流量低系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。

（5）介質(zhì)閥門開、關(guān)到位信號(hào)，用于監(jiān)控各種吹灰介質(zhì)選擇是否正確，閥門動(dòng)作是否正常。

受控設(shè)備有：

（1）蒸汽或低壓水氣動(dòng)閥（共用）控制電磁閥，蒸汽或低壓水吹灰時(shí)，程控打開。

（2）高壓水閥門受控設(shè)備，高壓水吹灰時(shí)，程控打開。

（3）吹灰槍電動(dòng)機(jī)，吹灰器的吹灰槍前進(jìn)（或后退）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.3 主要系統(tǒng)硬件

主要系統(tǒng)硬件有：

（1）S7-200PLC CPU216，兩個(gè)通信接口，一個(gè)用于與操作屏通信，另外一個(gè)用于監(jiān)視程序；S7-200PLC CPU216編程口為自由口，可以編程與DCS Modbus RS485通信，意味著S7-200PLC CPU216控制的GGH全伸縮吹灰器有Modbus通信備用接口。CPU自帶兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入端用于編碼器計(jì)數(shù)，計(jì)算吹灰槍行程。

（2）模擬量輸入擴(kuò)展模塊，接收吹灰器本體上的正在吹灰的蒸汽（或低壓水）及高壓水壓力變送器來的信號(hào)。

（3）模擬量輸出擴(kuò)展模塊，將吹灰的蒸汽（或低壓水）及高壓水壓力變送器信號(hào)傳給DCS，以便在DCS上看到吹灰壓力。

（4）OP177B操作屏，在就地手動(dòng)或者程控操作系統(tǒng)，運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，并且可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故障時(shí)在故障畫面檢查具體故障內(nèi)容。OP177B操作屏與S7-200PLC CPU216通過西門子PPI協(xié)議RS485方式進(jìn)行通信［3-4］。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及方案

3.1 編碼器程序設(shè)計(jì)

3.1.1 初步估算輸入PLC的脈沖頻率

為了精確定位，提高該沖洗設(shè)備的吹灰精度，設(shè)備上使用了編碼器定位。安裝在減速器上的編碼器每轉(zhuǎn)一圈，輸出1 000個(gè)脈沖；經(jīng)觀察設(shè)備運(yùn)行時(shí)每分鐘編碼器轉(zhuǎn)近2圈半，可以初步計(jì)算輸入PLC的脈沖頻率為1 000×2.5／60≈42Hz。使用普通的PLC輸入點(diǎn)無法滿足這種計(jì)數(shù)頻率，所以必須使用PLC的高速計(jì)數(shù)器來接受編碼器信號(hào)。S7-200PLC CPU216自帶兩個(gè)兩相高速計(jì)數(shù)器端口，第一組高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)為I 0.0和I 0.1，第二組高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)為I 0.3和I 0.4，兩相高速計(jì)數(shù)最大頻率20Hz。

3.1.2 S7-200高速計(jì)數(shù)器編程

本系統(tǒng)使用S7-200PLC CPU216的自帶第一組高速計(jì)數(shù)器，不必再另外增加高速計(jì)數(shù)器模塊，編碼器接入高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)I 0.0和I 0.1，高速計(jì)數(shù)器編號(hào)HSC0，計(jì)數(shù)當(dāng)前值HC0，雙字節(jié)。輸入模式設(shè)置為模式9—A／B相正交輸入方式，不帶復(fù)位和啟動(dòng)。

系統(tǒng)變量SM37.0～SM37.7為HC0使用的控制變量。由于設(shè)備帶的編碼器是相位差為90°的兩個(gè)相位輸出，那么通過編碼器的正向旋轉(zhuǎn)（吹灰槍前進(jìn)）或者反向旋轉(zhuǎn)（吹灰槍前進(jìn)）可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)器的加減計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了吹灰槍前進(jìn)時(shí)位移增加、后退時(shí)位移減少的準(zhǔn)確定位。吹灰器回到原位，使用原位信號(hào)使高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值復(fù)位為零，避免誤差累計(jì)。

3.1.3 位移精確計(jì)算

如何計(jì)算精確高速計(jì)數(shù)器編碼器脈沖數(shù)與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系是編碼器程序設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為了計(jì)算精確，高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)賦值前加了一個(gè)60s的時(shí)間繼電器常閉接點(diǎn)條件，設(shè)備運(yùn)行開始時(shí)高速計(jì)數(shù)器將值寫給VDXXX雙字節(jié)變量，同時(shí)時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)；計(jì)時(shí)60s到，時(shí)間繼電器輸出動(dòng)作，常閉點(diǎn)斷開。高速計(jì)數(shù)器將值寫給VDXXX的值就是一分鐘編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)。設(shè)備退回原位，高速計(jì)數(shù)器復(fù)位。經(jīng)過幾次記錄，最終計(jì)算平均值為3 297個(gè)／min。吹灰器設(shè)計(jì)速度為1 440mm／min，3 297／1 440≈2.29，即每2.29個(gè)脈沖相當(dāng)于1mm。高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值HC0除以系數(shù)2.29就是設(shè)備運(yùn)行時(shí)的位移。在主程序中調(diào)用高速計(jì)數(shù)器子程序以及脈沖行程系數(shù)轉(zhuǎn)換程序見圖2。

圖2 位移精確計(jì)算程序圖

3.2 機(jī)械慣性問題的編程處理

由于本設(shè)備是步進(jìn)運(yùn)行方式，每次步進(jìn)只有10～80mm，步進(jìn)值在操作屏上設(shè)定。吹灰器每次步進(jìn)到設(shè)定位移時(shí)，PLC就會(huì)停止發(fā)輸出指令。但由于機(jī)械慣性，雖然電機(jī)失電，吹灰器依然會(huì)前進(jìn)幾毫米，為此在程序里預(yù)先將設(shè)定值減去慣性位移，這樣定位就減少了慣性的影響，最終使位移和設(shè)定值偏差1mm。圖3為機(jī)械慣性問題的編程處理，通過簡單的加減法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械慣性問題的處理。圖中VW438是吹灰槍啟動(dòng)后連續(xù)前進(jìn)到起吹位置（800～1 200mm，可選）的設(shè)定值。由于前進(jìn)時(shí)間長，機(jī)械慣性大，將其減少8mm作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)位移；電機(jī)失電后由于機(jī)械慣性再前進(jìn)8mm，正好到第一步位置。同樣道理，VW504為每步步進(jìn)位移設(shè)定值與當(dāng)前位移之和，將其減少5mm作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)位移，同樣可以避免機(jī)械慣性誤差。

圖3 機(jī)械慣性問題的編程處理

3.3 壓力波動(dòng)問題的編程處理

為了避免壓力波動(dòng)引起的系統(tǒng)誤報(bào)警，在程序里做了壓力報(bào)警延時(shí)；并且為了得到更可靠的壓力報(bào)警延時(shí)時(shí)間，把延時(shí)時(shí)間的設(shè)置放到操作屏上，這樣操作者就可以根據(jù)具體工況，靈活設(shè)置參數(shù)了。

3.4 OP177B操作屏與S7-200CPU216通信設(shè)置

通信協(xié)議是RS485PPI，為S7-200PLC CPU編程口支持的默認(rèn)協(xié)議。

通信電纜為9針對(duì)9針，3＋／8-。組態(tài)軟件為Wincc flexible。

3.5 OP177B操作屏報(bào)警記錄畫面的設(shè)計(jì)

3.5.1 在報(bào)警管理器中設(shè)置報(bào)警記錄

在Wincc flexible2008組態(tài)軟件的報(bào)警管理菜單下，可以組態(tài)離散量和模擬量報(bào)警、定義報(bào)警信息。組態(tài)好的報(bào)警，當(dāng)畫面運(yùn)行報(bào)警發(fā)生時(shí)，相應(yīng)報(bào)警的信息就會(huì)顯示在報(bào)警窗口里面。報(bào)警發(fā)生的同時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出系統(tǒng)總報(bào)警信號(hào)給DCS，操作者會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警進(jìn)行處理。對(duì)于發(fā)生的報(bào)警，如果不經(jīng)過確認(rèn)，雖然故障復(fù)位，報(bào)警消除，但是未經(jīng)過確認(rèn)的報(bào)警作為歷史仍然保留在報(bào)警窗口。

3.5.2 報(bào)警窗口的組態(tài)

OP177B操作屏報(bào)警記錄可以顯示在報(bào)警窗口，即使故障復(fù)位了，報(bào)警內(nèi)容仍然顯示在報(bào)警窗口，如果需要清除，可以在報(bào)警畫面定義清除按鈕，使用Acknowledgealarm函數(shù)清除報(bào)警內(nèi)容（見圖4）。圖中F8定義為報(bào)警清除按鈕。

圖4 故障報(bào)警畫面

3.6 參數(shù)設(shè)置畫面及進(jìn)入口令的設(shè)計(jì)

根據(jù)不同工況，設(shè)置不同運(yùn)行參數(shù)是程控系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。本系統(tǒng)共有參數(shù)26個(gè)，但這些參數(shù)必須由相關(guān)人員設(shè)置，所以本系統(tǒng)OP177B操作屏口令的設(shè)計(jì)是十分必要的。OP177B操作屏口令需要輸入用戶名和密碼，為了便于記憶，用戶名采取了系統(tǒng)默認(rèn)的用戶名ADMIN，密碼單獨(dú)設(shè)計(jì)并做好記錄。

編碼器設(shè)置畫面見圖5。

圖5 編碼器設(shè)置畫面

4 備用的Modbus通信功能

自由口作為Modbus通信的實(shí)現(xiàn)。雖然目前還沒有用戶與這個(gè)GGH全伸縮吹灰器PLC進(jìn)行Modbus通信，但是S7-200CPU的編程口作為自由口是可以實(shí)現(xiàn)的。圖6和圖7內(nèi)容可以作為實(shí)現(xiàn)DCS或者遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)Modbus RS485通信的參考：

（1）硬件方面，在使用Modbus協(xié)議時(shí)，計(jì)算機(jī)與S7-200之間通信直接使用PPI通信電纜即可；但如果通信距離較遠(yuǎn)，或者需要將多個(gè)S7-200連接到一個(gè)通信總線上時(shí)，可以通過圖6的方法配置通信鏈路。

圖6 通信距離較遠(yuǎn)時(shí)通信鏈路的配置方法

（2）軟件方面，調(diào)用Modbus通信初始化命令（見圖7（a）），或調(diào)用 Modbus從機(jī)通信命令（見圖7（b））。

在完成前面兩個(gè)指令調(diào)用后，還要為庫指令使用的符號(hào)分配內(nèi)存。當(dāng)庫指令被插入到主程序塊中，在導(dǎo)航樹“程序塊”下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“庫”節(jié)點(diǎn)。在“庫”節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇“庫存儲(chǔ)區(qū)”，進(jìn)入“庫存儲(chǔ)區(qū)分配”對(duì)話框（見圖8）。

圖7 調(diào)用Modbus通信命令

圖8 庫存儲(chǔ)區(qū)分配

在地址框中輸入分配內(nèi)存的開始地址，或者通過點(diǎn)擊“建議地址”按鈕自動(dòng)分配內(nèi)存。注意：分配的內(nèi)存不要與已使用的內(nèi)存重疊。

5 出現(xiàn)的問題及解決方案

5.1 強(qiáng)制吹灰功能的實(shí)現(xiàn)

由于煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器（GGH）本身是扁圓柱形的，正常工作時(shí)它圍繞圓心（軸）不停地旋轉(zhuǎn)，吹灰槍吹掃的表面正好是GGH的上、下圓表面，吹灰器步進(jìn)停止的時(shí)間在GGH表面吹了一個(gè)圓。吹灰器從起吹位置步進(jìn)到前進(jìn)到位行程開關(guān)，吹灰面積實(shí)際上由若干個(gè)同心圓組成，從而達(dá)到完全吹掃GGH換熱器上、下表面的要求。這種全伸縮吹灰器使用一段時(shí)間后卻發(fā)現(xiàn)這樣的問題：GGH圍繞其圓心是勻速旋轉(zhuǎn)的，即半徑上的每一點(diǎn)其角速度是相同的，但線速度有很大差別；GGH最外圈部分由于線速度相對(duì)過快，吹掃效果不理想，如果只是延長停留時(shí)間，那么不但增加了吹灰時(shí)間，而且浪費(fèi)了蒸汽和高壓水，對(duì)最里圈GGH換熱面的壽命還有影響，因此提出強(qiáng)制吹灰的工藝。

選擇強(qiáng)制吹灰功能，吹灰槍到達(dá)起吹位置（GGH最外圈），開始以設(shè)定的強(qiáng)制吹灰步進(jìn)停留時(shí)間（180～300s）開始步進(jìn)吹灰，當(dāng)步進(jìn)到設(shè)定的強(qiáng)制吹灰位置，吹灰槍再以正常的步進(jìn)停留時(shí)間（50～70s）步進(jìn)吹灰，這樣就可以加強(qiáng)外圈吹灰而不增加里圈的吹灰工作量。

5.2 操作屏的升級(jí)

HMI最初為OP170B，后OP170B只作為備件銷售，因此選用了OP177B操作屏，OP177B比OP170B增加了觸摸功能，但是減少了數(shù)字和字母鍵（由觸摸實(shí)現(xiàn)），外觀樣式與OP170B接近，原來HMI畫面只要做小的修改即可使用。OP177B也可以代替OP170B使用。

6 結(jié)語

煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器全伸縮吹灰器在原來GGH全伸縮吹灰器的操作工藝基礎(chǔ)上，增加了手動(dòng)功能，大大方便了單臺(tái)設(shè)備的調(diào)試和維修；操作界面設(shè)計(jì)為中文也大大方便了操作者；增加了前進(jìn)到位行程開關(guān)，加強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性；增加了強(qiáng)制吹灰功能，大大提高了GGH的吹灰效果；增加了冷態(tài)選擇功能，便于變送器故障或者流量開關(guān)故障時(shí)臨時(shí)吹灰操作；增加了系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位按鈕，防止部分邏輯無法復(fù)位影響吹灰運(yùn)行。該系統(tǒng)目前已在國內(nèi)多家電廠應(yīng)用。

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