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?fàn)t煤氣采用了真空碳酸鉀工藝脫硫，塔后的指標(biāo)不能滿足國(guó)家環(huán)保要求，因此我們要對(duì)該生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造，擬在現(xiàn)有的真空碳酸鉀工藝裝置后串聯(lián)新建一套絡(luò)合鐵精脫硫及硫膏離心機(jī)處理裝置，將煤氣中H2S 從真空碳酸鉀脫硫裝置后的含量（質(zhì)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(dāng)真空碳酸鉀脫硫裝置要進(jìn)行檢修時(shí)，新增的脫硫裝置可保證煤氣中H2S含量（質(zhì)量濃度）由7 000 mg/m3降至300 mg/m3。本工藝為環(huán)保項(xiàng)目，工藝內(nèi)產(chǎn)生的少量廢氣，采用了如下的防范措施：煤氣脫硫過(guò)程中產(chǎn)生含微量硫泡沫的廢氣，自再生槽出來(lái)由風(fēng)機(jī)引至尾氣洗滌塔用碳酸鈉溶液洗滌后排放。投用GLT 絡(luò)合鐵催化劑后，脫硫系統(tǒng)不外排廢液，更不需要提鹽裝置。本工藝采用焦?fàn)t煤氣脫硫的專利工藝，具有工藝流程短，設(shè)備集成度高、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小、工程投資低等特點(diǎn)。為了滿足工藝生產(chǎn)要求，提高經(jīng)濟(jì)效益，本次工藝設(shè)計(jì)了較完善的檢測(cè)和控制項(xiàng)目，利用原有中控室，新建PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障了生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性及質(zhì)量要求，使得該精脫硫系統(tǒng)得以連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行[1]。

1 硬件及軟件設(shè)計(jì)

1.1 硬件配置

PLC 作為整個(gè)精脫硫工藝系統(tǒng)的核心大腦，要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣脫硫工藝各項(xiàng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，保證機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通過(guò)光纖通訊的方式在控制室內(nèi)操作。為滿足該要求，我們對(duì)此系統(tǒng)將采用SIMATIC S7 系列的PLC，本系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌，電源模塊，中央處理器，數(shù)字量輸入模塊，數(shù)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(mén)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(shù)字量處理，多功能協(xié)議轉(zhuǎn)換口，運(yùn)動(dòng)控制，功能冗余等強(qiáng)大的功能，該脫硫系統(tǒng)采用了S7-1500 系列的PLC。CPU 1515-2 PN 是適用于大中型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)型CPU 模塊。該模塊是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及大容量程序的CPU，集成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接，響應(yīng)時(shí)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(hào)，還能夠輸入電阻信號(hào)測(cè)量溫度。

1.2 硬件控制功能

該系統(tǒng)自動(dòng)控制的所有控制要求都只能通過(guò)系統(tǒng)的PLC 模塊控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，如要監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，則需要通過(guò)模擬量輸入模塊來(lái)將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU 內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)，再把CPU發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的模擬量信號(hào)通過(guò)模擬量輸出模塊發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器。如要控制現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的啟動(dòng)及停止，則需將現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的繼電器通斷信號(hào)通過(guò)數(shù)字量輸入模塊來(lái)轉(zhuǎn)換成PLC 內(nèi)部二進(jìn)制信號(hào)，再將內(nèi)部信號(hào)通過(guò)數(shù)字量輸出模塊給到現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)或停止的命令信號(hào)。

PLC 的通訊方式有PPI 協(xié)議通訊，RS485 串口通訊，以太網(wǎng)通訊、MPI 通訊、MODBUS 通訊，PROFINET通訊和PROFIBUS-DP 通訊，本系統(tǒng)采用了基于CPU自身的PROFINET 通訊，其完全兼容了現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

1.3 軟件配置

該系統(tǒng)的上位機(jī)采用了雙硬盤(pán)熱插拔雙網(wǎng)卡的研華科技工控機(jī)，其中精脫硫設(shè)有一個(gè)工程師站，一個(gè)中控室操作站。兩臺(tái)上位機(jī)之間是通過(guò)以太網(wǎng)（TCP/IP）來(lái)進(jìn)行通信的，并采用光纖通訊技術(shù)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳給企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)的管理者。兩臺(tái)監(jiān)控站之間采用了冗余結(jié)構(gòu)。上位機(jī)的操作系統(tǒng)都是以Windows10 系統(tǒng)為平臺(tái)，采用的是西門(mén)子博途軟件V15 來(lái)為編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制程序，其選用的是西門(mén)子視窗控制WinCC7.4 版本作為本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件。WinCC 是西門(mén)子最經(jīng)典的過(guò)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，連鎖控制，遠(yuǎn)程操作，數(shù)據(jù)歸檔，故障報(bào)警等多種功能。

1.4 上位機(jī)軟件控制功能

WinCC 是一個(gè)自動(dòng)化控制上位機(jī)組態(tài)軟件，其主要的功能就是利用各種通訊協(xié)議來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)的儀表電氣設(shè)備交換數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的重要參數(shù)以通俗直觀的圖像數(shù)字的方式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上，以便于操作間的操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制。IO 控制如控制泵的啟動(dòng)停止，羅茨風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)停止，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的給定，變頻器頻率給定，上位機(jī)軟件可以把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有動(dòng)作時(shí)的情況真實(shí)的反映在畫(huà)面上，風(fēng)機(jī)的溫度，電流，塔后出口壓力，液位槽的液位高度，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度都能以數(shù)字的形式顯示在畫(huà)面上，設(shè)備的運(yùn)行情況可以經(jīng)畫(huà)面設(shè)備的顏色變化來(lái)反饋該設(shè)備是否在運(yùn)行狀態(tài)，從而可以減少了崗位操作人員許多在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，大大節(jié)省了崗位人員的勞動(dòng)量，同時(shí)又節(jié)省了時(shí)間，空間。WinCC 軟件可以實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，WinCC 可以提示響應(yīng)的報(bào)警文本以及發(fā)出報(bào)警聲音[2]。

2 工藝過(guò)程及控制方式

2.1 工藝過(guò)程

從真空碳酸鉀脫硫裝置來(lái)的焦?fàn)t煤氣進(jìn)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(jìn)行液相催化氧化的化學(xué)吸收過(guò)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(xù)補(bǔ)加少量堿液及催化劑的措施。GLT 絡(luò)合鐵脫硫催化劑具有硫容量高、再生反應(yīng)速率快、選擇性高、催化劑穩(wěn)定性高、噸硫磺的催化劑消耗量低等優(yōu)點(diǎn)。吸收了硫化氫后的脫硫液通過(guò)塔底煤氣液封設(shè)施，自流到再生槽的頂部，通過(guò)噴射器與風(fēng)機(jī)輸送的空氣接觸，進(jìn)行氧化再生，再生后的脫硫液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)自流到脫硫塔底部循環(huán)槽，由脫硫液循環(huán)泵打至脫硫塔頂，循環(huán)使用。脫硫后煤氣中的硫化氫含量達(dá)標(biāo)。從再生槽溢流出來(lái)的硫泡沫自流到硫泡沫槽，用硫泡沫泵打入離心機(jī)，分離出的清液自流返回脫硫系統(tǒng)，離心后的泡沫外運(yùn)。經(jīng)過(guò)硫泡沫以及碳酸鈉等物料的倒運(yùn)工具來(lái)搬運(yùn)。新增的配堿槽及配堿泵，配堿可采用脫硫液或工業(yè)新水，通過(guò)堿泵循環(huán)攪拌后打至脫硫液循環(huán)泵入口。配堿槽由機(jī)械攪拌裝置來(lái)對(duì)其進(jìn)行攪拌。脫硫過(guò)程中產(chǎn)生含空氣和硫泡沫的廢氣，脫硫再生廢氣量約5 000 m3/h，經(jīng)過(guò)尾氣洗滌塔，采用堿液對(duì)尾氣進(jìn)行洗滌，洗滌后的尾氣滿足國(guó)家排放要求?；厥盏牧蚋嘤扇斯で謇砑把b袋運(yùn)輸，防止污染環(huán)境。

2.2 控制方式

系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備旁設(shè)有機(jī)旁控制，具有遠(yuǎn)程就地按鈕，當(dāng)該按鈕打在遠(yuǎn)程時(shí)，中控室人員通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，但當(dāng)打在檢修或者就地的情況時(shí)，就地操作時(shí)，復(fù)位自動(dòng)條件，聯(lián)鎖程序解除，上位機(jī)不可控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。只能由機(jī)旁控制按鈕來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，防止突發(fā)情況。

由PLC 系統(tǒng)控制的所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備泵均采用一開(kāi)一備，系統(tǒng)程序設(shè)有聯(lián)鎖自動(dòng)啟停和故障自動(dòng)停車的功能，當(dāng)其中一臺(tái)泵運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，PLC 將給其發(fā)送停車信號(hào)，使其停車，并對(duì)另一臺(tái)備用泵發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)使其自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，如脫硫液循環(huán)泵，堿自吸泵，催化計(jì)量泵等，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工藝穩(wěn)步生產(chǎn)，若兩臺(tái)泵均啟動(dòng)不成功，沒(méi)有反饋信號(hào)，短暫的三秒延時(shí)后將置位故障信號(hào)，停止啟動(dòng)信號(hào)，發(fā)出報(bào)警聲音，并在畫(huà)面上出現(xiàn)報(bào)警信息，該泵的控制系統(tǒng)將停止運(yùn)行。此時(shí)需要及時(shí)聯(lián)系崗位人員及檢修人員查找原因并恢復(fù)。

羅茨風(fēng)機(jī)由變頻器來(lái)控制其運(yùn)轉(zhuǎn)速度，其本體由風(fēng)扇和電機(jī)兩部分組成，當(dāng)打到遠(yuǎn)程信號(hào)時(shí)，中控室給出羅茨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)脈沖命令后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在一定時(shí)間內(nèi)如果監(jiān)測(cè)不到運(yùn)行信號(hào)則發(fā)生故障，則上位機(jī)報(bào)警，羅茨風(fēng)機(jī)變頻器的頻率可以手動(dòng)給定調(diào)節(jié)，當(dāng)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇或者電機(jī)故障時(shí)，自動(dòng)停車，上位機(jī)則有報(bào)警信息及報(bào)警聲音。其中羅茨風(fēng)機(jī)有三相溫度，軸承溫度和非軸承溫度的測(cè)點(diǎn)，通過(guò)PLC 模擬量模塊，顯示在畫(huà)面上溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并參與聯(lián)鎖，當(dāng)其三相溫度超過(guò)100 ℃時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖停車，當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)停止后會(huì)使其高壓電柜跳閘以保護(hù)控制線路。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的溫度，液位都有一個(gè)生產(chǎn)的正常范圍，當(dāng)其一旦超出該范圍，或者低于該范圍都是不正常的，上位機(jī)應(yīng)該出現(xiàn)報(bào)警，由于現(xiàn)場(chǎng)工藝的多變性，其范圍設(shè)定可以讓中控室操作人員來(lái)進(jìn)行上下限的設(shè)定，程序里設(shè)有DB 塊地址和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，畫(huà)面輸入輸出域掛載DB 塊地址變量，可以輸入，當(dāng)超出范圍上位機(jī)則產(chǎn)生報(bào)警聲音和畫(huà)面閃爍來(lái)告知監(jiān)控人員。系統(tǒng)還可以對(duì)硬件故障進(jìn)行自動(dòng)診斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行報(bào)警，提醒操作人員故障，及時(shí)消除故障，避免連鎖停車，為安全生產(chǎn)提供保障。主要檢測(cè)的點(diǎn)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(huán)槽溫度，羅茨風(fēng)機(jī)出口氣體溫度，硫泡沫槽溫度，脫硫塔煤氣壓力的檢測(cè)，出脫硫塔煤氣壓力的檢測(cè)，脫硫液循環(huán)泵出口壓力的檢測(cè)，脫硫塔頂溶液入口壓力的檢測(cè)，羅茨風(fēng)機(jī)出口氣體壓力的檢測(cè)，脫硫液循環(huán)泵出口流量的檢測(cè)，羅茨風(fēng)機(jī)出口氣體流量的檢測(cè)，脫硫塔底部循環(huán)槽液位的檢測(cè)，脫硫塔頂再生槽液位，溶液中間槽液位的檢測(cè)，催化劑槽液位的檢測(cè)，配堿槽液位的檢測(cè)，地下放空槽液位的檢測(cè)，脫硫塔上部液位的檢測(cè)，硫泡沫槽液位的檢測(cè)，洗塔底部循環(huán)槽液位的檢測(cè)。由于液位和流量的波動(dòng)性，所以程序中流量和液位報(bào)警時(shí)均設(shè)置延遲10 s 才置為報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)傳遞給WinCC，產(chǎn)生聲音報(bào)警。溫度較為穩(wěn)定，故報(bào)警沒(méi)有設(shè)置延時(shí)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)將機(jī)旁操作打到就地，中控人員應(yīng)將故障設(shè)備打到單動(dòng)，換另一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，避免設(shè)備突然啟動(dòng)造成事故發(fā)生。故障排除后經(jīng)確認(rèn)方可投入遠(yuǎn)程和聯(lián)鎖。

聯(lián)鎖條件是工藝系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)要求設(shè)有的連鎖條件，如溶液循環(huán)泵與脫硫塔底低液位聯(lián)鎖，當(dāng)脫硫塔液位低于設(shè)定下限時(shí)，循環(huán)泵自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；地下放空槽液位與液下泵聯(lián)鎖，當(dāng)?shù)叵路趴詹垡何坏陀谠O(shè)定下限值時(shí)自動(dòng)停泵，當(dāng)?shù)叵路趴詹垡何桓哂谠O(shè)定上限值時(shí)自動(dòng)啟泵，風(fēng)機(jī)溫度高于程序設(shè)定值會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，保障設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)安全。

上位機(jī)中所有數(shù)據(jù)都有歸檔在數(shù)據(jù)庫(kù)，并且采集的溫度、液位、壓力和流量等數(shù)據(jù)，都具有歷史曲線的設(shè)定，歷史工藝數(shù)據(jù)以及報(bào)警消息都會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以分段壓縮形式儲(chǔ)存，用戶不方便直接讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，要用WinCC 訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)自動(dòng)合并并分段解壓縮數(shù)據(jù)，擁有數(shù)據(jù)歸檔，以便于分析故障原因及生產(chǎn)記錄的反饋，而歷史曲線能夠直觀地反映出生產(chǎn)情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在查閱大量的相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘察后對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行了選型，選擇了S7-1500 系列與WinCC7.4相結(jié)合的設(shè)計(jì)。構(gòu)建了脫硫工藝監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集，順序控制的功能，系統(tǒng)的運(yùn)行和啟停在上位機(jī)上可以完成，節(jié)省人力資源，該系統(tǒng)投放后運(yùn)行穩(wěn)定，不僅創(chuàng)造了可觀的價(jià)值收益，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排放數(shù)據(jù)，保護(hù)環(huán)境的目的。