煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器全伸縮吹灰器程控系統設計

韓春暉

（上?？巳R德貝爾格曼機械有限公司，上海200090）

煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器（GGH）全伸縮吹灰器控制系統具有工藝參數設置靈活、手動及自動操作方便、報警提示詳細等特點；并且還有分散控制系統（DCS）硬接線接口，可以實現DCS程控操作，監控吹灰槍運行狀態，并提供總報警提示；另外可以通過系統發給DCS的高壓水請求信號，實現高壓水泵的連鎖啟動，大大方便運行人員的操作。實踐證明：這套系統具有良好的GGH換熱面吹掃效果和吹灰器使用壽命。系統選擇S7-200PLC CPU216作為邏輯控制器［1］。CPU216有兩個編程口：一個用于人機接口（HMI）通信，另一個用于熱控維護人員檢修監視程序的DCS modbus通信接口。HMI操作屏原為OP170B，現由于OP170B已停產，故選用 OP177B［2］。

1 吹灰器工藝流程

1.1 高壓水沖洗流程

選擇高壓水沖洗方式，啟動自動吹掃程序；延時5s后，如果密封風機流量開關閉合，流量符合要求，程控過程開始，吹灰槍自動運行到第一步沖洗位置（800～1 200mm，可選），打開高壓水閥門；高壓水閥門完全打開后，系統向DCS發出高壓水啟動命令，DCS接到高壓水啟動命令3～5min內啟動高壓水，高壓水進入吹灰管路；當吹灰管路高壓水壓力大于設定值時，吹灰器開始步進（10～20mm，可選），然后停留一（設）定時間（默認為GGH旋轉一周的時間）；上一過程反復進行，直到吹灰器前進到行程開關（RLS）位置，然后再停留一定時間，進行最前端位置的沖洗；在經過前端位置沖洗（設定）時間后，系統向DCS發出停止高壓水命令，DCS在3～5min內停止高壓水；當高壓水壓力小于設定值（默認1MPa）后，吹灰器再停留設定的排水時間；然后吹灰器開始自動退回，當退回到800～1 200mm（可選）時，系統關閉高壓水閥門；當高壓水閥門完全關閉后，吹灰槍直接退回到原始位置（SLS），自動過程結束。

1.2 蒸汽沖洗流程

選擇蒸汽沖洗方式，啟動自動吹掃；延時5s后，如果密封風機流量開關閉合（流量符合要求），程控過程開始，吹灰槍自動運行到第一步沖洗位置（800～1 200mm，可選），打開蒸汽／低壓水公用氣動閥門；蒸汽／低壓水公用氣動閥門完全打開后，當吹灰管路蒸汽壓力大于設定值時，吹灰器開始步進（60～80mm，可選），然后停留一（設）定時間（默認為GGH旋轉一周的時間）；上一過程反復進行，直到吹灰器前進到行程開關（RLS）位置，然后再停止一定時間，進行最前端位置的沖洗；經過前端位置停留（設定）時間后，系統關閉蒸汽／低壓水公用氣動閥門，吹灰器再停留設定的排水時間后直接退回原始位置（SLS），過程自動結束。

1.3 低壓水沖洗流程

選擇低壓水沖洗方式，其過程與1.2節類似，只是每步步進位移為30～50mm（可選）。

控制系統組成見圖1。

圖1 控制系統組成

2 控制系統結構

2.1 主要操作功能

2.1.1 就地控制柜控制

就地控制柜有以下操作方式：

（1）吹灰器、閥門的單臺手動操作功能，可以用于單臺調試設備。

（2）沖洗介質有“蒸汽”、“低壓水”、“高壓水”三項選擇功能。

（3）沖洗方式有“沖洗啟動”、“沖洗停止”功能，從而實現沖洗過程的自動程控。

（4）系統運行工藝需要的位移、時間、壓力等參數設置功能。

2.1.2 DCS控制

當在就地控制柜選擇“遠方”功能時，只有一種操作方式（自動程控）：

（1）接到PLC命令，完成高壓水泵的全部啟動、停止過程。

（2）沖洗方式有“蒸汽”、“低壓水”、“高壓水”三項選擇功能。

（3）有“沖洗啟動”、“沖洗停止”功能，從而實現沖洗過程的自動程控。

2.2 主要信號和受控設備

主要信號有：

（1）編碼器信號1個，用于吹灰槍行程檢測，準確定位。

（2）壓力變送器信號2個，用于檢測正在吹灰的蒸汽或低壓水（共用）、高壓水壓力。

（3）進到位、退到位行程開關信號，吹灰槍進到位、退到位反饋信號。

（4）密封風機流量開關信號，密封風機是用來密封吹灰器與GGH接口，防止漏出的硫化物污染環境和腐蝕吹灰器等設備，密封風流量低系統會報警。

（5）介質閥門開、關到位信號，用于監控各種吹灰介質選擇是否正確，閥門動作是否正常。

受控設備有：

（1）蒸汽或低壓水氣動閥（共用）控制電磁閥，蒸汽或低壓水吹灰時，程控打開。

（2）高壓水閥門受控設備，高壓水吹灰時，程控打開。

（3）吹灰槍電動機，吹灰器的吹灰槍前進（或后退）執行機構。

2.3 主要系統硬件

主要系統硬件有：

（1）S7-200PLC CPU216，兩個通信接口，一個用于與操作屏通信，另外一個用于監視程序；S7-200PLC CPU216編程口為自由口，可以編程與DCS Modbus RS485通信，意味著S7-200PLC CPU216控制的GGH全伸縮吹灰器有Modbus通信備用接口。CPU自帶兩個高速計數器輸入端用于編碼器計數，計算吹灰槍行程。

（2）模擬量輸入擴展模塊，接收吹灰器本體上的正在吹灰的蒸汽（或低壓水）及高壓水壓力變送器來的信號。

（3）模擬量輸出擴展模塊，將吹灰的蒸汽（或低壓水）及高壓水壓力變送器信號傳給DCS，以便在DCS上看到吹灰壓力。

（4）OP177B操作屏，在就地手動或者程控操作系統，運行參數設置，并且可以監視系統運行狀態，故障時在故障畫面檢查具體故障內容。OP177B操作屏與S7-200PLC CPU216通過西門子PPI協議RS485方式進行通信［3-4］。

3 控制系統設計關鍵點及方案

3.1 編碼器程序設計

3.1.1 初步估算輸入PLC的脈沖頻率

為了精確定位，提高該沖洗設備的吹灰精度，設備上使用了編碼器定位。安裝在減速器上的編碼器每轉一圈，輸出1 000個脈沖；經觀察設備運行時每分鐘編碼器轉近2圈半，可以初步計算輸入PLC的脈沖頻率為1 000×2.5／60≈42Hz。使用普通的PLC輸入點無法滿足這種計數頻率，所以必須使用PLC的高速計數器來接受編碼器信號。S7-200PLC CPU216自帶兩個兩相高速計數器端口，第一組高速計數輸入點為I 0.0和I 0.1，第二組高速計數輸入點為I 0.3和I 0.4，兩相高速計數最大頻率20Hz。

3.1.2 S7-200高速計數器編程

本系統使用S7-200PLC CPU216的自帶第一組高速計數器，不必再另外增加高速計數器模塊，編碼器接入高速計數輸入點I 0.0和I 0.1，高速計數器編號HSC0，計數當前值HC0，雙字節。輸入模式設置為模式9—A／B相正交輸入方式，不帶復位和啟動。

系統變量SM37.0～SM37.7為HC0使用的控制變量。由于設備帶的編碼器是相位差為90°的兩個相位輸出，那么通過編碼器的正向旋轉（吹灰槍前進）或者反向旋轉（吹灰槍前進）可以實現高速計數器的加減計數，從而實現了吹灰槍前進時位移增加、后退時位移減少的準確定位。吹灰器回到原位，使用原位信號使高速計數器計數值復位為零，避免誤差累計。

3.1.3 位移精確計算

如何計算精確高速計數器編碼器脈沖數與位移的對應關系是編碼器程序設計的一個關鍵點。為了計算精確，高速計數器計數賦值前加了一個60s的時間繼電器常閉接點條件，設備運行開始時高速計數器將值寫給VDXXX雙字節變量，同時時間繼電器開始計時；計時60s到，時間繼電器輸出動作，常閉點斷開。高速計數器將值寫給VDXXX的值就是一分鐘編碼器發出的脈沖數。設備退回原位，高速計數器復位。經過幾次記錄，最終計算平均值為3 297個／min。吹灰器設計速度為1 440mm／min，3 297／1 440≈2.29，即每2.29個脈沖相當于1mm。高速計數器的當前值HC0除以系數2.29就是設備運行時的位移。在主程序中調用高速計數器子程序以及脈沖行程系數轉換程序見圖2。

圖2 位移精確計算程序圖

3.2 機械慣性問題的編程處理

由于本設備是步進運行方式，每次步進只有10～80mm，步進值在操作屏上設定。吹灰器每次步進到設定位移時，PLC就會停止發輸出指令。但由于機械慣性，雖然電機失電，吹灰器依然會前進幾毫米，為此在程序里預先將設定值減去慣性位移，這樣定位就減少了慣性的影響，最終使位移和設定值偏差1mm。圖3為機械慣性問題的編程處理，通過簡單的加減法，實現了機械慣性問題的處理。圖中VW438是吹灰槍啟動后連續前進到起吹位置（800～1 200mm，可選）的設定值。由于前進時間長，機械慣性大，將其減少8mm作為電機驅動位移；電機失電后由于機械慣性再前進8mm，正好到第一步位置。同樣道理，VW504為每步步進位移設定值與當前位移之和，將其減少5mm作為電機驅動位移，同樣可以避免機械慣性誤差。

圖3 機械慣性問題的編程處理

3.3 壓力波動問題的編程處理

為了避免壓力波動引起的系統誤報警，在程序里做了壓力報警延時；并且為了得到更可靠的壓力報警延時時間，把延時時間的設置放到操作屏上，這樣操作者就可以根據具體工況，靈活設置參數了。

3.4 OP177B操作屏與S7-200CPU216通信設置

通信協議是RS485PPI，為S7-200PLC CPU編程口支持的默認協議。

通信電纜為9針對9針，3＋／8-。組態軟件為Wincc flexible。

3.5 OP177B操作屏報警記錄畫面的設計

3.5.1 在報警管理器中設置報警記錄

在Wincc flexible2008組態軟件的報警管理菜單下，可以組態離散量和模擬量報警、定義報警信息。組態好的報警，當畫面運行報警發生時，相應報警的信息就會顯示在報警窗口里面。報警發生的同時，PLC會發出系統總報警信號給DCS，操作者會及時發現報警進行處理。對于發生的報警，如果不經過確認，雖然故障復位，報警消除，但是未經過確認的報警作為歷史仍然保留在報警窗口。

3.5.2 報警窗口的組態

OP177B操作屏報警記錄可以顯示在報警窗口，即使故障復位了，報警內容仍然顯示在報警窗口，如果需要清除，可以在報警畫面定義清除按鈕，使用Acknowledgealarm函數清除報警內容（見圖4）。圖中F8定義為報警清除按鈕。

圖4 故障報警畫面

3.6 參數設置畫面及進入口令的設計

根據不同工況，設置不同運行參數是程控系統的一個重要功能。本系統共有參數26個，但這些參數必須由相關人員設置，所以本系統OP177B操作屏口令的設計是十分必要的。OP177B操作屏口令需要輸入用戶名和密碼，為了便于記憶，用戶名采取了系統默認的用戶名ADMIN，密碼單獨設計并做好記錄。

編碼器設置畫面見圖5。

圖5 編碼器設置畫面

4 備用的Modbus通信功能

自由口作為Modbus通信的實現。雖然目前還沒有用戶與這個GGH全伸縮吹灰器PLC進行Modbus通信，但是S7-200CPU的編程口作為自由口是可以實現的。圖6和圖7內容可以作為實現DCS或者遠程計算機Modbus RS485通信的參考：

（1）硬件方面，在使用Modbus協議時，計算機與S7-200之間通信直接使用PPI通信電纜即可；但如果通信距離較遠，或者需要將多個S7-200連接到一個通信總線上時，可以通過圖6的方法配置通信鏈路。

圖6 通信距離較遠時通信鏈路的配置方法

（2）軟件方面，調用Modbus通信初始化命令（見圖7（a）），或調用 Modbus從機通信命令（見圖7（b））。

在完成前面兩個指令調用后，還要為庫指令使用的符號分配內存。當庫指令被插入到主程序塊中，在導航樹“程序塊”下會出現一個“庫”節點。在“庫”節點上點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇“庫存儲區”，進入“庫存儲區分配”對話框（見圖8）。

圖7 調用Modbus通信命令

圖8 庫存儲區分配

在地址框中輸入分配內存的開始地址，或者通過點擊“建議地址”按鈕自動分配內存。注意：分配的內存不要與已使用的內存重疊。

5 出現的問題及解決方案

5.1 強制吹灰功能的實現

由于煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器（GGH）本身是扁圓柱形的，正常工作時它圍繞圓心（軸）不停地旋轉，吹灰槍吹掃的表面正好是GGH的上、下圓表面，吹灰器步進停止的時間在GGH表面吹了一個圓。吹灰器從起吹位置步進到前進到位行程開關，吹灰面積實際上由若干個同心圓組成，從而達到完全吹掃GGH換熱器上、下表面的要求。這種全伸縮吹灰器使用一段時間后卻發現這樣的問題：GGH圍繞其圓心是勻速旋轉的，即半徑上的每一點其角速度是相同的，但線速度有很大差別；GGH最外圈部分由于線速度相對過快，吹掃效果不理想，如果只是延長停留時間，那么不但增加了吹灰時間，而且浪費了蒸汽和高壓水，對最里圈GGH換熱面的壽命還有影響，因此提出強制吹灰的工藝。

選擇強制吹灰功能，吹灰槍到達起吹位置（GGH最外圈），開始以設定的強制吹灰步進停留時間（180～300s）開始步進吹灰，當步進到設定的強制吹灰位置，吹灰槍再以正常的步進停留時間（50～70s）步進吹灰，這樣就可以加強外圈吹灰而不增加里圈的吹灰工作量。

5.2 操作屏的升級

HMI最初為OP170B，后OP170B只作為備件銷售，因此選用了OP177B操作屏，OP177B比OP170B增加了觸摸功能，但是減少了數字和字母鍵（由觸摸實現），外觀樣式與OP170B接近，原來HMI畫面只要做小的修改即可使用。OP177B也可以代替OP170B使用。

6 結語

煙氣脫硫裝置氣-氣換熱器全伸縮吹灰器在原來GGH全伸縮吹灰器的操作工藝基礎上，增加了手動功能，大大方便了單臺設備的調試和維修；操作界面設計為中文也大大方便了操作者；增加了前進到位行程開關，加強了系統可靠性；增加了強制吹灰功能，大大提高了GGH的吹灰效果；增加了冷態選擇功能，便于變送器故障或者流量開關故障時臨時吹灰操作；增加了系統強制復位按鈕，防止部分邏輯無法復位影響吹灰運行。該系統目前已在國內多家電廠應用。

［1］廖常初.S7-300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005：396-400.

［2］呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統的應用［J］.自動化儀表，2010，31（8）：45-47，51.

［3］汪義旺，崔鳴，祁春清 .RS-485／Modbus在FFU控制系統中的應用［J］.自動化儀表，2010，31（6）：39-41，44.

［4］胡佳麗，閆寶瑞，張安震，等.S7-200PLC在伺服電機位置控制中的應用［J］.自動化儀表，2009，30（12）：38-41.