脱硫控制系统方案选型研究

脱硫控制系统方案选型研究1.概述脱硫控制系统监控范围为整个烟气脱硫系统(包括脱硫岛内所有的工艺系统和单体设备)，分为脱硫单元机组部分和脱硫公用部分。其中脱硫单元机组部分包括：烟气系统、SO2吸收系统、氧化空气系统、石膏排放系统等，脱硫公用部分包括：石灰石制浆系统、工艺水系统、石膏脱水系统、电气系统等。DCS和PLC都是电力系统中应用广泛的控制系统。DCS以其方便的组态软件、丰富的控制算法，高度的可靠性和开放的联网能力等优点，成为计算机工业控制系统的主流，逐步占领了机、炉主控领域。同时，PLC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高和价格低等优点，也获得广泛应用，多用于辅助系统的顺序控制和相对独立的小系统的自控领域。在大多数的烟气脱硫工程中，控制系统采用与主控系统硬件一致的DCS系统，近年来，国内外烟气脱硫工程也有一些采用PLC控制系统。2.PLC与DCS控制系统的比较不同的概念基础、不同的发展道路使得DCS和PLC有着各自不同的技术特点，而技术的发展也不是封闭的，相互学习相互渗透始终贯穿在DCS和PLC发展过程之中。2.1控制处理能力一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多）,而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（一般不超过500个I/O）。从它们的发展历史上分析，对于分散控制系统（DCS），从其网络结构和控制特点的来看，多点数的控制器在实际应用中是没有太多需求的，DCS开发人员的工作重点在于提高控制系统的可靠性、灵活性和复杂数据处理能力；而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其集成性、适应性越强，至于整个控制体系的应用水平，主要是PLC系统集成承包商的工作任务，而不是PLC制造商的核心目标。控制处理能力的另一个指标——运算速度，在逻辑运算方面PLC比DCS要快很多，执行1K逻辑程序不到1毫秒，其控制周期(以DI输入直接送DO输出为例)可以控制在50ms以内；而DCS在处理逻辑运算和模拟运算同时，其控制周期往往在100ms以上。在执行模拟（闭环）控制算法时，PLC执行一个PID运算需要几个毫秒，而DCS控制器运算PID一般只需要1个毫秒，某些型号的DCS控制器甚至更强。控制周期上的差异主要与控制器的调度设计有关。大型PLC往往使用副CPU来完成模拟量的运算，主CPU高速地完成开关量运算，所以即使模拟运算速度一般，在开关量控制方面的速度表现还是非常优秀的，而DCS是以同样的速度来处理开关量和模拟量运算，控制周期的指标确实不理想，新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计，在控制周期方面的表现已获得了大幅度的提高，控制器可以设置四个不同优先级的任务，最小运算周期可以设为10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能够达到15~20ms。2.2数据通讯交换数据通讯交换主要是指控制系统网络及其数据交换形式。在这个方面DCS有着先天的优势。分散控制系统(DCS)的“分散”主要体现在独立的控制器上，“集中”主要体现在具有完整数据的人机交互装置上，而将“分散”和“集中”集成为系统的正是网络。因此，从DCS发展的早期，网络就成为了DCS生产厂家的核心技术方向，冗余技术、窄带传输技术都是DCS厂家最早研发或应用成功的；而PLC主要是按照独立模块设计的，其“网络”实际上是串行通讯。工业以太网技术的发展和广泛应用，从形式上拉平了DCS和PLC网络方面的差距。从表面上看很多DCS和PLC都应用了工业以太网，但是其实质上的差距却依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例，仔细分析：MODBUS-TCP是将MODBUS通讯协议加载到以太网的TCP协议之上的一种通讯方式，它虽然具有了网络的外形，但依然是一主多从的管理方式，数据表的传输结构。相反DCS一般采用工业以太网，甚至令牌LAN网协议，在1M、2.5M和20M、100M数据网络上都有长期成功的应用。在DCS控制网络上，各站平等，不存在主要管理站，而且数据通讯是以模块为单位的结构化数据，数据管理能力非PLC的数据表方式可比。PLC数据通讯交换的问题，主要源于PLC长期以来作为一个独立模块在发展，没有系统概念；而且PLC发展之初主要应用在小型控制系统中，网络数据交换的并不明显，所以发展较慢。目前也有一些大型PLC在这个方面有所提高，但是要达到DCS的水平还需要一个相当长的过程。2.3组态维护功能组态维护功能包括逻辑组态、下载修改、运行调试、远程诊断等。早期，PLC以梯形图为主，DCS以模块功能图为主。经过多年的发展，国际电工委员会(IEC)通过IEC1131-3标准规定了五种编程语言,目前主流的DCS和PLC都表示符合这个标准，支持其中的几种或全部编程语言。从开发效率和程序可读性来考虑，模块功能图和顺序功能图越来越成为主要的编程方式，梯形逻辑和结构化文本成为了自定义模块的开发工具,目前大型PLC在组态方式上越来越像DCS，差距在逐渐缩小，而小型PLC仍然以梯形图为主。DCS经过多年的发展，积累了大量的高级算法模块,在一个模块中集中完成了面向设备的基本控制和故障报警功能，在网络通讯中也已此模块为单位进行传递，大大提高了软件开发的效率。一个设备极模块相当于0.5K的梯形图逻辑量，PLC要完成同样的功能，就要烦琐得多，相应的在组态的工期上PLC也要比DCS的周期要长很多。在下载修改、运行调试、远程诊断方面，PLC缺乏解决方案。而DCS从设计开发之初就是从满足系统需要的角度出发的，有着多年积累的完善的解决方案。DCS系统一般可以在线修改控制策略、在线下载控制策略，修改和下载过程中，对系统的正常运行没有影响。尤其是DCS系统有完善的虚拟仿真功能，不但可以用于组态逻辑的验证，而且能够构建成完整的虚拟DCS与模型相连，完成系统的仿真调试，特别适用于工程师设计控制方案和控制方案研究。2.4人机交互装置在早期，DCS作为一个系统，其人机交互装置是DCS厂家提供的专用装置，而PLC厂家一般不提供人机交互装置，往往由工程承包商自主采用通用的监控软件来完成(如ifix、intouch、组态王等)。DCS集成的人机交互装置往往有着功能较专业、稳定性较好的特点，但是其价格也很高。随着PC技术的快速发展，一些通用监控软件发展很快，功能和性能逐渐超过了DCS厂家提供的专用装置，因此不少DCS厂家逐步放弃了专用的人机交互装置，转而和PLC一样也使用了通用的监控软件。但是DCS厂家使用通用监控软件并不是简单地拼装，而是在通用监控软件的基础上，通过合作开发，将自已多年积累的网络通讯技术、系统自诊断技术以专用软件包的形式保留和继承了下来。DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作。PLC所构建的控制系统完成后,想要扩展监视区域或增加操作员站都是很难实现的。2.5安全性在安全性上,DCS系统为保证控制设备的安全可靠，采用了双冗余的控制器及IO卡件冗余分配的方法，当重要控制器出现故障时，都会有对应的冗余控制器实时无扰动的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠；另外DCS在卡件分配时一般会冗余分配，当IO模块出现故障时，系统会自动使用冗余模块，DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换，支持带电插拔，随机更换，确保系统的安全可靠运行。PLC所构建的系统基本没有冗余的概念，更谈不上冗余控制策略。PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，发生故障时，不得不将整个控制系统停运，进行更换模块维护并需重新编程，为了提高系统可靠性，PLC系统往往采用双机热备方式实现硬件上的冗余。所以DCS系统安全可靠性更高。2.6发展方向在热工自动化领域，机、炉控制系统基本上毫无例外的采用DCS，一般辅助车间使用PLC的情况较为普遍，其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵，人们认为辅助车间的自动化要求不高，运行可以间断，对于可靠性要求不高，且模拟量控制调节回路较少，因此从降低成本的角度出发，往往选择PLC来构建辅助车间控制系统。而锅炉、汽机和发电机的控制系统，要求长期稳定可靠地运行，信号中含有相当比例的模拟量调节回路，从系统的安全性能出发，必然选择安全可靠的DCS。另外，分析一下机炉DCS控制系统和辅助车间控制系统的市场竞争情况，我们会发现这样的现象，机、炉DCS控制系统的竞争往往在不同品牌的供应商或代理商之间展开，品牌之间竞争激烈；而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌PLC的各个工程承包商之间进行。PLC的价格下调幅度不如DCS明显，主要原因是DCS的生产商直接参与竞争，在巨大的市场压力下，不断下调设备制造费用和工程实施费用，而PLC的生产商不直接参与竞争，各个工程承包商只能下调自身有限的工程费用，空间有限。从现在情况看来，DCS与国际品牌PLC的价格差距已不明显。随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进，对辅助车间控制水平的要求也不断提高，在这个大环境，DCS系统进入辅助车间控制已成为趋势。3.烟气脱硫控制系统的特点烟气脱硫系统有以下控制特点：烟气脱硫装置的控制对象主要为电动机、管道阀门；闭环控制较少,开环控制较多,实时性要求不太高；控制对象较分散；控制使用的PID较少,顺控较多；注重的是时间控制,保护要求不多；脱硫控制系统作为火电厂一个局部控制系统，其控制相对单一、独立，以开关量逻辑控制为主，模拟量为辅并伴有少量调节回路的系统。控制设备选用应充分考虑选择适合其控制特点的控制设备，最大化利用其功能资源，减少造价。FGD控制系统应具备三个主要功能：数据采集和处理(DAS)，模拟量控制(MCS)及顺序控制(SCS)。3.1数据采集和处理系统(DAS)数据采集和处理系统(DAS)的基本功能包括：数据采集、数据处理、屏幕显示、参数越限报警、事件顺序记录、事故追忆记录、操作员记录、性能与效率计算和经济分析、打印制表、屏幕拷贝、历史数据存储和检索等。该系统监测的主要参数有：·FGD装置工况及工艺系统的运行参数；·主要辅机的运行状态；·主要阀门的启闭状态及调节阀门的开度；·电源及其它必要条件的供给状态；·主要的电气参数等。脱硫系统报警信息可在LCD上显示并可打印。LCD报警项目主要包括如下内容：·工艺系统热工参数偏离正常；·热工保护项目动作及主辅机设备故障；·辅助系统故障；·热工控制设备故障；·热工控制电源故障；·主要电气设备故障等。3.2模拟量控制系统（MCS）FGD控制系统实现以下的对FGD系统的调节控制：（1）增压风机入口压力控制为保证锅炉的安全稳定运行，通过调节增压风机导向叶片的开度进行压力控制，保持增压风机入口压力的稳定。为了获得更好的动态特性，引入锅炉负荷和引风机状态信号作为辅助信号。在FGD烟气系统投入过程中，需协调控制烟气旁路档板门及增压风机导向叶片的开度，保证增压风机入口压力稳定；在旁路档板门关闭到一定程度后，压力控制闭环投入，关闭旁路档板门。（2）石灰石浆液浓度控制石灰石浆液制备控制系统必须保证连续向吸收塔供应浓度合适的足够浆液，设定恒定石灰石供应量，并按比例调节供水量，通过石灰石浆液密度测量的反馈信号修正进水量进行细调。（3）吸收塔PH值及塔出口SO2浓度控制测量吸收塔前未净化和塔后净化后的烟气中SO2浓度、烟气温度、压力和烟气量，通过这些测量可计算进入吸收塔中SO2负荷和SO2脱除效率。根据SO2负荷，换算得出实际需要的吸收剂量作为供浆量的设定值，并与石灰石浆液流量和密度之积所表征的实际吸收剂加入量进行比较，其偏差作为PID调节器的输入。调节器的输出信号控制加入到吸收塔中的石灰石浆液量调节阀的开度来实现石灰石量的调节。而吸收塔排出浆液的PH值作为SO2吸收过程的校正值参与调节。（4）吸收塔液位控制吸收塔石灰石浆液供应量、石膏浆排出量及烟气进入量等因素的变化造成吸收塔的液位波动。根据测量的液位值，调节加入的滤液水及除雾器冲洗时间间隔，实现液位的稳定。（5）石膏浆液排出量及石膏脱水控制根据排出石膏浆的密度值，通过控制阀门调节浆液排至石膏浆池或返回吸收塔，从而控