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(tǒng)具有工藝參數(shù)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(tǒng)（DCS）硬接線接口，可以實現(xiàn)DCS程控操作，監(jiān)控吹灰槍運行狀態(tài)，并提供總報警提示；另外可以通過系統(tǒng)發(fā)給DCS的高壓水請求信號，實現(xiàn)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(tǒng)具有良好的GGH換熱面吹掃效果和吹灰器使用壽命。系統(tǒng)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(jiān)視程序的DCS modbus通信接口。HMI操作屏原為OP170B，現(xiàn)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(tǒng)向DCS發(fā)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(tǒng)向DCS發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)類似，只是每步步進位移為30～50mm（可選）。

控制系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)組成

2 控制系統(tǒng)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(xiàn)沖洗過程的自動程控。

（4）系統(tǒng)運行工藝需要的位移、時間、壓力等參數(shù)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(xiàn)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(huán)境和腐蝕吹灰器等設備，密封風流量低系統(tǒng)會報警。

（5）介質閥門開、關到位信號，用于監(jiān)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(zhí)行機構。

2.3 主要系統(tǒng)硬件

主要系統(tǒng)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(jiān)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(shù)器輸入端用于編碼器計數(shù)，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(tǒng)，運行參數(shù)設置，并且可以監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)，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(xié)議RS485方式進行通信［3-4］。

3 控制系統(tǒng)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(shù)頻率，所以必須使用PLC的高速計數(shù)器來接受編碼器信號。S7-200PLC CPU216自帶兩個兩相高速計數(shù)器端口，第一組高速計數(shù)輸入點為I 0.0和I 0.1，第二組高速計數(shù)輸入點為I 0.3和I 0.4，兩相高速計數(shù)最大頻率20Hz。

3.1.2 S7-200高速計數(shù)器編程

本系統(tǒng)使用S7-200PLC CPU216的自帶第一組高速計數(shù)器，不必再另外增加高速計數(shù)器模塊，編碼器接入高速計數(shù)輸入點I 0.0和I 0.1，高速計數(shù)器編號HSC0，計數(shù)當前值HC0，雙字節(jié)。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(tǒng)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(xiàn)高速計數(shù)器的加減計數(shù)，從而實現(xiàn)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(shù)器計數(shù)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(shù)器編碼器脈沖數(shù)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(shù)器計數(shù)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(shù)器將值寫給VDXXX雙字節(jié)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(shù)器將值寫給VDXXX的值就是一分鐘編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)。設備退回原位，高速計數(shù)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(shù)器的當前值HC0除以系數(shù)2.29就是設備運行時的位移。在主程序中調用高速計數(shù)器子程序以及脈沖行程系數(shù)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(fā)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(xiàn)了機械慣性問題的處理。圖中VW438是吹灰槍啟動后連續(xù)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(tǒng)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(jù)具體工況，靈活設置參數(shù)了。

3.4 OP177B操作屏與S7-200CPU216通信設置

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

通信電纜為9針對9針，3＋／8-。組態(tài)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(tài)軟件的報警管理菜單下，可以組態(tài)離散量和模擬量報警、定義報警信息。組態(tài)好的報警，當畫面運行報警發(fā)生時，相應報警的信息就會顯示在報警窗口里面。報警發(fā)生的同時，PLC會發(fā)出系統(tǒng)總報警信號給DCS，操作者會及時發(fā)現(xiàn)報警進行處理。對于發(fā)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(tài)

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(shù)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(shù)設置畫面及進入口令的設計

根據(jù)不同工況，設置不同運行參數(shù)是程控系統(tǒng)的一個重要功能。本系統(tǒng)共有參數(shù)26個，但這些參數(shù)必須由相關人員設置，所以本系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)。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(xiàn)的。圖6和圖7內容可以作為實現(xiàn)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(xié)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(xiàn)一個“庫”節(jié)點。在“庫”節(jié)點上點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇“庫存儲區(qū)”，進入“庫存儲區(qū)分配”對話框（見圖8）。

圖7 調用Modbus通信命令

圖8 庫存儲區(qū)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(xiàn)的問題及解決方案

5.1 強制吹灰功能的實現(xiàn)

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(fā)現(xiàn)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(shù)字和字母鍵（由觸摸實現(xiàn)），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(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)出版社，2005：396-400.

［2］呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)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(tǒng)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.