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案例頻道1 引言
近年來(lái)，酸雨對(duì)我國(guó)的危害越來(lái)越嚴(yán)重。要實(shí)現(xiàn)酸雨的防治，對(duì)煤炭燃燒所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫處理是重中之重。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備及在線監(jiān)測(cè)儀表的發(fā)展，使得煙氣脫硫處理（FGD）的自動(dòng)化程度迅速提高。其中對(duì)煙氣脫硫處理工藝進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(guān)鍵。
FGD的處理效果主要取決于其運(yùn)行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應(yīng)段時(shí)間以及煙氣流量。一般采用以PLC或DCS為核心的工藝過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備及各反應(yīng)段時(shí)間，使煙氣含硫量達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
煙氣脫硫處理是一個(gè)多參量(如液位、漿液成分、煙氣流量、壓力、PH值等)、多任務(wù)(如煙氣輸送、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、泵和閥門(mén)的啟停等)、多設(shè)備(如攪拌器、泵、氧化風(fēng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)構(gòu)、閥門(mén)等)的復(fù)雜系統(tǒng)。所以，煙氣處理應(yīng)該由一個(gè)智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行現(xiàn)代化的管理，使之能夠安全可靠地運(yùn)行。
在煙氣脫硫處理中，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備比較分散，分布范圍比較廣，若采用傳統(tǒng)的控制方案，勢(shì)必要敷設(shè)大量的控制和信號(hào)電纜，浪費(fèi)大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)使系統(tǒng)復(fù)雜度提高，可靠性降低。采用節(jié)點(diǎn)總線技術(shù)，可以在降低成本的同時(shí)，提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。
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(jiǎn)稱(chēng)華電）2×300MW機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，著重研究了節(jié)點(diǎn)總線控制系統(tǒng)在脫硫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 節(jié)點(diǎn)總線技術(shù)
2．1節(jié)點(diǎn)總線技術(shù)
NODEBUS（節(jié)點(diǎn)總線），建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI）標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上， 并符合IEEE 的規(guī)范。節(jié)點(diǎn)總線中，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行， 完成自動(dòng)控制的各種功能。 并可通過(guò)兼容網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點(diǎn)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(hào)線，并且可以提供大量數(shù)據(jù)通信服務(wù)，高速的傳輸速度。
2．2 節(jié)點(diǎn)
節(jié)點(diǎn)是由節(jié)點(diǎn)總線將稱(chēng)之為站（Station）的處理機(jī)組件連在一起構(gòu)成的。 每一組件是獨(dú)立的， 并設(shè)計(jì)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(jī)組件通過(guò)節(jié)點(diǎn)總線（NODEBUS）相互聯(lián)接，形成過(guò)程管理和控制節(jié)點(diǎn)。每一組件也可通過(guò)一根或多根的通訊鏈路與外部設(shè)備或其它類(lèi)型的組件相連。 節(jié)點(diǎn)總線為系統(tǒng)中的各個(gè)站，提供高速、冗余、 點(diǎn)到點(diǎn)的通訊，而具有優(yōu)異的性能和安全性。
節(jié)點(diǎn)總線連同與它有關(guān)的站作為一個(gè)單獨(dú)整體存在，或作為載波帶局域網(wǎng)的一部分存在。當(dāng)它作為一個(gè)單獨(dú)的整體時(shí)，節(jié)點(diǎn)總線連同它的關(guān)聯(lián)站構(gòu)成層次通訊網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
2．3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成
在節(jié)點(diǎn)上主要有四種處理機(jī)：
? 應(yīng)用處理機(jī) （Application Processor）： 與大容量存儲(chǔ)器相連， 存儲(chǔ)系統(tǒng)信息和過(guò)程控制方案與數(shù)據(jù)；以及可選地與信息網(wǎng)絡(luò)相連，提供雙向的信息和圖像的交換。
? 工作站處理機(jī) （Workstation Processor）： 與 CRT， 工程師鍵盤(pán)，操作鍵盤(pán)和其它操作站設(shè)備相連；以及可選地與信息網(wǎng)絡(luò)相連，提供源于其它相連計(jì)算機(jī)上的 X-Window 顯示畫(huà)面。
? 控制處理機(jī) （Control Processor） ： 可與 I/A Series 現(xiàn)場(chǎng)總線組件和設(shè)備相連，完成控制功能。
? 通訊處理機(jī) （Communication Processor） ： 通過(guò) RS－232－C 串行接口可連接打印機(jī)， VT－100 終端或調(diào)制解調(diào)器。
圖1 處理機(jī)節(jié)點(diǎn)總線連接圖
節(jié)點(diǎn)總線上還可以?huà)炱渌墓δ芴幚頇C(jī)， 如：
? 信息網(wǎng)絡(luò)接口 (DECNET，NOVELL 等)
? 節(jié)點(diǎn)總線擴(kuò)展組件和與其他網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備間提 供通訊的各種網(wǎng)間連接器。 節(jié)點(diǎn)總線擴(kuò)展組件用來(lái)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)總線的距離， 每次擴(kuò)展 300 米， 可擴(kuò)展二次
? 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作站接口，使個(gè)人計(jì)算機(jī)具有控制處理機(jī)、應(yīng)用處理機(jī)和操作站處理機(jī)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(lái)連接單回路控制器
1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成及功能設(shè)計(jì)
現(xiàn)代化的煙氣脫硫處理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化，實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化。控制系統(tǒng)不僅與下層控制設(shè)備有良好的接口，具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時(shí)還應(yīng)具有可擴(kuò)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(chǎng)總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，上層則選用優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障地運(yùn)行，需要采用冗余、容錯(cuò)技術(shù)。
根據(jù)NODE-BUS的應(yīng)用，將煙氣脫硫控制系統(tǒng)分為管理級(jí)、控制級(jí)和過(guò)程級(jí)三部分。
（1）管理級(jí)。管理級(jí)是系統(tǒng)的核心部分，其完成對(duì)煙氣脫硫處理過(guò)程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。管理級(jí)提供人機(jī)接口，是整個(gè)控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面。其中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)具有相互通訊的功能，實(shí)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(hù)/服務(wù)器（Client／Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器具有遠(yuǎn)程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報(bào)警功能、報(bào)表功能、通訊功能和冗余功能等。服務(wù)器互為備用，實(shí)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(diǎn)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(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障，該服務(wù)器的客戶(hù)機(jī)自動(dòng)從發(fā)生故障的服務(wù)器切換到備用的服務(wù)器上，使所有的客戶(hù)機(jī)始終可以監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，修復(fù)后的服務(wù)器回到系統(tǒng)后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配。
（2）控制級(jí)。控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是連接系統(tǒng)信息管理與現(xiàn)場(chǎng)組件通訊的樞紐。 其主要功能是發(fā)送參數(shù)或命令，對(duì)脫硫處理過(guò)程進(jìn)行控制，同時(shí)將接受和計(jì)算反饋回來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。控制級(jí)要求具有較高的可靠性，所以在系統(tǒng)的關(guān)鍵部分中要采用冗余技術(shù)。控制器（CP）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以在控制級(jí)中，需要采用冗余控制器。兩個(gè)冗余控制器之間通過(guò)并行節(jié)點(diǎn)總線通訊，進(jìn)行信息交換，相互監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余。系統(tǒng)選用FOXBORO公司的具有容錯(cuò)功能的60系列處理器，和與它相連的現(xiàn)場(chǎng)組件一起，可按組態(tài)好的控制方案對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制。可實(shí)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(cè)、報(bào)警和傳送信息的功能。
（3）過(guò)程級(jí)。過(guò)程級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，主要由一次儀表（如液位計(jì)、傳感器、PH計(jì)）、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、傳感器參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)接受上一級(jí)的指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。由于控制設(shè)備比較分散，在電廠內(nèi)，輸入／輸出設(shè)備連接到一個(gè)集中的機(jī)架，在設(shè)備改變和系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，導(dǎo)致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過(guò)節(jié)點(diǎn)總線系統(tǒng)來(lái)連接部件，是解決這些問(wèn)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(chǎng)設(shè)備通過(guò)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)總線信號(hào)電纜連接。將輸入/輸出模塊轉(zhuǎn)換成就地監(jiān)測(cè)器和執(zhí)行器，可就地轉(zhuǎn)換和處理過(guò)程信號(hào)，可以集中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
以上的配置中，系統(tǒng)重要的部分均需采用冗余技術(shù)，以使整個(gè)控制系統(tǒng)具有更高的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷工作。
根據(jù)此設(shè)計(jì)思想和關(guān)鍵技術(shù)方案分析得出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
1 系統(tǒng)軟件
在一個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運(yùn)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(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測(cè)設(shè)備（如PLC、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應(yīng)的控制中心。優(yōu)秀的組態(tài)軟件是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能的基礎(chǔ)。
因此，選用 Foxboro公司I/A Series智能自動(dòng)化系列組態(tài)軟件。I/A Series具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能，具有友好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示，數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)、打印、報(bào)警，通訊和數(shù)據(jù)冗余功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性?xún)r(jià)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(huì)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(cè)得的煙氣流量參數(shù)與設(shè)定參數(shù)形成閉環(huán)控制；第二種是反應(yīng)時(shí)間控制。對(duì)于時(shí)間控制規(guī)律而言，它是根據(jù)對(duì)FGD反應(yīng)的所需要的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)控制。煙氣流量控制的基本思想是動(dòng)態(tài)的控制煙氣的反應(yīng)時(shí)間使其中的 濃度達(dá)到允許的排放標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間控制程序是根據(jù) 對(duì)煙氣反應(yīng)池的運(yùn)行階段所需要的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)控制，該方法是根據(jù)煙氣的品質(zhì)變化來(lái)改變某些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制。
控制程序根據(jù)以上情況，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了兩種控制程序，可根據(jù)實(shí)際情況由控制機(jī)選擇運(yùn)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(cè)得的煙氣流量參數(shù)作為輸入，按照預(yù)先確定好的控制模型進(jìn)行運(yùn)算，然后 用計(jì)算的結(jié)果作為輸出控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，動(dòng)態(tài)控 制反應(yīng)時(shí)間，以達(dá)到控制反應(yīng)的目的。
（2）時(shí)間控制程序。①本控制系統(tǒng)嚴(yán)格按照時(shí)序、按順序工作。②允許在工作過(guò)程中任意進(jìn)行遙控、自控切換且不影響工作時(shí)序。
2 總結(jié)
FGD控制系統(tǒng)中采用節(jié)點(diǎn)總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸?shù)姆绞剑诳刂萍?jí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量傳輸，達(dá)到了提高信號(hào)傳送精度，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制靈活性，降低現(xiàn)場(chǎng)儀表初裝費(fèi)和設(shè)計(jì)施工費(fèi)用，減少電纜敷設(shè)，易于維護(hù)和擴(kuò)展的目的。該自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)電深能重慶華鎣山電廠投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硫工藝的自動(dòng)控制，提高了煙氣處理的效率和效果，同時(shí)降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)