PLC 控制系統(tǒng)在脫硫工藝中的應(yīng)用

楊慧民

（金牛天鐵煤焦化有限公司，河北 邯鄲 056404）

引言

金牛天鐵煤焦化有限公司焦?fàn)t煤氣采用了真空碳酸鉀工藝脫硫，塔后的指標(biāo)不能滿足國家環(huán)保要求，因此我們要對該生產(chǎn)工藝進行改造，擬在現(xiàn)有的真空碳酸鉀工藝裝置后串聯(lián)新建一套絡(luò)合鐵精脫硫及硫膏離心機處理裝置，將煤氣中H2S 從真空碳酸鉀脫硫裝置后的含量（質(zhì)量濃度）從1 500 mg/m3脫除到20 mg/m3以下。新增的煤氣脫硫裝置擬采用以碳酸鈉為堿源的煤氣脫硫工藝及裝置。當(dāng)真空碳酸鉀脫硫裝置要進行檢修時，新增的脫硫裝置可保證煤氣中H2S含量（質(zhì)量濃度）由7 000 mg/m3降至300 mg/m3。本工藝為環(huán)保項目，工藝內(nèi)產(chǎn)生的少量廢氣，采用了如下的防范措施：煤氣脫硫過程中產(chǎn)生含微量硫泡沫的廢氣，自再生槽出來由風(fēng)機引至尾氣洗滌塔用碳酸鈉溶液洗滌后排放。投用GLT 絡(luò)合鐵催化劑后，脫硫系統(tǒng)不外排廢液，更不需要提鹽裝置。本工藝采用焦?fàn)t煤氣脫硫的專利工藝，具有工藝流程短，設(shè)備集成度高、運行費用低、占地面積小、工程投資低等特點。為了滿足工藝生產(chǎn)要求，提高經(jīng)濟效益，本次工藝設(shè)計了較完善的檢測和控制項目，利用原有中控室，新建PLC自動控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控畫面，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行情況的實時監(jiān)測，保障了生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性及質(zhì)量要求，使得該精脫硫系統(tǒng)得以連續(xù)穩(wěn)定地運行[1]。

1 硬件及軟件設(shè)計

1.1 硬件配置

PLC 作為整個精脫硫工藝系統(tǒng)的核心大腦，要求系統(tǒng)實現(xiàn)對煤氣脫硫工藝各項設(shè)備的數(shù)據(jù)信號監(jiān)測和自動控制，保證機組的安全和經(jīng)濟運行。通過光纖通訊的方式在控制室內(nèi)操作。為滿足該要求，我們對此系統(tǒng)將采用SIMATIC S7 系列的PLC，本系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌，電源模塊，中央處理器，數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊組成。

西門子PLC 的家族非常龐大，有小型的、中型的、大型的PLC，小型如S7-200 系列PLC、中型如S7-300 系列、大型如S7-400 系列，為了滿足高速數(shù)字量處理，多功能協(xié)議轉(zhuǎn)換口，運動控制，功能冗余等強大的功能，該脫硫系統(tǒng)采用了S7-1500 系列的PLC。CPU 1515-2 PN 是適用于大中型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)型CPU 模塊。該模塊是數(shù)據(jù)存儲器及大容量程序的CPU，集成強大的網(wǎng)絡(luò)連接，響應(yīng)時間短，指令處理速度快等功能。模擬量輸入模塊采用的是多功能模塊，不僅可以輸入電流、電壓信號，還能夠輸入電阻信號測量溫度。

1.2 硬件控制功能

該系統(tǒng)自動控制的所有控制要求都只能通過系統(tǒng)的PLC 模塊控制來實現(xiàn)，如要監(jiān)控現(xiàn)場儀表設(shè)備生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，則需要通過模擬量輸入模塊來將模擬量信號轉(zhuǎn)換成CPU 內(nèi)部的數(shù)字信號，再把CPU發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的模擬量信號通過模擬量輸出模塊發(fā)送給現(xiàn)場儀表變送器。如要控制現(xiàn)場電氣設(shè)備的啟動及停止，則需將現(xiàn)場傳來的繼電器通斷信號通過數(shù)字量輸入模塊來轉(zhuǎn)換成PLC 內(nèi)部二進制信號，再將內(nèi)部信號通過數(shù)字量輸出模塊給到現(xiàn)場電氣設(shè)備進行啟動或停止的命令信號。

PLC 的通訊方式有PPI 協(xié)議通訊，RS485 串口通訊，以太網(wǎng)通訊、MPI 通訊、MODBUS 通訊，PROFINET通訊和PROFIBUS-DP 通訊，本系統(tǒng)采用了基于CPU自身的PROFINET 通訊，其完全兼容了現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

1.3 軟件配置

該系統(tǒng)的上位機采用了雙硬盤熱插拔雙網(wǎng)卡的研華科技工控機，其中精脫硫設(shè)有一個工程師站，一個中控室操作站。兩臺上位機之間是通過以太網(wǎng)（TCP/IP）來進行通信的，并采用光纖通訊技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳給企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)的管理者。兩臺監(jiān)控站之間采用了冗余結(jié)構(gòu)。上位機的操作系統(tǒng)都是以Windows10 系統(tǒng)為平臺，采用的是西門子博途軟件V15 來為編寫數(shù)據(jù)采集和自動控制程序，其選用的是西門子視窗控制WinCC7.4 版本作為本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件。WinCC 是西門子最經(jīng)典的過程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在線實時遠程監(jiān)控，連鎖控制，遠程操作，數(shù)據(jù)歸檔，故障報警等多種功能。

1.4 上位機軟件控制功能

WinCC 是一個自動化控制上位機組態(tài)軟件，其主要的功能就是利用各種通訊協(xié)議來與現(xiàn)場的儀表電氣設(shè)備交換數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)現(xiàn)場的重要參數(shù)以通俗直觀的圖像數(shù)字的方式顯示在計算機的屏幕上，以便于操作間的操作人員對現(xiàn)場的設(shè)備進行控制。IO 控制如控制泵的啟動停止，羅茨風(fēng)機的啟動停止，調(diào)節(jié)閥開度的給定，變頻器頻率給定，上位機軟件可以把現(xiàn)場設(shè)備有動作時的情況真實的反映在畫面上，風(fēng)機的溫度，電流，塔后出口壓力，液位槽的液位高度，調(diào)節(jié)閥的開度都能以數(shù)字的形式顯示在畫面上，設(shè)備的運行情況可以經(jīng)畫面設(shè)備的顏色變化來反饋該設(shè)備是否在運行狀態(tài)，從而可以減少了崗位操作人員許多在現(xiàn)場的實際操作，大大節(jié)省了崗位人員的勞動量，同時又節(jié)省了時間，空間。WinCC 軟件可以實時反饋現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時，WinCC 可以提示響應(yīng)的報警文本以及發(fā)出報警聲音[2]。

2 工藝過程及控制方式

2.1 工藝過程

從真空碳酸鉀脫硫裝置來的焦?fàn)t煤氣進入脫硫塔下部，并沿脫硫段自下而上與頂部噴灑的脫硫液逆流接觸，進行液相催化氧化的化學(xué)吸收過程，將煤氣中的大部分硫化氫吸收在脫硫液中。為了保持一定的催化劑濃度并盡量減少其耗量，采用了連續(xù)補加少量堿液及催化劑的措施。GLT 絡(luò)合鐵脫硫催化劑具有硫容量高、再生反應(yīng)速率快、選擇性高、催化劑穩(wěn)定性高、噸硫磺的催化劑消耗量低等優(yōu)點。吸收了硫化氫后的脫硫液通過塔底煤氣液封設(shè)施，自流到再生槽的頂部，通過噴射器與風(fēng)機輸送的空氣接觸，進行氧化再生，再生后的脫硫液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)自流到脫硫塔底部循環(huán)槽，由脫硫液循環(huán)泵打至脫硫塔頂，循環(huán)使用。脫硫后煤氣中的硫化氫含量達標(biāo)。從再生槽溢流出來的硫泡沫自流到硫泡沫槽，用硫泡沫泵打入離心機，分離出的清液自流返回脫硫系統(tǒng)，離心后的泡沫外運。經(jīng)過硫泡沫以及碳酸鈉等物料的倒運工具來搬運。新增的配堿槽及配堿泵，配堿可采用脫硫液或工業(yè)新水，通過堿泵循環(huán)攪拌后打至脫硫液循環(huán)泵入口。配堿槽由機械攪拌裝置來對其進行攪拌。脫硫過程中產(chǎn)生含空氣和硫泡沫的廢氣，脫硫再生廢氣量約5 000 m3/h，經(jīng)過尾氣洗滌塔，采用堿液對尾氣進行洗滌，洗滌后的尾氣滿足國家排放要求。回收的硫膏由人工清理及裝袋運輸，防止污染環(huán)境。

2.2 控制方式

系統(tǒng)控制現(xiàn)場設(shè)備旁設(shè)有機旁控制，具有遠程就地按鈕，當(dāng)該按鈕打在遠程時，中控室人員通過上位機監(jiān)控畫面可以對設(shè)備進行控制，但當(dāng)打在檢修或者就地的情況時，就地操作時，復(fù)位自動條件，聯(lián)鎖程序解除，上位機不可控制現(xiàn)場設(shè)備。只能由機旁控制按鈕來對設(shè)備進行相應(yīng)的操作，防止突發(fā)情況。

由PLC 系統(tǒng)控制的所有現(xiàn)場設(shè)備泵均采用一開一備，系統(tǒng)程序設(shè)有聯(lián)鎖自動啟停和故障自動停車的功能，當(dāng)其中一臺泵運行出現(xiàn)故障時，PLC 將給其發(fā)送停車信號，使其停車，并對另一臺備用泵發(fā)送啟動信號使其自動啟動運行，如脫硫液循環(huán)泵，堿自吸泵，催化計量泵等，以保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和工藝穩(wěn)步生產(chǎn)，若兩臺泵均啟動不成功，沒有反饋信號，短暫的三秒延時后將置位故障信號，停止啟動信號，發(fā)出報警聲音，并在畫面上出現(xiàn)報警信息，該泵的控制系統(tǒng)將停止運行。此時需要及時聯(lián)系崗位人員及檢修人員查找原因并恢復(fù)。

羅茨風(fēng)機由變頻器來控制其運轉(zhuǎn)速度，其本體由風(fēng)扇和電機兩部分組成，當(dāng)打到遠程信號時，中控室給出羅茨風(fēng)機啟動脈沖命令后，風(fēng)機運行，在一定時間內(nèi)如果監(jiān)測不到運行信號則發(fā)生故障，則上位機報警，羅茨風(fēng)機變頻器的頻率可以手動給定調(diào)節(jié)，當(dāng)羅茨風(fēng)機的風(fēng)扇或者電機故障時，自動停車，上位機則有報警信息及報警聲音。其中羅茨風(fēng)機有三相溫度，軸承溫度和非軸承溫度的測點，通過PLC 模擬量模塊，顯示在畫面上溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并參與聯(lián)鎖，當(dāng)其三相溫度超過100 ℃時，羅茨風(fēng)機聯(lián)鎖停車，當(dāng)兩臺風(fēng)機同時停止后會使其高壓電柜跳閘以保護控制線路。

現(xiàn)場設(shè)備的溫度，液位都有一個生產(chǎn)的正常范圍，當(dāng)其一旦超出該范圍，或者低于該范圍都是不正常的，上位機應(yīng)該出現(xiàn)報警，由于現(xiàn)場工藝的多變性，其范圍設(shè)定可以讓中控室操作人員來進行上下限的設(shè)定，程序里設(shè)有DB 塊地址和實際數(shù)據(jù)進行比較，畫面輸入輸出域掛載DB 塊地址變量，可以輸入，當(dāng)超出范圍上位機則產(chǎn)生報警聲音和畫面閃爍來告知監(jiān)控人員。系統(tǒng)還可以對硬件故障進行自動診斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常進行報警，提醒操作人員故障，及時消除故障，避免連鎖停車，為安全生產(chǎn)提供保障。主要檢測的點位有：入脫硫塔煤氣溫度，出脫硫塔煤氣溫度，脫硫塔底部循環(huán)槽溫度，羅茨風(fēng)機出口氣體溫度，硫泡沫槽溫度，脫硫塔煤氣壓力的檢測，出脫硫塔煤氣壓力的檢測，脫硫液循環(huán)泵出口壓力的檢測，脫硫塔頂溶液入口壓力的檢測，羅茨風(fēng)機出口氣體壓力的檢測，脫硫液循環(huán)泵出口流量的檢測，羅茨風(fēng)機出口氣體流量的檢測，脫硫塔底部循環(huán)槽液位的檢測，脫硫塔頂再生槽液位，溶液中間槽液位的檢測，催化劑槽液位的檢測，配堿槽液位的檢測，地下放空槽液位的檢測，脫硫塔上部液位的檢測，硫泡沫槽液位的檢測，洗塔底部循環(huán)槽液位的檢測。由于液位和流量的波動性，所以程序中流量和液位報警時均設(shè)置延遲10 s 才置為報警信號，報警信號傳遞給WinCC，產(chǎn)生聲音報警。溫度較為穩(wěn)定，故報警沒有設(shè)置延時，實時產(chǎn)生報警信號。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，應(yīng)將機旁操作打到就地，中控人員應(yīng)將故障設(shè)備打到單動，換另一臺設(shè)備進行生產(chǎn)，避免設(shè)備突然啟動造成事故發(fā)生。故障排除后經(jīng)確認方可投入遠程和聯(lián)鎖。

聯(lián)鎖條件是工藝系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)要求設(shè)有的連鎖條件，如溶液循環(huán)泵與脫硫塔底低液位聯(lián)鎖，當(dāng)脫硫塔液位低于設(shè)定下限時，循環(huán)泵自動停止運轉(zhuǎn)；地下放空槽液位與液下泵聯(lián)鎖，當(dāng)?shù)叵路趴詹垡何坏陀谠O(shè)定下限值時自動停泵，當(dāng)?shù)叵路趴詹垡何桓哂谠O(shè)定上限值時自動啟泵，風(fēng)機溫度高于程序設(shè)定值會自動停止運行，保障設(shè)備和現(xiàn)場安全。

上位機中所有數(shù)據(jù)都有歸檔在數(shù)據(jù)庫，并且采集的溫度、液位、壓力和流量等數(shù)據(jù)，都具有歷史曲線的設(shè)定，歷史工藝數(shù)據(jù)以及報警消息都會保存在數(shù)據(jù)庫中，以分段壓縮形式儲存，用戶不方便直接讀取數(shù)據(jù)庫，要用WinCC 訪問數(shù)據(jù)時才會自動合并并分段解壓縮數(shù)據(jù)，擁有數(shù)據(jù)歸檔，以便于分析故障原因及生產(chǎn)記錄的反饋，而歷史曲線能夠直觀地反映出生產(chǎn)情況。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)在查閱大量的相關(guān)資料和現(xiàn)場勘察后對硬件設(shè)備進行了選型，選擇了S7-1500 系列與WinCC7.4相結(jié)合的設(shè)計。構(gòu)建了脫硫工藝監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動控制。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集，順序控制的功能，系統(tǒng)的運行和啟停在上位機上可以完成，節(jié)省人力資源，該系統(tǒng)投放后運行穩(wěn)定，不僅創(chuàng)造了可觀的價值收益，還實現(xiàn)了實時監(jiān)測排放數(shù)據(jù)，保護環(huán)境的目的。