基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制研究

嚴(yán)錦玉，王幼民，徐彬雪，馬飛紅，萬(wàn)　鵬（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖　241000）

基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制研究

嚴(yán)錦玉，王幼民?，徐彬雪，馬飛紅，萬(wàn)鵬
（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)中，吸收塔工藝水（循環(huán)漿液）的酸堿度（p H值）控制是通過人工調(diào)節(jié)石灰石漿液流量來(lái)控制.針對(duì)這種控制工藝水p H值的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于STM32控制器的脫硫除塵工藝水p H值自動(dòng)控制方案.首先分析了石灰石漿液流量與吸收塔循環(huán)漿液p H值的大小關(guān)系，提出了p H值控制方案.然后設(shè)計(jì)了整個(gè)p H值控制系統(tǒng)的硬件方案，選定了控制芯片STM32F103RCT6和開發(fā)板，又基于Keil MDK和ST固件函數(shù)庫(kù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì).最后采用了一套模擬酸堿中和反應(yīng)過程的試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證該脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng).基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系統(tǒng)能夠很好地維持吸收塔漿液p H值穩(wěn)定，且自動(dòng)化程度高，對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)有著重要的研究?jī)r(jià)值.

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫；漿液p H值控制；石灰石漿液流量；STM32；自動(dòng)控制方案

在眾多的煙氣脫硫技術(shù)中，濕法脫硫裝置占85%左右，而其中占絕對(duì)統(tǒng)治地位的石灰石-石膏法從目前來(lái)看技術(shù)最成熟，且實(shí)用率達(dá)到90%以上［1］.吸收塔工藝水（循環(huán)漿液）的p H值對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫有著至關(guān)重要的影響，不但影響SO2的吸收速度及系統(tǒng)的脫硫效率，而且對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)垢、石灰石的溶解及產(chǎn)物的析出也有很大影響.因此，維持吸收塔漿液的p H值在合適范圍內(nèi)顯得尤為重要.

吸收塔漿液p H值控制系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)流入吸收塔內(nèi)石灰石漿液的流量來(lái)保證p H值.目前，吸收塔漿液的p H值控制方案是將石灰石漿液p H測(cè)量值送到控制器后，與設(shè)定值比較，通過人工調(diào)節(jié)石灰石漿液調(diào)節(jié)閥門的開度，使吸收塔內(nèi)漿液p H值等于設(shè)定值.這種調(diào)節(jié)流量大小的方式具有隨機(jī)性和較低的可靠性，且調(diào)節(jié)閥有時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，長(zhǎng)期在腐蝕環(huán)境下工作容易損壞，給正常工作帶來(lái)隱患.

設(shè)計(jì)一種新型的p H值自動(dòng)控制方案，當(dāng)吸收塔漿液p H值發(fā)生變化時(shí)，p H計(jì)將檢測(cè)值反饋給系統(tǒng)控制器，與設(shè)定的理想p H值比較后，控制器輸出脈沖命令給伺服驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)速度，使得進(jìn)入吸收塔中的石灰石漿液流量發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)了吸收塔漿液工藝水的p H值，保證其p H值恒定.

1　p H值與石灰石漿液流量的關(guān)系

引起吸收塔漿液p H值變化的主要因素包括進(jìn)入吸收塔中的煙氣流量、SO2的濃度及與其進(jìn)行中和反應(yīng)的石灰石漿液的流量.由于燃煤的含硫量變化不是很大，所以煙氣中SO2濃度變化通常也不大.當(dāng)煙氣流量增大時(shí)，進(jìn)入吸收塔的SO2變多，使得p H值降低，反之則增大.通常煙氣量浮動(dòng)較大，可作為外界干擾因素.而對(duì)于石灰石漿液吸收SO2這個(gè)酸堿中和反應(yīng)來(lái)說(shuō)，石灰石漿液流量的變化將是影響循環(huán)漿液p H值變化最主要的因素［2］.因此，石灰石漿液的濃度和供給量的變化是引起吸收塔循環(huán)漿液p H值變化的主要因素.

利用物理化學(xué)方法，對(duì)25℃下的石灰石濕法煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了分析［3-4］：

SO2被吸收反應(yīng)：

由電荷平衡關(guān)系有：

吸收劑溶解和中和反應(yīng)：

這里煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)為15%，分壓P（CO2）為1.5×104Pa，有關(guān)常數(shù)如下：

由電荷平衡關(guān)系有：

所以總的離子反應(yīng)式為：

根據(jù)上面敘述的各個(gè)階段的離子反應(yīng)，可以得到石灰石漿液流量與吸收塔漿液p H值的關(guān)系式為：

代入以上數(shù)據(jù)可以得到：

Ca的相對(duì)原子質(zhì)量為40，離子濃度的單位是mol/L，參考文獻(xiàn)［1］設(shè)定石灰石的密度為1 120 kg/m3.石灰石漿液流量用Q表示，單位為m3/h，由式（1）便可以建立起p H值與石灰石流量的關(guān)系為：

由式（2）可知，吸收塔循環(huán)漿液的p H值是隨著石灰石漿液流量的變化而變化的，因此，采用調(diào)節(jié)石灰石漿液流量來(lái)控制循環(huán)漿液p H值的方法是可行的.

2　基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)如圖1所示.由圖1可知，系統(tǒng)通過控制調(diào)節(jié)石灰石漿液的流量來(lái)控制工藝水的p H值，從而達(dá)到控制酸堿中和反應(yīng)的速度，最終達(dá)到工藝水的排放要求［6］.

圖1　脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)硬件方案框圖

設(shè)計(jì)的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)是一種以STM32F103RCT6為核心芯片的控制系統(tǒng).STM32F103RCT6的主頻是72 M Hz，采用LQFP64封裝，片內(nèi)FLASH容量為256 K，SRAM容量為48 K.可采用2.0～3.6 V電壓供電，擁有3個(gè)12位AD，1 us轉(zhuǎn)換時(shí)間，多達(dá)21個(gè)輸入通道，轉(zhuǎn)換范圍為0～3.6 V.112個(gè)多功能雙向的I/O口，所有I/O口可以影像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5 V信號(hào).多達(dá)4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入.同時(shí)接口豐富，有USART、SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口等.調(diào)試模式有串行單線調(diào)試、JTAG接口、Cortex-M3內(nèi)嵌跟蹤模塊.

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)包括以STM32F103RCT6微控制器為核心的硬件控制電路、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)以及離心泵.硬件控制電路向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖指令，伺服驅(qū)動(dòng)器則根據(jù)接收到的指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與電機(jī)軸聯(lián)接的離心泵一起旋轉(zhuǎn)起來(lái).其中，硬件控制電路包括電源電路、USB電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG電路和反饋采樣電路［7］.由于p H計(jì)輸出的信號(hào)是4～20 m A電流信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)處理電路，并將其運(yùn)用在控制器開發(fā)板上，用來(lái)接收p H計(jì)的實(shí)時(shí)反饋信號(hào).這種反饋采樣電路圖如圖2所示.由圖2可知，p H值采樣反饋電路可以將輸入4～20 m A電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出0.66～3.3 V電壓信號(hào)，該電路由一階RC濾波電路和電壓跟隨電路構(gòu)成，R5A為165Ω電阻，C3A為100 u F的極性電容，起到隔離和濾波的作用.LM358為運(yùn)算放大器，這個(gè)輸出的電壓信號(hào)就可以作為STM32芯片ADC模塊的模擬輸入信號(hào)［8］.

2.2脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)選用的是STM32F103RCT6控制芯片，采用Keil MDK作為程序開發(fā)環(huán)境.為了軟件開發(fā)方便，使用ST公司的固件函數(shù)庫(kù)輔助編程.同時(shí)使用了ST公司的ST-LINK作為仿真器和燒寫工具，實(shí)現(xiàn)程序在開發(fā)板上的調(diào)試與下載功能.

圖2　反饋采樣電路圖

脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)所要達(dá)到的控制效果是能夠?qū)⑽账袧{液的酸堿度值維持在一個(gè)理想水平值.由于吸收塔中化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，使得吸收塔中的p H值處在一個(gè)時(shí)變的過程中，所以加入吸收塔中的石灰石漿液也要跟隨這個(gè)過程.因此，采用STM32控制伺服電機(jī)的速度來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入吸收塔內(nèi)部的石灰石漿液的流量.使用STM32的定時(shí)器3的PWM模式，使得通道1發(fā)出脈沖系列到GPIOA的 PA6口，進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖接口來(lái)控制伺服電機(jī)的速度，其程序流程圖如圖3所示.由圖3可知，系統(tǒng)初始化程序包括定時(shí)器TIM的配置、GPIO口的配置、ADC的配置、中斷優(yōu)先級(jí)的配置、延時(shí)函數(shù)的配置、通信口的配置等.中斷服務(wù)程序就是定時(shí)采樣ADC程序，實(shí)時(shí)檢測(cè)p H值的大小，根據(jù)p H值的判斷值來(lái)改變PWM的輸出脈沖系列.當(dāng)p H值比理想值小時(shí)，增大PWM頻率，增加伺服電機(jī)的速度；當(dāng)p H值比理想值大時(shí)，減小PWM頻率，減少伺服電機(jī)的速度；當(dāng)p H值與理想值相同時(shí)，則保持PWM頻率不變，進(jìn)而返回主程序繼續(xù)執(zhí)行.

采用模塊化編程的方法進(jìn)行系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，這些模塊化程序包括主程序、PWM輸出程序、中斷服務(wù)程序、延時(shí)程序和編碼器速度反饋程序，其中，中斷服務(wù)程序又包括ADC定時(shí)采樣程序及p H值判斷程序［9］.

圖3　基于STM32的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)軟件流程圖

3　脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)試驗(yàn)

驗(yàn)證脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)過程中，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)模擬酸堿中和的反應(yīng)過程，需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：進(jìn)入反應(yīng)容器中的堿性液體的流量是可控的；反應(yīng)容器中酸性液體與堿性液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后排出管道中的液體p H值是可測(cè)可調(diào)節(jié)的.

3.1試驗(yàn)臺(tái)的搭建與試驗(yàn)運(yùn)行

根據(jù)要求選擇型號(hào)為TSB13302C-3NT3C的交流伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器要與伺服電機(jī)配套使用，其型號(hào)為TSTA75C，開關(guān)電源的型號(hào)為XWT S-400-24.伺服系統(tǒng)控制模式采用外部位置命令模式.p H計(jì)型號(hào)為BHZY品牌的PHG-6500型插入式p H計(jì).首先將系統(tǒng)所需元器件按照要求連接好，反復(fù)檢查以確保硬件電路連接是正確的.試驗(yàn)中，在酸堿度反應(yīng)容器排出管道的測(cè)量支路管道上安裝了1臺(tái)插入式p H計(jì)，用來(lái)測(cè)量反應(yīng)容器中溶液的p H值.在搭建試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，首先將STM32開發(fā)板、伺服驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源等元器件按照前文所述的方式連接好放在控制柜中，同時(shí)將p H計(jì)的電流信號(hào)輸出與STM32中GPIO的PA1口連接，PA1口用來(lái)采集外部模擬輸入信號(hào).將伺服控制系統(tǒng)中的伺服電機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器與型號(hào)為宙斯牌40UHB-UF-15-25的離心泵1輸入端連接，離心泵1由220 V ADC電源供電.其中，酸性液體的供給是由交流異步電機(jī)2和離心泵2來(lái)輸送的.交流異步電機(jī)2選擇，型號(hào)為皖達(dá)牌Y2-100L-2，其額定功率為3 KW，額定轉(zhuǎn)速為2 870 r/min.離心泵2型號(hào)為宙斯牌40UHB-UF-15-25.反應(yīng)液體的排出也是由交流異步電機(jī)3和離心泵3來(lái)輸送的，其型號(hào)與酸性液體的供給回路是一樣的.交流異步電機(jī)3型號(hào)選擇皖達(dá)牌Y2-100 L-2，離心泵3型號(hào)為宙斯牌40UHB-UF-15-25.整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的硬件連線如圖4所示［10］.

設(shè)計(jì)的脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)中，將各個(gè)元器件插上電源，并設(shè)定好初始參數(shù).在控制系統(tǒng)軟件Keil MDK中設(shè)置理想p H值參數(shù)為5.5，同時(shí)設(shè)置STM32的定時(shí)器自動(dòng)重裝值為719，分頻系數(shù)為49，將Keil MDK編程軟件中的程序向STM32開發(fā)板中燒錄進(jìn)去，使用STM32的GPIOA的PA6口發(fā)送控制脈沖到伺服驅(qū)動(dòng)器，外部模擬采樣信號(hào)即為p H值電流信號(hào)通過STM32的GPIOA中PA1口進(jìn)入STM32控制芯片，由此整個(gè)系統(tǒng)可以按照Keil MDK中設(shè)定的程序運(yùn)行.

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，每隔1 min對(duì)p H計(jì)上顯示的p H數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與此同時(shí)，實(shí)時(shí)觀察控制軟件Keil MDK中的軟件參數(shù)PSC，這樣可以建立p H值與時(shí)間t的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)與理想p H值建立比對(duì)關(guān)系，其數(shù)據(jù)圖形如圖5所示.由圖5可知，在時(shí)間為0～1 min內(nèi)，系統(tǒng)中由于只有酸性液體回路運(yùn)行，且反應(yīng)液體的排出回路關(guān)閉，所以p H計(jì)采集數(shù)據(jù)為0.當(dāng)1 min過后，反應(yīng)液體的排出回路和堿性液體供給回路開啟，p H值開始上升，到2 min時(shí)，p H值上升至7左右，這時(shí)在STM32控制器的程序處理下，一旦檢測(cè)的p H值與理想p H值5.5不同時(shí)，隨即改變定時(shí)器的分頻系數(shù)，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和離心泵輸出流量，使得重新檢測(cè)的p H值與理想p H值一致，因此，圖5中1 min過后會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，但在5 min左右，檢測(cè)到的p H值維持在5.5上，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定.該脫硫除塵控制系統(tǒng)在沒有干擾的情況下能有效地達(dá)到p H值穩(wěn)定的效果.

圖4　試驗(yàn)臺(tái)硬件接線圖

圖5　系統(tǒng)p H值與時(shí)間t的關(guān)系圖

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于STM32的脫硫除塵工藝水p H值自動(dòng)控制方案，分析了石灰石漿液流量與吸收塔循環(huán)漿液p H值的大小關(guān)系，并建立了數(shù)學(xué)模型.然后基于控制芯片STM32F103RCT6對(duì)整個(gè)p H值控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件及軟件程序設(shè)計(jì).最后采用了一套模擬酸堿中和反應(yīng)過程的試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了脫硫除塵工藝水酸堿度控制系統(tǒng).基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)p H值，將信號(hào)反饋給上位機(jī)控制器，與設(shè)定值比較后，上位機(jī)控制器發(fā)出控制指令以調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的速度，從而調(diào)節(jié)石灰石漿液的流量來(lái)控制工藝水漿液的p H變化，能夠很好地維持吸收塔p H值恒定，對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)有著重要研究?jī)r(jià)值.該p H值控制系統(tǒng)能夠改善由儀器檢測(cè)p H值及由人工手動(dòng)調(diào)節(jié)石灰石漿液流量的繁瑣，有效地節(jié)省了成本，提高了自動(dòng)化程度，且具有顯著的節(jié)能效果，在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

［1］邊小君.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化及其對(duì)鍋爐的影響［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［2］唐立學(xué).脫硫系統(tǒng)p H值控制的過程辨識(shí)及控制器設(shè)計(jì)［D］.保定：華北電力大學(xué)，2008.

［3］李仁剛，管一明，周啟宏，等.p H值對(duì)濕式石灰石煙氣脫硫傳質(zhì)反應(yīng)特性的影響［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2002，18（4）：10-12.

［4］侯慶偉，石榮桂，李永臣，等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的p H值及控制步驟分析［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，35（5）：41-44.

［5］楊志寧，張北波.p H計(jì)和溶氧儀在污水處理中的應(yīng)用［J］.甘肅科技，2006，22（4）：126-127.

［6］劉向東.濕法脫硫p H值控制系統(tǒng)的分析與改進(jìn)［J］.技術(shù)交流與應(yīng)用，2009，10（4）：70-72.

［7］孔康.基于STM32的永磁同步電機(jī)的控制［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2013.

［8］程繼存，李業(yè)德.基于C8051F單片機(jī)的流量計(jì)設(shè)計(jì)［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，22（5）：98-100.

［9］武玉婷.基于STM32的交流永磁同步電機(jī)伺服控制技術(shù)的研究［D］.西安：西安工程大學(xué)，2012.

［10］王宇.離心泵的流量調(diào)節(jié)與節(jié)能控制［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34（3）：234-237.

Control on Process Water p H Value of Desulphurization and Dust Removal Based on STM32

YAN Jin-yu，WANG You-ming?，XU Bin-xue，MA Fei-hong，WAN Peng
（College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

In the technical process of limestone-gypsum wet flue gas desulphurization（WFGD）technology，the slurry p H value in absorber tower was controlled through manual adjustment of the flow rate of limestone slurry.On account of the defect of slurry p H value control，the automatic control project of process water p H value of desulphurization and dust removal based on STM32 was designed in this paper.Starting from limestone-gypsum wet flue gas desulphurization technical process，the relationship between the flow rate of limestone slurry and recirculation slurry p H value in absorber tower was emphatically analyzed，meanwhile，the p H value control plan was proposed.In the flowing，this paper presented the hardware solution of entire p H value control system，including the control chip（STM32F103RCT6）and development board.After that，the entire program of control system was developed based on Keil MDK and ST firmware library.Finally，a set of simulated test of acid-base neutralization reaction device was adopted to verify the control project of process water p H value of desulphurization and dust removal.This system can maintain slurry p H value in absorber tower stability well，which demonstrates higher level of automation，has great research value to the limestone-gypsum wet flue gas desulphurization system.

limestone-gypsum wet flue gas desulphurization；slurry p H value control；flow rate of limestone slurry；STM32；automatic control project

TP273

A

1672-2477（2016）04-0047-05

2016-04-27

安徽省科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目（12010402105）

嚴(yán)錦玉（1989-），男，安徽安慶人，碩士研究生.

王幼民（1964-），男，湖北孝感人，教授，碩導(dǎo).