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    由于我國絕大多數(shù)火電廠采用的燃料是煤，其帶來的嚴重后果是大量SO2氣體對外排放，造成對環(huán)境的嚴重污染。根據(jù)《國務院關于酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)有關問題的批復》，對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年底達標排放；新建、改造燃煤含硫量大于1%的電廠，必須建設脫硫設施；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施或采取其他具有效果的減排二氧化硫措施。因而對煙氣脫硫工藝過程控制系統(tǒng)的研究成為我國當前一個緊迫和重要的問題。
    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)的設計與應用。

1 石灰石-石膏濕法脫硫工藝簡介

    石灰石-石膏濕法脫硫工藝采用價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）。其主要化學反應式為：

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最成熟、應用最廣、運行最可靠的方法，已成為世界FGD的主導。應用該脫硫工藝的機組占電廠脫硫總裝機容量的90%，應用的最大單機容量已達到1000MW。

2 控制系統(tǒng)設計

    整個煙氣脫硫過程控制系統(tǒng)邏輯上按照三層結(jié)構(gòu)設計：過程控制級、監(jiān)控級、上一級監(jiān)控和管理級。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、聯(lián)鎖、報警等。 

2.1 過程控制級
    控制級中主要采用PLC和執(zhí)行機構(gòu)（電動調(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)場壓力、溫度、流量等各項數(shù)據(jù)。系統(tǒng)正常運行時，采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)設定值和實測值的差值實現(xiàn)自動控制，使被控量自動穩(wěn)定于設定值；當需要人為干預時，可采用開環(huán)控制，控制室內(nèi)操作人員可通過調(diào)整控制值來保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)；當自動控制系統(tǒng)發(fā)生異常時，可由現(xiàn)場操作人員直接對調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機構(gòu)進行操作，即通過手動控制以確保整個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、有效運行。過程控制級的控制范圍包括：
    （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。過程控制級與監(jiān)控級之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線按一定的通訊協(xié)議進行通訊。

2.2 監(jiān)控級
    監(jiān)控級運行SCADA實時數(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)學模型運算。監(jiān)控級包括： 1臺工程師站，用于對整個系統(tǒng)進行組態(tài)，編程和調(diào)試；2臺操作員站（一主一備），均采用工業(yè)控制計算機，并安裝WinCC6.0監(jiān)控軟件，用于操作人員對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。監(jiān)控范圍包括：
    （1）現(xiàn)場控制設備的啟停操作及運行狀態(tài)；
    （2）煙氣脫硫控制系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)；
    （3）脫硫除塵后煙氣中煙塵、SO2排放濃度。

整個系統(tǒng)功能范圍內(nèi)的全部報警項目可在顯示器上顯示并可在打印機上打印，報警范圍包括：
    （1）脫硫塔入口煙溫過高，出口煙溫過低；
    （2）脫硫塔進、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）電動機運行中跳閘；
    （6）煙氣出口含硫、含塵量過高。

2.3 上一級監(jiān)控和管理級
    上一級監(jiān)控和管理級由實時監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）和計算機管理信息系統(tǒng)（MIS）兩部分組成。煙氣脫硫控制系統(tǒng)作為發(fā)電機組正常安全生產(chǎn)的一部分，必須與機組中其它相關控制系統(tǒng)及管理系統(tǒng)交換生產(chǎn)實時數(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)應有很強的數(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，市場占有率高達80%。它具有良好的數(shù)據(jù)開放性和擴展性，能夠在系統(tǒng)不停機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總線技術的FDCS

3.1 PROFIBUS總線介紹[1]
    PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開方式的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容的版本。本文根據(jù)實際工程的需要選用的是PROFIBUS-DP，其特點有：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分布式I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或4~20mA并行信號線。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、不同品牌的各種設備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。
    （2）DCS必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS將功能下放，實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場化。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。
    （3）FCS由于控制與數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場化，與DCS相比可以節(jié)省大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用。
    （4）FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

3.3 FDCS的特點及其優(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應該是全數(shù)字化的，即傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號完全被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號所取代。實現(xiàn)全數(shù)字化FCS的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，而目前市場上的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置還不夠理想有待完善，且尚無在火電廠環(huán)境中長期運行的業(yè)績。由于考慮到實際工程的需要，本文中所設計的控制系統(tǒng)是保留了DCS部分特點的FCS，也就是FDCS。其特點是：各分布式I/O（ET200M）放置在現(xiàn)場信號比較集中的位置，每個現(xiàn)場裝置到分布式I/O仍使用一對專用的雙絞線，以傳送4~20mA模擬信號，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，簡化二次接線、節(jié)省大量的控制電纜, 減輕了CT、PT 負載,減少施工、安裝、維護工作量,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的故障不會影響其他分布式I/O,縮小了故障范圍，更重要的是，實現(xiàn)了真正的地理分散，使控制風險幾乎徹底分散。

4 系統(tǒng)硬件組成

    本系統(tǒng)共需108個開關量輸入，包括：補水泵狀態(tài)、補水截止閥狀態(tài)、進口閘板狀態(tài)、水池高低液位報警、系統(tǒng)故障報警、斗式提升機狀態(tài)、石灰倉高低料位狀態(tài)、給料機狀態(tài)、脫硫吸收劑輸送泵狀態(tài)、循環(huán)池攪拌機狀態(tài)、循環(huán)泵狀態(tài)、泥漿泵狀態(tài)、煙道閘門狀態(tài)等；74個開關量輸出，包括：信號指示燈、補水泵控制、進口閘板控制、斗式提升機控制、給料機控制、脫硫吸收劑輸送泵控制、循環(huán)池攪拌機控制、循環(huán)池補水控制、循環(huán)泵控制、泥漿泵控制、煙道閘門控制等；32個模擬量輸入，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、引風機轉(zhuǎn)速等；8個模擬量輸出，包括：引風機轉(zhuǎn)速控制、電動調(diào)節(jié)閥控制等。整個系統(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個控制部分，其中最重要最關鍵的是pH值調(diào)節(jié)池pH值的閉環(huán)控制。通過性價比的市場調(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模擬信號的模擬量輸入模板、PT100采集模板、開關量采集模板、模擬量輸出模板、開關量輸出模板等。系統(tǒng)硬件配置如表1所示。
    現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)通過雙絞線傳送4~20mA信號到分布式I/O（ET200M），分布式I/O再通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場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)功能的實現(xiàn)

5.1 液位自動控制
    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,不僅會造成經(jīng)濟損失,還會嚴重污染周邊環(huán)境。
    第二，不能流空，產(chǎn)生斷流。否則會對煙氣脫硫工藝產(chǎn)生嚴重影響，使煙氣脫硫工藝過程無法正常進行。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)場操作人員根據(jù)系統(tǒng)工藝流程，人為地手動或電動操作水池的進出口閥門來實現(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)場操作人員在工作中就要時時監(jiān)測液位的變化，不得有半點疏忽，這樣就較大地增加了現(xiàn)場操作人員的勞動強度，而且容易發(fā)生事故。因而采用德國E+H公司的FMU40E超聲波液位計、電動調(diào)節(jié)閥和西門子公司的S7-300PLC組成控制回路來實現(xiàn)對水池液位的自動控制。當檢測到液位過高時關閉電動調(diào)節(jié)閥，停止對水池的供水。當檢測到液位過低時開啟電動調(diào)節(jié)閥，恢復對水池的供水。整個控制回路簡單、可靠、運行穩(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值需進行PID調(diào)節(jié), 它們都是通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)pH值控制的。本文是通過軟件來實現(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  ――積分時間
　　　T_D  ――微分時間
　　　e ――測量值與給定值之差
若設　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三個參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試獲得。

5.3 排灰漿控制

    在實際使用中發(fā)現(xiàn)泥漿泵雖然運行時間很短，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，甚至堵轉(zhuǎn)，使泵的密封圈、軸承、電機等損壞。為了解決以上問題，控制系統(tǒng)增加了預沖漿和防板結(jié)的功能。在泥漿泵每次啟動前20秒自動開啟沖洗閥，用具有一定壓力的自來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)按照原設定的間隙時間繼續(xù)運行3個循環(huán)，以排盡脫硫除塵箱體內(nèi)的余灰。

6 結(jié)論

    通過用戶實際運行表明，經(jīng)該煙氣脫硫系統(tǒng)處理后所排放的煙氣已達到國家環(huán)保標準。其脫硫效率可達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，且在啟、停、運行及事故處理情況下均不影響機組正常運行，受到用戶的歡迎。同時，也為在火電廠中應用完整的、徹底的FCS打下了良好的工程和實踐基礎。