基于西門子S7-1500和博途軟件在煙氣消白系統中的應用探討

劉照輝

（浙江佳環工程技術有限公司，浙江金華，321000）

0 引言

史上最嚴的新環保法自2015年起實施，從立法層面上加大了保護激勵機制與污染處罰力度。上海、浙江、天津和河北等地陸續出臺了大氣治理新規，地方標準中前所未有地提到了白煙排放的控制指標。白煙帶走了大量的煙氣水蒸氣氣化潛熱，造成水資源和余熱的浪費[1]，天津濱海新區某熱源廠于2018年末對兩臺2×75T/H循環流化床蒸汽鍋爐煙氣進行冷凝脫水消白深度治理改造。

1 消白工藝系統介紹

目前，圍繞煙氣“消白”的主流方案有：

（1）脫硫后直接加溫法，如煙氣再熱器技術系統（自煙換熱器GGH）、蒸氣換熱器技術（SGH）等，具有投資省、見效快、運行成本高等特點；

（2）先降溫再升溫法，如熱媒循環煙氣再熱器技術（MGGH），具有投資大、占用空間大、運行成本低等特點，適用于已建環保投施的改造；

（3）冷凝降溫+MGGH法，具有效率更高、運行成本低等特點，更適用于新建環保設施的改造項目。

通過對三種消白方案對比，業主最終選擇冷凝降溫+MGGH法進行深度治理改造。

冷凝降溫+MGGH法主要工藝特點是通過煙氣冷凝技術降低煙氣溫度，使煙氣沿著飽和濕度曲線降溫凝水，并回收煙氣中過飽和的水蒸氣[2]，從而降低煙氣絕對濕度。

該系統利用煙氣冷凝器對脫硫后的飽和凈煙氣冷凝降溫，使煙氣溫度及飽和濕含量降低，然后利用布置在冷凝器后的熱媒水煙氣再熱器對煙氣進行加熱升溫。提升煙氣的溫度與爬升高度，達到消除白色煙羽的效果。加熱煙氣的熱量來自于布置在除塵器前或脫硫塔前的煙氣冷卻器，利用循環熱媒水作為換熱媒介。該工藝系統包括：升溫段煙氣換熱器、噴淋塔噴淋系統、熱媒水循環系統、加藥補水系統。整個技術改造系統圖如圖 1 所示。

圖1 冷凝降溫+MGGH系統結構圖

2 控制系統概況

■2.1 硬件配置

基于消白系統運行環境惡劣且需遠程監控，控制系統硬件采用西門子SIMATIC S7-1500系列PLC[3]。作為西門子PLC系列的高端產品，該系列產品性能優異，同西門子SIMATIC S7-300/400PLC相似，S7-1500同樣為模塊化結構。SIMATIC S7- 1500 CPU集成了 PROFINET接口，該接口具備連接PROFINET總線的通信功能，可以通過組態與其它設備建立Profinet IO通信[4]。

控制系統CPU選用型號為1513-1PN，采用ET200SP模塊進行IO擴展可以最大限度節約硬件成本。ET200SP通過35mm導軌安裝，通訊接口模塊配置6ES7155-6AA00-0BN0，并配置其他信號模塊、服務器模塊及基座單元和交換機等。其中基座單元為ET 200SP模塊提供電氣和機械連接，信號模板均安裝在相應的基座上。

設置硬件網絡拓撲結構S7-1500 PLC（192.168.0.10）與 兩個ET200 SP站（192.168.0.11/12）通過交換機進行Profinet IO通信。通過博途軟件組態在網絡視圖下，點擊ET200SP站的“未分配”按鈕為ET200SP站點分配IO控制器 “PLC_1”。硬件網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 PLC硬件網絡拓撲結構圖

■2.2 程序結構

項目調試實施中PLC程序設計是整個項目設計的核心。博途軟件有著強大的編程語言支持，項目程序編寫采用梯形圖(LAD)、語句表(STL)及結構化控制語言（SCL）相結合方式進行編程。

在項目程序設計時首先對工藝控制要求進行了解并將控制任務進行分解，從而編寫相應功能的程序塊，博途軟件通過循環掃描主程序OB1從而調用包括模擬量數據處理[5]、電機控制、儀表閥門控制、各種保護及數據報警輸出等子程序。

根據消白的工藝特點，控制要點主要有加藥及循環噴淋系統變頻器的自動調節、部分水泵的工頻電機保護啟停和模擬量數據的轉換及報警等。控制系統程序分成若干個子任務，如每個噴淋塔的工頻電機啟停（FC3/FC4）、除霧器沖洗閥的邏輯啟停控制（FC8）、模擬量處理（FC1/FC5）、模擬量數據選擇（FC7）等。并將程序執行后的數據塊分別存儲與相應全局共享數據塊[6]。PLC編程軟件程序結構圖3所示。

圖3 PLC編程軟件結構圖

編程狀態下，通過添加函數便可添加功能（FC）或功能塊（FB），編程語言根據編程需要選擇LAD、STL或SCL方式。電機啟停連鎖控制選用LAD梯形圖語言方式編程，以此提高控制程序開發效率并增加準確性及調試監控方便。模擬量數據處理采用SCL高級語言編程，因SCL高級編程方式主要用于數據算法設計。電機PID控制采用STL編程，該方式支持指針以及間接尋址，對于集中數據處理方面有很大的優勢，例如開發PID和其它一些高級算法程序。

項目程序中MOTOR（FC2）為電機啟停子程序，通過識別遠程及就地狀態啟動電機，并采集電機實時運行信號對電機進行聯鎖保護， FC3或FC4通過調用FC2及添加實際參數地址便完成某單個電機的控制塊。典型的電機啟停如圖4所示。

圖4 配準前后獲取的全聚焦圖像

模擬量轉換塊（FC6）通過SCL語言編寫，同樣用于子程序調用，該程序塊主要用于將標準的模擬量4～20mA電流信號轉換成對應儀表量程。模擬量功能塊通過調用將相應通道輸入，將壓力變送器4～20 mA 兩線制電流信號轉換成0～1.0 MPa，將流量計4～20 mA 四線制電流信號轉換成0～30m3/h等，也可以對溫度的鉑熱電阻 PT100的信號轉換成0～100℃。模擬量轉換SCL編程如圖5所示。

圖5 模擬量轉換SCL圖

3 畫面監控系統

博途編程軟件TIA_Portal_STEP_7_Pro_WINCC_Pro_V15不僅可以對PLC程序進行編寫，同樣可以對工藝畫面進行組態，在編程界面下通過添加PC系統新設備然后添加WinCC RT Professional便可進行畫面組態，從而實現傳統WINCC的功能。其中博途WinCC RT Professional用于項目的組態編譯，而WinCC RC Professional用于項目的運行[7]。Portal_WINCC組態具有更好的開放性和兼容性，在畫面組態窗口下可方便的進行項目的畫面編輯組態及PLC變量點的連接，從而設計出人性化及操作界面友好的運行畫面，通過對HMI 報警組態及記錄組態添加實時與歷史趨勢曲線、報警畫面等功能用于對事故及故障分析。

為便于操作，除設置消白系統工藝流程主畫面還設置其他分系統畫面如噴淋系統畫面、加藥系統畫面、報警畫面、趨勢畫面等，實現上位機對不同功能要求的監控及數據分析。各分系統畫面除監控系統的溫度、壓力、流量、PH值及煙氣參數外還有各電機及閥門開合狀態。同時畫面友好的設置彈出式操作界面，用于對單個電機、電動執行器及變頻裝置PID操作控制。

根據Portal_WINCC鏈接SQL數據庫組態重要工藝參數數據采集，通過調取SQL數據庫數據保存和建立實時、歷史曲線趨勢,工程師權限下設置操作員權限查看并分析實時和歷史曲線，可對實時和歷史曲線進行調取打印，對選擇時間范圍內的數據進行運行情況分析。

畫面編輯狀態下，通過HMI報警窗口對報警變量編輯，Portal_WINCC可以對程序報警的讀取及報警值設定，包括工藝控制要求的溫度、壓力、流量及煙氣參數等設定報警和電機運行故障、閥門的開關超時等報警，當正常運行狀態下有溫度、壓力、煙氣參數測量值超過報警畫面設定范圍或電機出現過熱報警、閥門開關超時等報警發生時,在主畫面上對應的設備閃爍報警，同時在報警界面中留有文字描述記錄。報警界面可為操作員快速識別及排除故障提供幫助。

4 結束語

消白PLC監控系統在自完成調試后運行以來數據采集及監控穩定，實際運行情況表明應用西門子S7-1500在博途編程軟件（TIA）組態配合下功能強大，可完全滿足項目應用要求。通過Profinet IO通信掛ET200SP站，有著很高的性價比，大大節約了硬件采購成本。博途編程軟件集成Portal_WINCC組態監控畫面，實現了編程系統和畫面組態在通信方面的設計無縫連接，Portal_WINCC組態人性化操作界面可實時監控PLC運行數據及狀態，達到控制現場工藝系統的目的, 實現消白工藝運行管控一體化目的。