PLC 控制系統在脫硫工藝中的應用

楊慧民

（金牛天鐵煤焦化有限公司，河北 邯鄲 056404）

引言

金牛天鐵煤焦化有限公司焦爐煤氣采用了真空碳酸鉀工藝脫硫，塔后的指標不能滿足國家環保要求，因此我們要對該生產工藝進行改造，擬在現有的真空碳酸鉀工藝裝置后串聯新建一套絡合鐵精脫硫及硫膏離心機處理裝置，將煤氣中H2S 從真空碳酸鉀脫硫裝置后的含量（質量濃度）從1 500 mg/m3脫除到20 mg/m3以下。新增的煤氣脫硫裝置擬采用以碳酸鈉為堿源的煤氣脫硫工藝及裝置。當真空碳酸鉀脫硫裝置要進行檢修時，新增的脫硫裝置可保證煤氣中H2S含量（質量濃度）由7 000 mg/m3降至300 mg/m3。本工藝為環保項目，工藝內產生的少量廢氣，采用了如下的防范措施：煤氣脫硫過程中產生含微量硫泡沫的廢氣，自再生槽出來由風機引至尾氣洗滌塔用碳酸鈉溶液洗滌后排放。投用GLT 絡合鐵催化劑后，脫硫系統不外排廢液，更不需要提鹽裝置。本工藝采用焦爐煤氣脫硫的專利工藝，具有工藝流程短，設備集成度高、運行費用低、占地面積小、工程投資低等特點。為了滿足工藝生產要求，提高經濟效益，本次工藝設計了較完善的檢測和控制項目，利用原有中控室，新建PLC自動控制系統和上位機監控畫面，實現對現場設備運行情況的實時監測，保障了生產工藝的穩定性及質量要求，使得該精脫硫系統得以連續穩定地運行[1]。

1 硬件及軟件設計

1.1 硬件配置

PLC 作為整個精脫硫工藝系統的核心大腦，要求系統實現對煤氣脫硫工藝各項設備的數據信號監測和自動控制，保證機組的安全和經濟運行。通過光纖通訊的方式在控制室內操作。為滿足該要求，我們對此系統將采用SIMATIC S7 系列的PLC，本系統主要由導軌，電源模塊，中央處理器，數字量輸入模塊，數字量輸出模塊，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊組成。

西門子PLC 的家族非常龐大，有小型的、中型的、大型的PLC，小型如S7-200 系列PLC、中型如S7-300 系列、大型如S7-400 系列，為了滿足高速數字量處理，多功能協議轉換口，運動控制，功能冗余等強大的功能，該脫硫系統采用了S7-1500 系列的PLC。CPU 1515-2 PN 是適用于大中型應用的標準型CPU 模塊。該模塊是數據存儲器及大容量程序的CPU，集成強大的網絡連接，響應時間短，指令處理速度快等功能。模擬量輸入模塊采用的是多功能模塊，不僅可以輸入電流、電壓信號，還能夠輸入電阻信號測量溫度。

1.2 硬件控制功能

該系統自動控制的所有控制要求都只能通過系統的PLC 模塊控制來實現，如要監控現場儀表設備生產過程中的數據，則需要通過模擬量輸入模塊來將模擬量信號轉換成CPU 內部的數字信號，再把CPU發出的指令轉換為4～20 mA 的模擬量信號通過模擬量輸出模塊發送給現場儀表變送器。如要控制現場電氣設備的啟動及停止，則需將現場傳來的繼電器通斷信號通過數字量輸入模塊來轉換成PLC 內部二進制信號，再將內部信號通過數字量輸出模塊給到現場電氣設備進行啟動或停止的命令信號。

PLC 的通訊方式有PPI 協議通訊，RS485 串口通訊，以太網通訊、MPI 通訊、MODBUS 通訊，PROFINET通訊和PROFIBUS-DP 通訊，本系統采用了基于CPU自身的PROFINET 通訊，其完全兼容了現場總線和工業以太網技術。

1.3 軟件配置

該系統的上位機采用了雙硬盤熱插拔雙網卡的研華科技工控機，其中精脫硫設有一個工程師站，一個中控室操作站。兩臺上位機之間是通過以太網（TCP/IP）來進行通信的，并采用光纖通訊技術將監控數據上傳給企業內部網絡上相應的管理者。兩臺監控站之間采用了冗余結構。上位機的操作系統都是以Windows10 系統為平臺，采用的是西門子博途軟件V15 來為編寫數據采集和自動控制程序，其選用的是西門子視窗控制WinCC7.4 版本作為本系統的監控軟件。WinCC 是西門子最經典的過程可視化監控系統，可以實現在線實時遠程監控，連鎖控制，遠程操作，數據歸檔，故障報警等多種功能。

1.4 上位機軟件控制功能

WinCC 是一個自動化控制上位機組態軟件，其主要的功能就是利用各種通訊協議來與現場的儀表電氣設備交換數據，將生產現場的重要參數以通俗直觀的圖像數字的方式顯示在計算機的屏幕上，以便于操作間的操作人員對現場的設備進行控制。IO 控制如控制泵的啟動停止，羅茨風機的啟動停止，調節閥開度的給定，變頻器頻率給定，上位機軟件可以把現場設備有動作時的情況真實的反映在畫面上，風機的溫度，電流，塔后出口壓力，液位槽的液位高度，調節閥的開度都能以數字的形式顯示在畫面上，設備的運行情況可以經畫面設備的顏色變化來反饋該設備是否在運行狀態，從而可以減少了崗位操作人員許多在現場的實際操作，大大節省了崗位人員的勞動量，同時又節省了時間，空間。WinCC 軟件可以實時反饋現場設備數據，當出現異常時，WinCC 可以提示響應的報警文本以及發出報警聲音[2]。

2 工藝過程及控制方式

2.1 工藝過程

從真空碳酸鉀脫硫裝置來的焦爐煤氣進入脫硫塔下部，并沿脫硫段自下而上與頂部噴灑的脫硫液逆流接觸，進行液相催化氧化的化學吸收過程，將煤氣中的大部分硫化氫吸收在脫硫液中。為了保持一定的催化劑濃度并盡量減少其耗量，采用了連續補加少量堿液及催化劑的措施。GLT 絡合鐵脫硫催化劑具有硫容量高、再生反應速率快、選擇性高、催化劑穩定性高、噸硫磺的催化劑消耗量低等優點。吸收了硫化氫后的脫硫液通過塔底煤氣液封設施，自流到再生槽的頂部，通過噴射器與風機輸送的空氣接觸，進行氧化再生，再生后的脫硫液經液位調節器調節自流到脫硫塔底部循環槽，由脫硫液循環泵打至脫硫塔頂，循環使用。脫硫后煤氣中的硫化氫含量達標。從再生槽溢流出來的硫泡沫自流到硫泡沫槽，用硫泡沫泵打入離心機，分離出的清液自流返回脫硫系統，離心后的泡沫外運。經過硫泡沫以及碳酸鈉等物料的倒運工具來搬運。新增的配堿槽及配堿泵，配堿可采用脫硫液或工業新水，通過堿泵循環攪拌后打至脫硫液循環泵入口。配堿槽由機械攪拌裝置來對其進行攪拌。脫硫過程中產生含空氣和硫泡沫的廢氣，脫硫再生廢氣量約5 000 m3/h，經過尾氣洗滌塔，采用堿液對尾氣進行洗滌，洗滌后的尾氣滿足國家排放要求。回收的硫膏由人工清理及裝袋運輸，防止污染環境。

2.2 控制方式

系統控制現場設備旁設有機旁控制，具有遠程就地按鈕，當該按鈕打在遠程時，中控室人員通過上位機監控畫面可以對設備進行控制，但當打在檢修或者就地的情況時，就地操作時，復位自動條件，聯鎖程序解除，上位機不可控制現場設備。只能由機旁控制按鈕來對設備進行相應的操作，防止突發情況。

由PLC 系統控制的所有現場設備泵均采用一開一備，系統程序設有聯鎖自動啟停和故障自動停車的功能，當其中一臺泵運行出現故障時，PLC 將給其發送停車信號，使其停車，并對另一臺備用泵發送啟動信號使其自動啟動運行，如脫硫液循環泵，堿自吸泵，催化計量泵等，以保證系統的正常運轉和工藝穩步生產，若兩臺泵均啟動不成功，沒有反饋信號，短暫的三秒延時后將置位故障信號，停止啟動信號，發出報警聲音，并在畫面上出現報警信息，該泵的控制系統將停止運行。此時需要及時聯系崗位人員及檢修人員查找原因并恢復。

羅茨風機由變頻器來控制其運轉速度，其本體由風扇和電機兩部分組成，當打到遠程信號時，中控室給出羅茨風機啟動脈沖命令后，風機運行，在一定時間內如果監測不到運行信號則發生故障，則上位機報警，羅茨風機變頻器的頻率可以手動給定調節，當羅茨風機的風扇或者電機故障時，自動停車，上位機則有報警信息及報警聲音。其中羅茨風機有三相溫度，軸承溫度和非軸承溫度的測點，通過PLC 模擬量模塊，顯示在畫面上溫度的相關數據，并參與聯鎖，當其三相溫度超過100 ℃時，羅茨風機聯鎖停車，當兩臺風機同時停止后會使其高壓電柜跳閘以保護控制線路。

現場設備的溫度，液位都有一個生產的正常范圍，當其一旦超出該范圍，或者低于該范圍都是不正常的，上位機應該出現報警，由于現場工藝的多變性，其范圍設定可以讓中控室操作人員來進行上下限的設定，程序里設有DB 塊地址和實際數據進行比較，畫面輸入輸出域掛載DB 塊地址變量，可以輸入，當超出范圍上位機則產生報警聲音和畫面閃爍來告知監控人員。系統還可以對硬件故障進行自動診斷，一旦發現異常進行報警，提醒操作人員故障，及時消除故障，避免連鎖停車，為安全生產提供保障。主要檢測的點位有：入脫硫塔煤氣溫度，出脫硫塔煤氣溫度，脫硫塔底部循環槽溫度，羅茨風機出口氣體溫度，硫泡沫槽溫度，脫硫塔煤氣壓力的檢測，出脫硫塔煤氣壓力的檢測，脫硫液循環泵出口壓力的檢測，脫硫塔頂溶液入口壓力的檢測，羅茨風機出口氣體壓力的檢測，脫硫液循環泵出口流量的檢測，羅茨風機出口氣體流量的檢測，脫硫塔底部循環槽液位的檢測，脫硫塔頂再生槽液位，溶液中間槽液位的檢測，催化劑槽液位的檢測，配堿槽液位的檢測，地下放空槽液位的檢測，脫硫塔上部液位的檢測，硫泡沫槽液位的檢測，洗塔底部循環槽液位的檢測。由于液位和流量的波動性，所以程序中流量和液位報警時均設置延遲10 s 才置為報警信號，報警信號傳遞給WinCC，產生聲音報警。溫度較為穩定，故報警沒有設置延時，實時產生報警信號。當設備出現故障時，應將機旁操作打到就地，中控人員應將故障設備打到單動，換另一臺設備進行生產，避免設備突然啟動造成事故發生。故障排除后經確認方可投入遠程和聯鎖。

聯鎖條件是工藝系統安全的基礎，該系統要求設有的連鎖條件，如溶液循環泵與脫硫塔底低液位聯鎖，當脫硫塔液位低于設定下限時，循環泵自動停止運轉；地下放空槽液位與液下泵聯鎖，當地下放空槽液位低于設定下限值時自動停泵，當地下放空槽液位高于設定上限值時自動啟泵，風機溫度高于程序設定值會自動停止運行，保障設備和現場安全。

上位機中所有數據都有歸檔在數據庫，并且采集的溫度、液位、壓力和流量等數據，都具有歷史曲線的設定，歷史工藝數據以及報警消息都會保存在數據庫中，以分段壓縮形式儲存，用戶不方便直接讀取數據庫，要用WinCC 訪問數據時才會自動合并并分段解壓縮數據，擁有數據歸檔，以便于分析故障原因及生產記錄的反饋，而歷史曲線能夠直觀地反映出生產情況。

3 結語

本系統在查閱大量的相關資料和現場勘察后對硬件設備進行了選型，選擇了S7-1500 系列與WinCC7.4相結合的設計。構建了脫硫工藝監控系統，實現了自動控制。該系統具有穩定的數據采集，順序控制的功能，系統的運行和啟停在上位機上可以完成，節省人力資源，該系統投放后運行穩定，不僅創造了可觀的價值收益，還實現了實時監測排放數據，保護環境的目的。