今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道1 引言
近年來，酸雨對我國的危害越來越嚴重。要實現(xiàn)酸雨的防治，對煤炭燃燒所產(chǎn)生的煙氣進行脫硫處理是重中之重。近年來隨著國內(nèi)自動化技術、設備及在線監(jiān)測儀表的發(fā)展，使得煙氣脫硫處理（FGD）的自動化程度迅速提高。其中對煙氣脫硫處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是降低煙氣含硫量、提高環(huán)保水平、防止酸雨形成的關鍵。
FGD的處理效果主要取決于其運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及煙氣流量。一般采用以PLC或DCS為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使煙氣含硫量達到國家規(guī)定的排放標準。
煙氣脫硫處理是一個多參量(如液位、漿液成分、煙氣流量、壓力、PH值等)、多任務(如煙氣輸送、電機運轉(zhuǎn)、泵和閥門的啟停等)、多設備(如攪拌器、泵、氧化風機、皮帶輸送機構(gòu)、閥門等)的復雜系統(tǒng)。所以，煙氣處理應該由一個智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進行現(xiàn)代化的管理，使之能夠安全可靠地運行。
在煙氣脫硫處理中，現(xiàn)場控制設備比較分散，分布范圍比較廣，若采用傳統(tǒng)的控制方案，勢必要敷設大量的控制和信號電纜，浪費大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟，同時使系統(tǒng)復雜度提高，可靠性降低。采用節(jié)點總線技術，可以在降低成本的同時，提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于擴展和維護。
本文結(jié)合FOXBORO公司I/A Series控制系統(tǒng)在重慶華鎣山電廠（簡稱華電）2×300MW機組煙氣脫硫系統(tǒng)的實際應用，著重研究了節(jié)點總線控制系統(tǒng)在脫硫控制系統(tǒng)中的應用。
2 節(jié)點總線技術
2．1節(jié)點總線技術
NODEBUS（節(jié)點總線），建立在國際標準化組織（ISO）所定義的開放系統(tǒng)互連 （OSI）標準基礎上， 并符合IEEE 的規(guī)范。節(jié)點總線中，各節(jié)點獨立運行， 完成自動控制的各種功能。 并可通過兼容網(wǎng)絡與其他節(jié)點相連。使用NODEBUS總線模塊于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸可以取代昂貴的24 V或0～20 mA并行信號線，并且可以提供大量數(shù)據(jù)通信服務，高速的傳輸速度。
2．2 節(jié)點
節(jié)點是由節(jié)點總線將稱之為站（Station）的處理機組件連在一起構(gòu)成的。 每一組件是獨立的， 并設計成完成系統(tǒng)中一些通用功能， 而它的特定功能是由軟件定義的。系統(tǒng)處理機組件通過節(jié)點總線（NODEBUS）相互聯(lián)接，形成過程管理和控制節(jié)點。每一組件也可通過一根或多根的通訊鏈路與外部設備或其它類型的組件相連。 節(jié)點總線為系統(tǒng)中的各個站，提供高速、冗余、 點到點的通訊，而具有優(yōu)異的性能和安全性。
節(jié)點總線連同與它有關的站作為一個單獨整體存在，或作為載波帶局域網(wǎng)的一部分存在。當它作為一個單獨的整體時，節(jié)點總線連同它的關聯(lián)站構(gòu)成層次通訊網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。
2．3 節(jié)點構(gòu)成
在節(jié)點上主要有四種處理機：
? 應用處理機 （Application Processor）： 與大容量存儲器相連， 存儲系統(tǒng)信息和過程控制方案與數(shù)據(jù)；以及可選地與信息網(wǎng)絡相連，提供雙向的信息和圖像的交換。
? 工作站處理機 （Workstation Processor）： 與 CRT， 工程師鍵盤，操作鍵盤和其它操作站設備相連；以及可選地與信息網(wǎng)絡相連，提供源于其它相連計算機上的 X-Window 顯示畫面。
? 控制處理機 （Control Processor） ： 可與 I/A Series 現(xiàn)場總線組件和設備相連，完成控制功能。
? 通訊處理機 （Communication Processor） ： 通過 RS－232－C 串行接口可連接打印機， VT－100 終端或調(diào)制解調(diào)器。
圖1 處理機節(jié)點總線連接圖
節(jié)點總線上還可以掛其它的功能處理機， 如：
? 信息網(wǎng)絡接口 (DECNET，NOVELL 等)
? 節(jié)點總線擴展組件和與其他網(wǎng)絡及設備間提 供通訊的各種網(wǎng)間連接器。 節(jié)點總線擴展組件用來擴展節(jié)點總線的距離， 每次擴展 300 米， 可擴展二次
? 個人計算機操作站接口，使個人計算機具有控制處理機、應用處理機和操作站處理機的功能， 它能執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、連續(xù)控制、梯形邏輯控制和順序控制。
? 儀表網(wǎng)間連接器，用來連接單回路控制器
1 系統(tǒng)網(wǎng)絡組成及功能設計
現(xiàn)代化的煙氣脫硫處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化。控制系統(tǒng)不僅與下層控制設備有良好的接口，具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時還應具有可擴展性。所以現(xiàn)代化煙氣脫硫處理系統(tǒng)要求在底層采用現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術，上層則選用優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，需要采用冗余、容錯技術。
根據(jù)NODE-BUS的應用，將煙氣脫硫控制系統(tǒng)分為管理級、控制級和過程級三部分。
（1）管理級。管理級是系統(tǒng)的核心部分，其完成對煙氣脫硫處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面。其中的各臺計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。考慮到其功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。服務器互為備用，實現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。這種配置的最主要的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個服務器出現(xiàn)故障，該服務器的客戶機自動從發(fā)生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監(jiān)控生產(chǎn)過程，修復后的服務器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配。
（2）控制級。控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，也是連接系統(tǒng)信息管理與現(xiàn)場組件通訊的樞紐。 其主要功能是發(fā)送參數(shù)或命令，對脫硫處理過程進行控制，同時將接受和計算反饋回來的現(xiàn)場狀態(tài)。控制級要求具有較高的可靠性，所以在系統(tǒng)的關鍵部分中要采用冗余技術。控制器（CP）是整個系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，需要采用冗余控制器。兩個冗余控制器之間通過并行節(jié)點總線通訊，進行信息交換，相互監(jiān)視，實現(xiàn)雙機熱備冗余。系統(tǒng)選用FOXBORO公司的具有容錯功能的60系列處理器，和與它相連的現(xiàn)場組件一起，可按組態(tài)好的控制方案對過程進行控制。可實現(xiàn)連續(xù)控制、梯型邏輯控制和順序控制等功能。完成數(shù)據(jù)采集、檢測、報警和傳送信息的功能。
（3）過程級。過程級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎，主要由一次儀表（如液位計、傳感器、PH計）、控制設備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)、傳感器參數(shù)等進行監(jiān)測，并把檢測到的數(shù)據(jù)上傳，同時接受上一級的指令對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。由于控制設備比較分散，在電廠內(nèi)，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時，導致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過節(jié)點總線系統(tǒng)來連接部件，是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過稱為節(jié)點總線信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉(zhuǎn)換成就地監(jiān)測器和執(zhí)行器，可就地轉(zhuǎn)換和處理過程信號，可以集中進行程序設計。
以上的配置中，系統(tǒng)重要的部分均需采用冗余技術，以使整個控制系統(tǒng)具有更高的可靠性，從而實現(xiàn)24小時不間斷工作。
根據(jù)此設計思想和關鍵技術方案分析得出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，見圖2。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
1 系統(tǒng)軟件
在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應的控制中心。優(yōu)秀的組態(tài)軟件是實現(xiàn)上位機功能的基礎。
因此，選用 Foxboro公司I/A Series智能自動化系列組態(tài)軟件。I/A Series具有控制自動化過程的強大功能，具有友好的人機界面，實時畫面顯示，數(shù)據(jù)管理、存儲、打印、報警，通訊和數(shù)據(jù)冗余功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。
軟件編程的主要依據(jù)為生產(chǎn)工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制策略， FGD工藝的控制可以分為：第一種是煙氣流量法，是指根據(jù)在線測得的煙氣流量參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制；第二種是反應時間控制。對于時間控制規(guī)律而言，它是根據(jù)對FGD反應的所需要的時間進行自動控制。煙氣流量控制的基本思想是動態(tài)的控制煙氣的反應時間使其中的 濃度達到允許的排放標準。時間控制程序是根據(jù) 對煙氣反應池的運行階段所需要的時間進行自動控制，該方法是根據(jù)煙氣的品質(zhì)變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制。
控制程序根據(jù)以上情況，對應設計了兩種控制程序，可根據(jù)實際情況由控制機選擇運行。
（1）煙氣流量法控制程序。煙氣流量法采用 反饋控制，利用在線測得的煙氣流量參數(shù)作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后 用計算的結(jié)果作為輸出控制現(xiàn)場的設備，動態(tài)控 制反應時間，以達到控制反應的目的。
（2）時間控制程序。①本控制系統(tǒng)嚴格按照時序、按順序工作。②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。
2 總結(jié)
FGD控制系統(tǒng)中采用節(jié)點總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸?shù)姆绞剑诳刂萍墝崿F(xiàn)了數(shù)字量傳輸，達到了提高信號傳送精度，增強現(xiàn)場控制靈活性，降低現(xiàn)場儀表初裝費和設計施工費用，減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在國電深能重慶華鎣山電廠投入運行，實現(xiàn)了煙氣脫硫工藝的自動控制，提高了煙氣處理的效率和效果，同時降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
參考文獻：
1. 汪道輝主編. 邏輯與可編程控制系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，2004
2. 何克忠等編. 計算機控制系統(tǒng). 北京：清華大學出版社，1998
3. 鐘肇新. 可編程控制器原理及應用. 廣州：華南理工大學出版社，2002
4. 何衍慶等編. 集散控制系統(tǒng)原理及應用. 北京：化學工業(yè)出版社，2002
5. 現(xiàn)代控制工程，[美]Katsuhiko Ogata,電子工業(yè)出版社，1999
6. 嚴雋薇，嚴雋永.計算機實時控制軟件設計導論，北京:清華大學出版社，1990
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號