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案例頻道1 引言
近年來，酸雨對我國的危害越來越嚴重。要實現(xiàn)酸雨的防治，對煤炭燃燒所產(chǎn)生的煙氣進行脫硫處理是重中之重。近年來隨著國內(nèi)自動化技術(shù)、設(shè)備及在線監(jiān)測儀表的發(fā)展，使得煙氣脫硫處理（FGD）的自動化程度迅速提高。其中對煙氣脫硫處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是降低煙氣含硫量、提高環(huán)保水平、防止酸雨形成的關(guān)鍵。
FGD的處理效果主要取決于其運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應(yīng)段時間以及煙氣流量。一般采用以PLC或DCS為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制風(fēng)機、水泵、電動閥等設(shè)備及各反應(yīng)段時間，使煙氣含硫量達到國家規(guī)定的排放標準。
煙氣脫硫處理是一個多參量(如液位、漿液成分、煙氣流量、壓力、PH值等)、多任務(wù)(如煙氣輸送、電機運轉(zhuǎn)、泵和閥門的啟停等)、多設(shè)備(如攪拌器、泵、氧化風(fēng)機、皮帶輸送機構(gòu)、閥門等)的復(fù)雜系統(tǒng)。所以，煙氣處理應(yīng)該由一個智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進行現(xiàn)代化的管理，使之能夠安全可靠地運行。
在煙氣脫硫處理中，現(xiàn)場控制設(shè)備比較分散，分布范圍比較廣，若采用傳統(tǒng)的控制方案，勢必要敷設(shè)大量的控制和信號電纜，浪費大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟，同時使系統(tǒng)復(fù)雜度提高，可靠性降低。采用節(jié)點總線技術(shù)，可以在降低成本的同時，提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于擴展和維護。
本文結(jié)合FOXBORO公司I/A Series控制系統(tǒng)在重慶華鎣山電廠（簡稱華電）2×300MW機組煙氣脫硫系統(tǒng)的實際應(yīng)用，著重研究了節(jié)點總線控制系統(tǒng)在脫硫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 節(jié)點總線技術(shù)
2．1節(jié)點總線技術(shù)
NODEBUS（節(jié)點總線），建立在國際標準化組織（ISO）所定義的開放系統(tǒng)互連 （OSI）標準基礎(chǔ)上， 并符合IEEE 的規(guī)范。節(jié)點總線中，各節(jié)點獨立運行， 完成自動控制的各種功能。 并可通過兼容網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點相連。使用NODEBUS總線模塊于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸可以取代昂貴的24 V或0～20 mA并行信號線，并且可以提供大量數(shù)據(jù)通信服務(wù)，高速的傳輸速度。
2．2 節(jié)點
節(jié)點是由節(jié)點總線將稱之為站（Station）的處理機組件連在一起構(gòu)成的。 每一組件是獨立的， 并設(shè)計成完成系統(tǒng)中一些通用功能， 而它的特定功能是由軟件定義的。系統(tǒng)處理機組件通過節(jié)點總線（NODEBUS）相互聯(lián)接，形成過程管理和控制節(jié)點。每一組件也可通過一根或多根的通訊鏈路與外部設(shè)備或其它類型的組件相連。 節(jié)點總線為系統(tǒng)中的各個站，提供高速、冗余、 點到點的通訊，而具有優(yōu)異的性能和安全性。
節(jié)點總線連同與它有關(guān)的站作為一個單獨整體存在，或作為載波帶局域網(wǎng)的一部分存在。當它作為一個單獨的整體時，節(jié)點總線連同它的關(guān)聯(lián)站構(gòu)成層次通訊網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。
2．3 節(jié)點構(gòu)成
在節(jié)點上主要有四種處理機：
? 應(yīng)用處理機 （Application Processor）： 與大容量存儲器相連， 存儲系統(tǒng)信息和過程控制方案與數(shù)據(jù)；以及可選地與信息網(wǎng)絡(luò)相連，提供雙向的信息和圖像的交換。
? 工作站處理機 （Workstation Processor）： 與 CRT， 工程師鍵盤，操作鍵盤和其它操作站設(shè)備相連；以及可選地與信息網(wǎng)絡(luò)相連，提供源于其它相連計算機上的 X-Window 顯示畫面。
? 控制處理機 （Control Processor） ： 可與 I/A Series 現(xiàn)場總線組件和設(shè)備相連，完成控制功能。
? 通訊處理機 （Communication Processor） ： 通過 RS－232－C 串行接口可連接打印機， VT－100 終端或調(diào)制解調(diào)器。
圖1 處理機節(jié)點總線連接圖
節(jié)點總線上還可以掛其它的功能處理機， 如：
? 信息網(wǎng)絡(luò)接口 (DECNET，NOVELL 等)
? 節(jié)點總線擴展組件和與其他網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備間提 供通訊的各種網(wǎng)間連接器。 節(jié)點總線擴展組件用來擴展節(jié)點總線的距離， 每次擴展 300 米， 可擴展二次
? 個人計算機操作站接口，使個人計算機具有控制處理機、應(yīng)用處理機和操作站處理機的功能， 它能執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、連續(xù)控制、梯形邏輯控制和順序控制。
? 儀表網(wǎng)間連接器，用來連接單回路控制器
1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成及功能設(shè)計
現(xiàn)代化的煙氣脫硫處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化。控制系統(tǒng)不僅與下層控制設(shè)備有良好的接口，具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時還應(yīng)具有可擴展性。所以現(xiàn)代化煙氣脫硫處理系統(tǒng)要求在底層采用現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，上層則選用優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，需要采用冗余、容錯技術(shù)。
根據(jù)NODE-BUS的應(yīng)用，將煙氣脫硫控制系統(tǒng)分為管理級、控制級和過程級三部分。
（1）管理級。管理級是系統(tǒng)的核心部分，其完成對煙氣脫硫處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面。其中的各臺計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。考慮到其功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶/服務(wù)器（Client／Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。服務(wù)器互為備用，實現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。這種配置的最主要的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個服務(wù)器出現(xiàn)故障，該服務(wù)器的客戶機自動從發(fā)生故障的服務(wù)器切換到備用的服務(wù)器上，使所有的客戶機始終可以監(jiān)控生產(chǎn)過程，修復(fù)后的服務(wù)器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配。
（2）控制級。控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是連接系統(tǒng)信息管理與現(xiàn)場組件通訊的樞紐。 其主要功能是發(fā)送參數(shù)或命令，對脫硫處理過程進行控制，同時將接受和計算反饋回來的現(xiàn)場狀態(tài)。控制級要求具有較高的可靠性，所以在系統(tǒng)的關(guān)鍵部分中要采用冗余技術(shù)。控制器（CP）是整個系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，需要采用冗余控制器。兩個冗余控制器之間通過并行節(jié)點總線通訊，進行信息交換，相互監(jiān)視，實現(xiàn)雙機熱備冗余。系統(tǒng)選用FOXBORO公司的具有容錯功能的60系列處理器，和與它相連的現(xiàn)場組件一起，可按組態(tài)好的控制方案對過程進行控制。可實現(xiàn)連續(xù)控制、梯型邏輯控制和順序控制等功能。完成數(shù)據(jù)采集、檢測、報警和傳送信息的功能。
（3）過程級。過程級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，主要由一次儀表（如液位計、傳感器、PH計）、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)、傳感器參數(shù)等進行監(jiān)測，并把檢測到的數(shù)據(jù)上傳，同時接受上一級的指令對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。由于控制設(shè)備比較分散，在電廠內(nèi)，輸入／輸出設(shè)備連接到一個集中的機架，在設(shè)備改變和系統(tǒng)擴展時，導(dǎo)致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過節(jié)點總線系統(tǒng)來連接部件，是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設(shè)備通過稱為節(jié)點總線信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉(zhuǎn)換成就地監(jiān)測器和執(zhí)行器，可就地轉(zhuǎn)換和處理過程信號，可以集中進行程序設(shè)計。
以上的配置中，系統(tǒng)重要的部分均需采用冗余技術(shù)，以使整個控制系統(tǒng)具有更高的可靠性，從而實現(xiàn)24小時不間斷工作。
根據(jù)此設(shè)計思想和關(guān)鍵技術(shù)方案分析得出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，見圖2。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
1 系統(tǒng)軟件
在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設(shè)備（如PLC、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應(yīng)的控制中心。優(yōu)秀的組態(tài)軟件是實現(xiàn)上位機功能的基礎(chǔ)。
因此，選用 Foxboro公司I/A Series智能自動化系列組態(tài)軟件。I/A Series具有控制自動化過程的強大功能，具有友好的人機界面，實時畫面顯示，數(shù)據(jù)管理、存儲、打印、報警，通訊和數(shù)據(jù)冗余功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。
軟件編程的主要依據(jù)為生產(chǎn)工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制策略， FGD工藝的控制可以分為：第一種是煙氣流量法，是指根據(jù)在線測得的煙氣流量參數(shù)與設(shè)定參數(shù)形成閉環(huán)控制；第二種是反應(yīng)時間控制。對于時間控制規(guī)律而言，它是根據(jù)對FGD反應(yīng)的所需要的時間進行自動控制。煙氣流量控制的基本思想是動態(tài)的控制煙氣的反應(yīng)時間使其中的 濃度達到允許的排放標準。時間控制程序是根據(jù) 對煙氣反應(yīng)池的運行階段所需要的時間進行自動控制，該方法是根據(jù)煙氣的品質(zhì)變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應(yīng)控制。
控制程序根據(jù)以上情況，對應(yīng)設(shè)計了兩種控制程序，可根據(jù)實際情況由控制機選擇運行。
（1）煙氣流量法控制程序。煙氣流量法采用 反饋控制，利用在線測得的煙氣流量參數(shù)作為輸入，按照預(yù)先確定好的控制模型進行運算，然后 用計算的結(jié)果作為輸出控制現(xiàn)場的設(shè)備，動態(tài)控 制反應(yīng)時間，以達到控制反應(yīng)的目的。
（2）時間控制程序。①本控制系統(tǒng)嚴格按照時序、按順序工作。②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。
2 總結(jié)
FGD控制系統(tǒng)中采用節(jié)點總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸?shù)姆绞剑诳刂萍墝崿F(xiàn)了數(shù)字量傳輸，達到了提高信號傳送精度，增強現(xiàn)場控制靈活性，降低現(xiàn)場儀表初裝費和設(shè)計施工費用，減少電纜敷設(shè)，易于維護和擴展的目的。該自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在國電深能重慶華鎣山電廠投入運行，實現(xiàn)了煙氣脫硫工藝的自動控制，提高了煙氣處理的效率和效果，同時降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號