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    由于我國(guó)絕大多數(shù)火電廠采用的燃料是煤，其帶來(lái)的嚴(yán)重后果是大量SO2氣體對(duì)外排放，造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染。根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)有關(guān)問題的批復(fù)》，對(duì)火電廠二氧化硫排放提出了明確要求，即要求“兩控區(qū)”的火電廠做到：到2000年底達(dá)標(biāo)排放；新建、改造燃煤含硫量大于1%的電廠，必須建設(shè)脫硫設(shè)施；現(xiàn)有燃煤含硫量大于1%的電廠，要在2000年前采取減排措施；在2010年前分期分批建成脫硫設(shè)施或采取其他具有效果的減排二氧化硫措施。因而對(duì)煙氣脫硫工藝過程控制系統(tǒng)的研究成為我國(guó)當(dāng)前一個(gè)緊迫和重要的問題。
    本文闡述了在構(gòu)建煙氣脫硫工藝過程控制系統(tǒng)中，一種將FCS與DCS相結(jié)合的控制系統(tǒng)，也就是基于PROFIBUS總線技術(shù)的FDCS[2]，取代了傳統(tǒng)的DCS分散控制系統(tǒng)。探討了基于PROFIBUS總線的火電廠煙氣脫硫過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 石灰石-石膏濕法脫硫工藝簡(jiǎn)介

    石灰石-石膏濕法脫硫工藝采用價(jià)廉物美的石灰石或石灰作為脫硫吸收劑，石灰石經(jīng)破碎磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌制成吸收劑，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。在脫硫塔內(nèi)，吸收劑與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2首先被吸收劑中的水吸收然后與吸收劑中的碳酸鈣（CaCO3）反應(yīng)生成CaSO3, CaSO3被鼓入的空氣中的O2氧化，最終生成石膏晶體（CaSO4. H2O）。其主要化學(xué)反應(yīng)式為：

吸收過程：SO₂+ H₂OH₂SO₃   = HSO₃^- + H⁺  ; CaCO₃ + 2H⁺Ca²⁺ + CO₂+H
氧化過程：HSO₃^- +1/2 O₂SO4^2- +H⁺   ;  Ca²⁺ + SO₄^2- + H₂OCaSO₄. H₂O

    石灰石-石膏濕法脫硫是目前世界上技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣、運(yùn)行最可靠的方法，已成為世界FGD的主導(dǎo)。應(yīng)用該脫硫工藝的機(jī)組占電廠脫硫總裝機(jī)容量的90%，應(yīng)用的最大單機(jī)容量已達(dá)到1000MW。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    整個(gè)煙氣脫硫過程控制系統(tǒng)邏輯上按照三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：過程控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)、上一級(jí)監(jiān)控和管理級(jí)。其功能包括數(shù)據(jù)采集和處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）以及保護(hù)、聯(lián)鎖、報(bào)警等。 

2.1 過程控制級(jí)
    控制級(jí)中主要采用PLC和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器）控制生產(chǎn)過程，另采用智能儀表采集現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、流量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的差值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使被控量自動(dòng)穩(wěn)定于設(shè)定值；當(dāng)需要人為干預(yù)時(shí)，可采用開環(huán)控制，控制室內(nèi)操作人員可通過調(diào)整控制值來(lái)保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，可由現(xiàn)場(chǎng)操作人員直接對(duì)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，即通過手動(dòng)控制以確保整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、有效運(yùn)行。過程控制級(jí)的控制范圍包括：
    （1）脫硫塔循環(huán)水量控制；
    （2）循環(huán)池、鈉堿池、氧化池、泥漿池、電石渣漿化池濃度及液位控制；
    （3）泥漿泵、循環(huán)泵、變頻泵工作狀態(tài)控制；
    （4）調(diào)節(jié)閥門工作狀態(tài)的控制。過程控制級(jí)與監(jiān)控級(jí)之間通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線按一定的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.2 監(jiān)控級(jí)
    監(jiān)控級(jí)運(yùn)行SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制軟件（監(jiān)控組態(tài)軟件）完成煙氣脫硫系統(tǒng)監(jiān)控與管理以及過程優(yōu)化數(shù)學(xué)模型運(yùn)算。監(jiān)控級(jí)包括： 1臺(tái)工程師站，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，編程和調(diào)試；2臺(tái)操作員站（一主一備），均采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并安裝WinCC6.0監(jiān)控軟件，用于操作人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控范圍包括：
    （1）現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的啟停操作及運(yùn)行狀態(tài)；
    （2）煙氣脫硫控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)；
    （3）脫硫除塵后煙氣中煙塵、SO2排放濃度。

整個(gè)系統(tǒng)功能范圍內(nèi)的全部報(bào)警項(xiàng)目可在顯示器上顯示并可在打印機(jī)上打印，報(bào)警范圍包括：
    （1）脫硫塔入口煙溫過高，出口煙溫過低；
    （2）脫硫塔進(jìn)、出口壓差過大；
    （3）循環(huán)池、鈉堿池、氧化池、泥漿池、電石渣漿化池液位過高或過低；
    （4）pH值調(diào)節(jié)池、循環(huán)池pH值過高或過低；
    （5）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中跳閘；
    （6）煙氣出口含硫、含塵量過高。

2.3 上一級(jí)監(jiān)控和管理級(jí)
    上一級(jí)監(jiān)控和管理級(jí)由實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）和計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)（MIS）兩部分組成。煙氣脫硫控制系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組正常安全生產(chǎn)的一部分，必須與機(jī)組中其它相關(guān)控制系統(tǒng)及管理系統(tǒng)交換生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，必須接受管理系統(tǒng)的生產(chǎn)指令，因此要求煙氣脫硫系統(tǒng)的SCADA控制系統(tǒng)應(yīng)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，工業(yè)以太網(wǎng)是目前工控界最流行的局域網(wǎng)技術(shù)，市場(chǎng)占有率高達(dá)80%。它具有良好的數(shù)據(jù)開放性和擴(kuò)展性，能夠在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下與其它程控系統(tǒng)通訊。本文采用NETDDE方式通過工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。

3 基于PROFIBUS總線技術(shù)的FDCS

3.1 PROFIBUS總線介紹[1]
    PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國(guó)際性的開方式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個(gè)兼容的版本。本文根據(jù)實(shí)際工程的需要選用的是PROFIBUS-DP，其特點(diǎn)有：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分布式I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或4~20mA并行信號(hào)線。用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 FCS與DCS的比較  
    傳統(tǒng)的DCS與新型的FCS的比較：
    （1）DCS是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連入現(xiàn)場(chǎng)總線，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。
    （2）DCS必須整體投資一步到位，事后的擴(kuò)容難度較大。而FCS將功能下放，實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)化。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點(diǎn)低，可以邊用、邊擴(kuò)、邊投運(yùn)。
    （3）FCS由于控制與數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)化，與DCS相比可以節(jié)省大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時(shí)也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用。
    （4）FCS相對(duì)于DCS組態(tài)簡(jiǎn)單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。

3.3 FDCS的特點(diǎn)及其優(yōu)越性[2]
    由于FCS較之DCS更具優(yōu)越性，且煙氣脫硫系統(tǒng)的被控制點(diǎn)很多，分布比較分散，因而FCS將逐步取代DCS。值得一提的是，文中所闡述的控制系統(tǒng)FDCS與理想的FCS是有很大區(qū)別的。理想的FCS應(yīng)該是全數(shù)字化的，即傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號(hào)完全被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)所取代。實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置，而目前市場(chǎng)上的數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置還不夠理想有待完善，且尚無(wú)在火電廠環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的業(yè)績(jī)。由于考慮到實(shí)際工程的需要，本文中所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是保留了DCS部分特點(diǎn)的FCS，也就是FDCS。其特點(diǎn)是：各分布式I/O（ET200M）放置在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)比較集中的位置，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置到分布式I/O仍使用一對(duì)專用的雙絞線，以傳送4~20mA模擬信號(hào)，分布式I/O到中央控制室則采用一根雙絞線完成雙向數(shù)字通信。
    FDCS相對(duì)于傳統(tǒng)的DCS能節(jié)省大量的隔離器件、端子柜、I/ O 卡件、模擬卡件等，簡(jiǎn)化二次接線、節(jié)省大量的控制電纜, 減輕了CT、PT 負(fù)載,減少施工、安裝、維護(hù)工作量,節(jié)省大量的人力、物力資源,從而降低了綜合投資成本。另外,各分布式I/O相互獨(dú)立, 分布式I/O之間通過PROFIBUS-DP總線連接,系統(tǒng)組態(tài)靈活,整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得到很大提高,任一分布式I/O的故障不會(huì)影響其他分布式I/O,縮小了故障范圍，更重要的是，實(shí)現(xiàn)了真正的地理分散，使控制風(fēng)險(xiǎn)幾乎徹底分散。

4 系統(tǒng)硬件組成

    本系統(tǒng)共需108個(gè)開關(guān)量輸入，包括：補(bǔ)水泵狀態(tài)、補(bǔ)水截止閥狀態(tài)、進(jìn)口閘板狀態(tài)、水池高低液位報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警、斗式提升機(jī)狀態(tài)、石灰倉(cāng)高低料位狀態(tài)、給料機(jī)狀態(tài)、脫硫吸收劑輸送泵狀態(tài)、循環(huán)池?cái)嚢铏C(jī)狀態(tài)、循環(huán)泵狀態(tài)、泥漿泵狀態(tài)、煙道閘門狀態(tài)等；74個(gè)開關(guān)量輸出，包括：信號(hào)指示燈、補(bǔ)水泵控制、進(jìn)口閘板控制、斗式提升機(jī)控制、給料機(jī)控制、脫硫吸收劑輸送泵控制、循環(huán)池?cái)嚢铏C(jī)控制、循環(huán)池補(bǔ)水控制、循環(huán)泵控制、泥漿泵控制、煙道閘門控制等；32個(gè)模擬量輸入，包括：pH值大小、脫硫塔出口溫度、脫硫塔出口壓力、脫硫塔阻力、主煙道壓力、主煙道溫度、引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等；8個(gè)模擬量輸出，包括：引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制等。整個(gè)系統(tǒng)有液位控制、pH值的控制、排灰漿控制、噴淋循環(huán)控制等8個(gè)控制部分，其中最重要最關(guān)鍵的是pH值調(diào)節(jié)池pH值的閉環(huán)控制。通過性價(jià)比的市場(chǎng)調(diào)研，本文選用西門子公司的SMATIC S7-300系列PLC，分布式I/O采用ET200M，其模板包括：采集4~20mA模擬信號(hào)的模擬量輸入模板、PT100采集模板、開關(guān)量采集模板、模擬量輸出模板、開關(guān)量輸出模板等。系統(tǒng)硬件配置如表1所示。
    現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過雙絞線傳送4~20mA信號(hào)到分布式I/O（ET200M），分布式I/O再通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線完成與中央控制器（CPU315-2DP）之間的雙向數(shù)字通訊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

表1 系統(tǒng)硬件配置

5系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

5.1 液位自動(dòng)控制
    水池液位控制有兩條基本要求。
    第一, 水池不能過滿,產(chǎn)生溢出。如不這樣,不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失,還會(huì)嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。
    第二，不能流空，產(chǎn)生斷流。否則會(huì)對(duì)煙氣脫硫工藝產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使煙氣脫硫工藝過程無(wú)法正常進(jìn)行。由于受煙氣脫硫工藝流程的影響，液位的變化不是很穩(wěn)定。如果液位控制全憑現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)系統(tǒng)工藝流程，人為地手動(dòng)或電動(dòng)操作水池的進(jìn)出口閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)液位控制，使其液位保持在正常的工作狀態(tài)范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員在工作中就要時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位的變化，不得有半點(diǎn)疏忽，這樣就較大地增加了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且容易發(fā)生事故。因而采用德國(guó)E+H公司的FMU40E超聲波液位計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和西門子公司的S7-300PLC組成控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水池液位的自動(dòng)控制。當(dāng)檢測(cè)到液位過高時(shí)關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，停止對(duì)水池的供水。當(dāng)檢測(cè)到液位過低時(shí)開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，恢復(fù)對(duì)水池的供水。整個(gè)控制回路簡(jiǎn)單、可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。

5.2 pH值的PID調(diào)節(jié)[3]
    在該系統(tǒng)中,pH值調(diào)節(jié)池、循環(huán)池的pH值需進(jìn)行PID調(diào)節(jié), 它們都是通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)pH值控制的。本文是通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這種PID調(diào)節(jié)功能。pH值PID控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

PID的模擬表達(dá)式為:
                (1)
式中　P ――調(diào)節(jié)器的輸出
　　　K_p ――比例系數(shù)
　　　T_I  ――積分時(shí)間
　　　T_D  ――微分時(shí)間
　　　e ――測(cè)量值與給定值之差
若設(shè)　T_S  ――采樣周期
　　　P_n  ――第n次采樣輸出
　　　e_n ――第n次采樣偏差
則式(1)換成離散形式為:
            (2)
將式（2）換成增量式，并設(shè)K_I = K_pT_s/ T_I ，K_D = K_pT_D/T_s ，則

 Pn = K_p（e_n - e_n-1 ）+ K_{I en} + K_D（e_n - 2_en-1 + e_n-2 ）   （3）
     式（3）為本控制系統(tǒng)的pH值PID調(diào)節(jié)器，具體的K_P、K_I 和K_D三個(gè)參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試獲得。

5.3 排灰漿控制

    在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)泥漿泵雖然運(yùn)行時(shí)間很短，但是損壞率很高。其主要原因是由于灰漿沉積速度很快，特別是鍋爐壓火或停爐一段時(shí)間后，脫硫除塵箱體內(nèi)未排盡的余灰沉淀板結(jié)在泥漿泵的入口處，造成泥漿泵每次重載啟動(dòng)，甚至堵轉(zhuǎn)，使泵的密封圈、軸承、電機(jī)等損壞。為了解決以上問題，控制系統(tǒng)增加了預(yù)沖漿和防板結(jié)的功能。在泥漿泵每次啟動(dòng)前20秒自動(dòng)開啟沖洗閥，用具有一定壓力的自來(lái)水沖松泥漿泵入口處板結(jié)的灰漿。在鍋爐壓火或停爐后，仍讓控制系統(tǒng)按照原設(shè)定的間隙時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行3個(gè)循環(huán)，以排盡脫硫除塵箱體內(nèi)的余灰。

6 結(jié)論

    通過用戶實(shí)際運(yùn)行表明，經(jīng)該煙氣脫硫系統(tǒng)處理后所排放的煙氣已達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。其脫硫效率可達(dá)92.2%，脫硫吸收塔出口取樣處SO²的排放濃度為104mg/Nm³。該套控制系統(tǒng)可靠、高效、經(jīng)濟(jì)，且在啟、停、運(yùn)行及事故處理情況下均不影響機(jī)組正常運(yùn)行，受到用戶的歡迎。同時(shí)，也為在火電廠中應(yīng)用完整的、徹底的FCS打下了良好的工程和實(shí)踐基礎(chǔ)。