基于PLC的活性炭輸送裝置控制系統設計

邱榮華

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040)

0 引言

國外垃圾焚燒發電廠常采用濕法和機械旋轉噴霧半干法煙氣凈化工藝，國內已建成的垃圾焚燒發電廠大多采用機械旋轉噴霧半干法工藝或循環流化法和干法凈化工藝[1]。

旋轉噴霧半干法采用的裝置為“旋轉噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。燒結煙氣經過在旋轉噴霧塔中的吸收處理之后，進入位于吸收塔和引風機之間的袋式除塵器中，袋式除塵器上的濾料纖維過濾掉煙氣中的大顆粒粉塵，并且采用活性炭用吸附的一次粉塵進一步吸收其余粉塵，形成二次吸收，調高對固體顆粒污染物的清除。工作示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉噴霧半干法煙氣脫硫技術示意圖

1 總體設計

旋轉噴霧半干法采用的裝置為“旋轉噴霧器+袋式除塵器”的組合[2]。其旋轉噴霧器主要由活性炭噴射裝置組成，示意圖如圖2所示。

圖2 活性炭噴射裝置示意圖

由圖2可以看到，活性炭噴射裝置主要部件有碳倉、給料倉、液氮儲罐等構成。主要的工作流程為：根據從煙道中檢測到的煙氣流量來控制活性炭的噴射量[3]。活性炭原料儲存在碳倉中，當裝置工作時，根據控制需要進一步將原料輸送至臨時儲存倉-給料倉中。再由給料倉按照控制量的多少經由螺旋給料機輸送至文丘里管，然后經過引風機啟動輸送至吸收塔中。

1.1 硬件設計

根據任務控制要求和PLC的性能及設備特點，選用SIEMENS S7-300PLC作為控制器。根據工藝，活性炭噴射裝置控制系統主要分成4個大部分，分別是碳倉物料狀態管理、給料倉物料狀態管理、活性炭自動噴射、裝置的報警保護。根據控制要求，碳倉物料狀態管理主要是判斷碳倉物料狀態從而根據變化改變碳倉物料進料狀態。給料倉物料狀態管理主要是判斷給料倉物料狀態，當物料缺乏時自動上料的功能。活性炭自動噴射是本次設計的核心，主要需要實現活性炭根據煙氣流量的變化改變注入量。

1.2 軟件設計要求分析

1.2.1 碳倉物料狀態管理程序設計

碳倉補料充分條件：(1)當碳倉溫度未處于允許的上限；(2)當碳倉物料物位沒有達到允許的上限；(3)當碳倉物料重量沒有達到允許的上限；(4)當碳倉的進料閥的閥門處于關位；(5)當碳倉的壓力處于正常范圍。

如圖3所示，當碳倉補料充分條件都滿足的時候，若出現物料重量下限信號時，碳倉進入允許進料狀態，提示可以補料(補料為人工補料)。補料時，打開除塵閥，除塵閥到位后打開除塵電機。

圖3 碳倉物料監控程序流程圖

1.2.2 給料倉自動補料程序設計

給料倉作為中間倉，補料為自動補料，自動補料的充分條件為：(1)噴射塔進口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉內溫度處于正常范圍；(3)給料倉內壓力處于正常范圍；(4)給料倉內活性炭物料重量處于允許范圍；(5)給料倉內活性炭物料物位處于正常范圍。

當滿足上述條件時，若出現給料倉物料重量低位或者物位低位，則給料倉物料狀態變為“允許進料狀態”。此時打開給料倉進料閥，當給料倉進料閥開到位的時候，打開碳倉/給料倉壓力平衡閥，碳倉/給料倉壓力平衡閥開到位后，啟動碳倉送料電機。自此，給料倉進入上料狀態，當給料倉獲得物位高位和重量高位時，物料狀態變為上料完成狀態，此刻完成給料倉補料。給料倉自動上料流程圖如圖4所示。

圖4 給料倉自動補料流程圖

1.2.3 活性炭自動噴射程序設計

活性炭自動噴射程序設計的主要原理是采集煙道煙氣流量，根據煙道煙氣流量值經過一定的計算得出活性炭注入的量值。然后通過刮料機、螺旋給料機、稱重傳感器等配合工作，將一定量的活性炭噴射進入吸收塔。

噴射充分條件：(1)噴霧塔進口煙氣的溫度處于正常范圍；(2)給料倉內溫度處于正常范圍；(3)給料倉內壓力處于正常范圍；(4)給料倉活性炭物位處于正常范圍；(5)給料倉內活性炭重量處于正常范圍；(6)引風機處于正常工作狀態。

當滿足以上充分條件時，裝置狀態變為允許噴射，進入允許噴射狀態后打開給料倉活性炭出料閥，啟動螺旋給料機，延時一段時間以后(清空出料管內殘留)啟動給料倉刮料機，同時稱重傳感器測量需要噴射的活性炭的重量，經測量之后的一定量活性炭由螺旋給料機噴射進入文丘里管，而后由引風機送入煙道，然后進入吸收塔中[4]。流程圖如圖5所示。

圖5 活性炭噴射程序流程圖

1.2.4 系統報警保護程序設計

系統報警主要分為碳倉保護報警、給料倉報警保護、管道報警保護等幾個方面，主要有溫度報警、壓力報警、物料狀態報警等幾方面。壓力檢測主要是碳倉壓力檢測、給料倉壓力檢測、除氮氣管外管道壓力檢測、氮氣管道壓力檢測。前三者的壓力標準相同，第四者由于液氮的特性原因，壓力標準有一些不同。當檢測到壓力值高于設定的壓力值上限時系統報警，并且采取保護動作，具體的保護動作如圖6所示。當壓力值高于設定的上限時采取關閉系統的動作。溫度報警的主要目的在于確保活性炭工作時的吸附活性，由于其吸附活性對于溫度有一定要求，所以溫度檢測是有必要的。當出現溫度上限時，系統采取保護動作。具體的溫度檢測報警保護功能程序流程和系統報警保護程序流程圖如圖6所示。

圖6 報警保護流程圖

1.3 HMI人機界面設計

本次設計上位機監控程序，主要分為2個界面，一是系統部件狀態監控界面，如圖7所示，包括閥位動作監控、電機故障監控、溫度監控、壓力檢測。此界面的主要功能是監控噴射裝置的各個部件是否出現狀態異常，上述監測的變量是導致系統異常的幾種原因。主要的顯示效果通過信號燈來實現，各個部件都設定一個報警信號燈，當裝置狀態出現異常時對應的信號燈出現閃爍或者顏色變化。用以提示操作人員并且提供出現問題的部件位置。二是監測系統整體運行情況界面，不同于第一個界面的純監控兼報警功能，第二個系統界面主要是顯示系統的運行狀態如圖8所示，檢測并顯示系統裝置的運行狀態和運行參數，讓操作人員能夠隨時檢測系統參數的運行，同時在第二個界面設置參數設置選項，讓操作人員能夠根據工藝的變化對一些控制變量賦值，提高系統的靈活性。

圖7 活性炭噴射裝置監測報警與控制

圖8 裝置運行界面

2 系統調試

系統調試的主要目的在于確定控制要求基本實現。由于硬件設備受限，調試采取硬件仿真調試并且調試時的模擬量和數字量輸入都是人為設定，假定設定值為在工作狀態的采集值，查看系統是否能進行功能實現。

調試主要分2步進行，下位機調試和系統調試。下位機調試使用STEP 7編程軟件進行仿真調試。當未出現碳倉物料上限的時候，碳倉處于允許補料狀態。此時若出現按下碳倉物料下限，則進入碳倉補料流程，除塵閥打開，然后按下除塵閥開到位，可以看到除塵電機啟動，當進料完成之后，即按下碳倉物料上限之后進料閥關閉，按下碳倉進料閥關閉到位之后除塵電機關閉。

系統開機，給料倉默認為允許進料狀態，當按下給料倉物料重量下限時，可以觀察到給料倉/碳倉壓力平衡閥打開，按下給料倉/碳倉壓力平衡閥開到位，可以觀察到給料倉進料閥打開，按下給料倉進料閥開到位按鈕之后可以觀察到碳倉送料電機啟動。給料倉上料完成之后，即按下給料倉重量上限之后，可以觀察到給料倉進料閥關閉，按下給料倉進料閥關到位之后，可以觀察到碳倉送料電機停止。

上位機的調試主要是調試上位機的數據監測和手動控制操作兩項功能。數據監測主要的監測對象有：碳倉溫度、壓力值；給料倉溫度、壓力值；煙道氣體流量值；螺旋電子稱返回值；主要的操作對象有各個電機的啟動和停止；各個閥的啟動和關閉。進入上位機界面，在PLCSIM仿真軟件中對模擬量輸入通道賦值，觀察上位機界面中相應的工程量值，可以看到兩者工程量值相等。模擬噴射過程時分別對PIW310和PIW308模擬通道進行賦值，觀察當兩者基本相等時，螺旋給料機啟動。調試手動操作使系統進入遠控模式，分別操作各個閥的啟停，可以觀察到相應的閥動作。電機的手控模式的調試也一樣。調試顯示，手控模式能夠實現。

3 結語

本文設計了一套基于PLC的活性炭輸送裝置控制系統，采用WinCC組態軟件結合PLC仿真軟件實現對旋轉噴霧半干法煙氣脫硫技術的活性炭噴射裝置自動控制，主要解決碳倉物料狀態管理、給料倉自動補料狀態、活性炭自動噴射、裝置報警保護等自動控制，采用WinCC組態軟件實現對整個系統進行部件狀態及運行狀態監控。本設計可有效解決垃圾焚燒產生的重金屬、二噁英及酸性成分等煙氣造成的環境污染問題，也有助于提高系統的自動化水平。