论文部分内容阅读
摘要：在当前的大型火力发电厂中，石灰石-石膏湿法脱硫是应用最为广泛的脱硫技术，文章以烟气脱硫监控为出发点，分别介绍了基于PLC和DCS两种控制系统的应用情况，并对二者的发展过程和功能特点进行了对比分析，进而提出了设备选型中应该注意的问题，旨在为火力发电厂烟气脱硫控制自动化提供一定的理论参考。
关键词：PLC；DCS；湿法烟气脱硫；控制系统
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）23-0097-03
随着社会各种工业的快速发展，人们的生活水平日益提高，与此同时，随着工业发展导致生态环境恶化带来的危害也逐步受到人们的重视。现阶段，人们已经意识到环保的重要性，并提出了经济发展与环境保护相协调的战略要求。火力发电厂生产排放的废气是造成大气污染的最主要来源，我国相关部门对二氧化硫的减排要求日益提高。目前，火力发电厂对于二氧化硫的减排主要采用烟气脱硫的方法，具体工艺包括：石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫、烟气循环流化床脱硫、喷雾干燥法脱硫、电子束法脱硫、海水脱硫等。在我国，石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫技术在火力发电厂的烟气脱硫中应用最为广泛。本文中笔者以湿法烟气脱硫控制作为出发点，就目前应用较为普遍的PLC和DCS控制系统进行了对比分析。
1 DCS和PLC在烟气脱硫系统中的应用情况
烟气湿法脱硫是在锅炉引风机的作用下将烟气排出，通过增压风机经由烟气换热装置进行降温处理，使吸收塔可以与石灰石岩浆进行融合，这样烟气中含有的二氧化硫与岩浆中含有的碳酸钙在一定条件下发生化学反应，生成硫酸钙。
1.1 DCS的应用情况
关于DCS的基本应用，以600MW燃煤机组最为典型，该机组的单元控制部分主要由烟气系统、增压风机系统和吸收系统三部分共同构成；该机组的电气系统主要有PC段与脱硫保安段等；该机组的公用系统主要涉及废水处理、石灰石岩浆制备以及石膏脱水等相关系统。一般来讲，由于工艺设计的差异，系统控制点也不尽相同，通常的系统控制点多为1500～3000点，在200MW以上的大容量火力发电机组中，控制方式大多采用分布式控制系统DCS。
1.2 PLC的应用情况
随着近年来自动控制技术的快速发展，PLC的功能结构不断地向DCS发展。就目前来看，PLC以其超强的逻辑运算能力逐步具备了模拟量的控制功能。结合湿法烟气脱硫的工艺特点，很多研究人员提出了基于PLC的控制系统具有更好的经济性的观点，并试用于少数工程中，逐步为新型的PLC技术在湿法脱硫控制系统中的推广与应用奠定了
基础。
2 基于DCS和PLC控制系统的功能特点对比分析
2.1 系统安全可靠性
DCS一般采用过程处理器和“两双”，即双电源与双冗余网络设计。如果系统中的主要控制单元出现问题时，能够实时切换为相关冗余单元，确保系统的良好运行。在最初的PLC搭接系统的构建中尚未融合冗余设计观点，相对而言，其系统安全可靠性较低。DCS硬件能够带电热插拔，如果系统模块或其他部位发生故障时，不需要停止系统运行进行检修。而大部分PLC不能实现上述功能，如果发生故障，必须停运系统才能更新维护并重新编程。
2.2 系统兼容性及可扩展性
现阶段，DCS具有极强的兼容性和可扩展性，在大型的系统工程中极其适用。在一些企业的系统工程中，主要选取以太网络，根据其制定的标准TCP/IP协议或以此为基础变形的TCP/IP协议，进一步增强系统的扩展性。该网络环境下的计算机与控制器，仅作为一个节点存在于整个系统中，而网络系统能够自由布置节点位置和增减节点数量，各子系统便于交流，资源共享。
最初PLC系统的开发是为了控制设备，缺少对系统可拓展性与兼容性的开发，所以如果系统需要实现资源共享，PLC存在着较大的难度。而且PLC通常采用专用的网络结构，如果需要增加操作节点存在很大难度，且成本相对较高。当前开发的新型PLC在原有基础上有很大的飞跃，改进了原有的功能，还可以预留插槽位置，为以后数字量模块的增加做准备。
2.3 数据库
DCS一般采用统一的数据库，系统中的数据能够在任何情况下引用。而PLC系统在数据库的选择上不尽相同，因为组态软件、监控软件和归档软件具备专用数据库，数据的引用较为麻烦。
2.4 任务处理方式和时间调度
DCS的集散控制可以简易地控制人物周期，从而实现多个任务的轻松处理。如传感器采样，由于压力传感器的变化时间较短，以采用200ms的任务周期进行采样为宜，而温度传感器的变化时间较长，以采用2s的任务周期进行采样为宜，这样就可以实现合理的资源调度。
而PLC程序的运行往往不能严格遵循设定的循环周期运行。它的程序执行一般是一次完成后从头进行，不能实现多种任务的处理，虽然目前一些新型的PLC有所改进，但仍存在着任务周期的数量
局限。
2.5 网络结构
DCS网络主要分为过程级网络和操作级网络两层。第一层以DCS自身总协议为基础过程级网络。现场IO模块中，模拟量要求庞大的数据采样，而在实际的运行中，存在多方面的干扰因素，所以通常的网络标准为抗干扰能力强和数据吞吐量大的模块。在现场通讯中，主要采用以RS485串口异步通讯方式为基础的总线结构。IO模块的数据采样是经CPU进行转换处理获得整形或实形数据，将获得的数据通过操作机网络进行传输，因此操作级网络大多选择吞吐量合理、传输速度较快、连接方便的网络。此外，操作机网络通常在控制室内，对抗干扰能力的要求不高，因此以采用一台网络为宜。
PLC最初是基于单个设备的控制应用而设计，多为相对独立的个体工作，当需要与其他PLC进行通讯时，其网络形式多为单网结构。过程级网络和操作级网络可以实现两者之间的建立与合并。当前开发应用的新型PLC也逐步向计算机网络转变，开始采用TCP/IP协议，结合双冗余设计理念，但也提高了成本投入。在网络安全方面，PLC的保护措施较差，开放性也不够理想。 2.6 系统软件功能
DCS有着SCAND软件包，其功能十分强大，具体而言，可以进行配方处理，能够根据行业的特性开发出针对该行业的专用软件，在一定程度上简化了用户组态的编程。较之于PLC来讲，在电力生产控制上的优势也更加凸显。对于工艺控制方案的更新也是其中的基本功能。此外，DCS具有人机界面，模块组态编程软件，不仅具有较高的友好度，而且便于用户的掌握与应用。
PLC的系统软件编程复杂，工作量大。首先需要确定哪个PLC需要编辑更新，然后采用相应的编译器进行编程，最后进行传送。在这样的情况下，就极大地增加了系统的调试时间，增加了调试成本，对日后维护造成较大的困难。
2.7 适用情况
DCS由传统的仪表盘监控系统发展而成，主要面向大型的工业生产领域，能够实现系统的分布式控制。其发展是基于工业生产过程的监控，更加重视生产过程的控制精度，能够有效实现复杂的前缀、多级控制，满足实际系统需求。
PLC是以传统的继电器回路为基础的进一步发展，主要实现了工业控制领域的装置控制。其发展是根据制造业的现场设备控制，以逻辑控制为主而采用PLC相互连接构成的系统，其PLC与PLC之间的联系较为松散，很难实现合成一体控制，多适用于小型的自控场所。通常情况下，若被控制点数大于600点，系统工艺多，资源共享度高，且具有闭环控制回路等特点，主要采用DCS，此外以采用PLC为宜。
3 结语
综上所述，在火电厂湿法烟气脱硫中，由于工艺系统角度，公用系统的被控点数较多，且对于系统资源共享的要求较高，采用DCS控制系统较为合理。PLC新型产品如双机热备、三层网络结构等，都可以视为控制系统的备用方案。结合日常维护及组态修改措施来讲，DCS的优点主要表现为人机界面友好、下装步骤简单和图形组态模块化等。综上所述，二者由于逻辑层次的不同，导致其在实际应用中存在极大的性能差异。在实际应用中，用户应该充分结合实际情况，并充分考虑生产管理和通讯方式等因素进行合理选择。
若为干法烟气脱硫装置，设计方式通常为一炉一塔，其工艺流程较为简单，相对于湿法脱硫而言，其被控点数较少，而且系统设备之间的控制相对独立，对于系统资源的共享需求不高，采用PLC控制较为合理，且具有较好的经济性。
参考文献
[1] 赵晋红．DCS和PLC在烟气脱硫中的应用探讨[J]．机械工程与自动化，2007，（4）．
[2] 黄挚雄，蒋爱苏，危韧勇．PLC专题讲座（2） 可编程控制器的组成[J]．大众用电，2003，（2）．
[3] 王琼．火电厂石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统的设计及优化[D]．武汉大学，2005．
[4] 李亘军．火电厂烟气脱硫实时监控系统的研究与应
用[D]．北京交通大学，2007．
[5] 田丽洁．基于PLC的火电厂除灰系统监测与控制研
究[D]．华北电力大学，2006．
作者简介：戴时炜（1965-），男，浙江杭州人，浙江天地环保工程有限公司工程师，研究方向：环保工程设计、售后服务及调试。
（责任编辑：周 琼）
关键词：PLC；DCS；湿法烟气脱硫；控制系统
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）23-0097-03
随着社会各种工业的快速发展，人们的生活水平日益提高，与此同时，随着工业发展导致生态环境恶化带来的危害也逐步受到人们的重视。现阶段，人们已经意识到环保的重要性，并提出了经济发展与环境保护相协调的战略要求。火力发电厂生产排放的废气是造成大气污染的最主要来源，我国相关部门对二氧化硫的减排要求日益提高。目前，火力发电厂对于二氧化硫的减排主要采用烟气脱硫的方法，具体工艺包括：石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫、烟气循环流化床脱硫、喷雾干燥法脱硫、电子束法脱硫、海水脱硫等。在我国，石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫技术在火力发电厂的烟气脱硫中应用最为广泛。本文中笔者以湿法烟气脱硫控制作为出发点，就目前应用较为普遍的PLC和DCS控制系统进行了对比分析。
1 DCS和PLC在烟气脱硫系统中的应用情况
烟气湿法脱硫是在锅炉引风机的作用下将烟气排出，通过增压风机经由烟气换热装置进行降温处理，使吸收塔可以与石灰石岩浆进行融合，这样烟气中含有的二氧化硫与岩浆中含有的碳酸钙在一定条件下发生化学反应，生成硫酸钙。
1.1 DCS的应用情况
关于DCS的基本应用，以600MW燃煤机组最为典型，该机组的单元控制部分主要由烟气系统、增压风机系统和吸收系统三部分共同构成；该机组的电气系统主要有PC段与脱硫保安段等；该机组的公用系统主要涉及废水处理、石灰石岩浆制备以及石膏脱水等相关系统。一般来讲，由于工艺设计的差异，系统控制点也不尽相同，通常的系统控制点多为1500～3000点，在200MW以上的大容量火力发电机组中，控制方式大多采用分布式控制系统DCS。
1.2 PLC的应用情况
随着近年来自动控制技术的快速发展，PLC的功能结构不断地向DCS发展。就目前来看，PLC以其超强的逻辑运算能力逐步具备了模拟量的控制功能。结合湿法烟气脱硫的工艺特点，很多研究人员提出了基于PLC的控制系统具有更好的经济性的观点，并试用于少数工程中，逐步为新型的PLC技术在湿法脱硫控制系统中的推广与应用奠定了
基础。
2 基于DCS和PLC控制系统的功能特点对比分析
2.1 系统安全可靠性
DCS一般采用过程处理器和“两双”，即双电源与双冗余网络设计。如果系统中的主要控制单元出现问题时，能够实时切换为相关冗余单元，确保系统的良好运行。在最初的PLC搭接系统的构建中尚未融合冗余设计观点，相对而言，其系统安全可靠性较低。DCS硬件能够带电热插拔，如果系统模块或其他部位发生故障时，不需要停止系统运行进行检修。而大部分PLC不能实现上述功能，如果发生故障，必须停运系统才能更新维护并重新编程。
2.2 系统兼容性及可扩展性
现阶段，DCS具有极强的兼容性和可扩展性，在大型的系统工程中极其适用。在一些企业的系统工程中，主要选取以太网络，根据其制定的标准TCP/IP协议或以此为基础变形的TCP/IP协议，进一步增强系统的扩展性。该网络环境下的计算机与控制器，仅作为一个节点存在于整个系统中，而网络系统能够自由布置节点位置和增减节点数量，各子系统便于交流，资源共享。
最初PLC系统的开发是为了控制设备，缺少对系统可拓展性与兼容性的开发，所以如果系统需要实现资源共享，PLC存在着较大的难度。而且PLC通常采用专用的网络结构，如果需要增加操作节点存在很大难度，且成本相对较高。当前开发的新型PLC在原有基础上有很大的飞跃，改进了原有的功能，还可以预留插槽位置，为以后数字量模块的增加做准备。
2.3 数据库
DCS一般采用统一的数据库，系统中的数据能够在任何情况下引用。而PLC系统在数据库的选择上不尽相同，因为组态软件、监控软件和归档软件具备专用数据库，数据的引用较为麻烦。
2.4 任务处理方式和时间调度
DCS的集散控制可以简易地控制人物周期，从而实现多个任务的轻松处理。如传感器采样，由于压力传感器的变化时间较短，以采用200ms的任务周期进行采样为宜，而温度传感器的变化时间较长，以采用2s的任务周期进行采样为宜，这样就可以实现合理的资源调度。
而PLC程序的运行往往不能严格遵循设定的循环周期运行。它的程序执行一般是一次完成后从头进行，不能实现多种任务的处理，虽然目前一些新型的PLC有所改进，但仍存在着任务周期的数量
局限。
2.5 网络结构
DCS网络主要分为过程级网络和操作级网络两层。第一层以DCS自身总协议为基础过程级网络。现场IO模块中，模拟量要求庞大的数据采样，而在实际的运行中，存在多方面的干扰因素，所以通常的网络标准为抗干扰能力强和数据吞吐量大的模块。在现场通讯中，主要采用以RS485串口异步通讯方式为基础的总线结构。IO模块的数据采样是经CPU进行转换处理获得整形或实形数据，将获得的数据通过操作机网络进行传输，因此操作级网络大多选择吞吐量合理、传输速度较快、连接方便的网络。此外，操作机网络通常在控制室内，对抗干扰能力的要求不高，因此以采用一台网络为宜。
PLC最初是基于单个设备的控制应用而设计，多为相对独立的个体工作，当需要与其他PLC进行通讯时，其网络形式多为单网结构。过程级网络和操作级网络可以实现两者之间的建立与合并。当前开发应用的新型PLC也逐步向计算机网络转变，开始采用TCP/IP协议，结合双冗余设计理念，但也提高了成本投入。在网络安全方面，PLC的保护措施较差，开放性也不够理想。 2.6 系统软件功能
DCS有着SCAND软件包，其功能十分强大，具体而言，可以进行配方处理，能够根据行业的特性开发出针对该行业的专用软件，在一定程度上简化了用户组态的编程。较之于PLC来讲，在电力生产控制上的优势也更加凸显。对于工艺控制方案的更新也是其中的基本功能。此外，DCS具有人机界面，模块组态编程软件，不仅具有较高的友好度，而且便于用户的掌握与应用。
PLC的系统软件编程复杂，工作量大。首先需要确定哪个PLC需要编辑更新，然后采用相应的编译器进行编程，最后进行传送。在这样的情况下，就极大地增加了系统的调试时间，增加了调试成本，对日后维护造成较大的困难。
2.7 适用情况
DCS由传统的仪表盘监控系统发展而成，主要面向大型的工业生产领域，能够实现系统的分布式控制。其发展是基于工业生产过程的监控，更加重视生产过程的控制精度，能够有效实现复杂的前缀、多级控制，满足实际系统需求。
PLC是以传统的继电器回路为基础的进一步发展，主要实现了工业控制领域的装置控制。其发展是根据制造业的现场设备控制，以逻辑控制为主而采用PLC相互连接构成的系统，其PLC与PLC之间的联系较为松散，很难实现合成一体控制，多适用于小型的自控场所。通常情况下，若被控制点数大于600点，系统工艺多，资源共享度高，且具有闭环控制回路等特点，主要采用DCS，此外以采用PLC为宜。
3 结语
综上所述，在火电厂湿法烟气脱硫中，由于工艺系统角度，公用系统的被控点数较多，且对于系统资源共享的要求较高，采用DCS控制系统较为合理。PLC新型产品如双机热备、三层网络结构等，都可以视为控制系统的备用方案。结合日常维护及组态修改措施来讲，DCS的优点主要表现为人机界面友好、下装步骤简单和图形组态模块化等。综上所述，二者由于逻辑层次的不同，导致其在实际应用中存在极大的性能差异。在实际应用中，用户应该充分结合实际情况，并充分考虑生产管理和通讯方式等因素进行合理选择。
若为干法烟气脱硫装置，设计方式通常为一炉一塔，其工艺流程较为简单，相对于湿法脱硫而言，其被控点数较少，而且系统设备之间的控制相对独立，对于系统资源的共享需求不高，采用PLC控制较为合理，且具有较好的经济性。
参考文献
[1] 赵晋红．DCS和PLC在烟气脱硫中的应用探讨[J]．机械工程与自动化，2007，（4）．
[2] 黄挚雄，蒋爱苏，危韧勇．PLC专题讲座（2） 可编程控制器的组成[J]．大众用电，2003，（2）．
[3] 王琼．火电厂石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统的设计及优化[D]．武汉大学，2005．
[4] 李亘军．火电厂烟气脱硫实时监控系统的研究与应
用[D]．北京交通大学，2007．
[5] 田丽洁．基于PLC的火电厂除灰系统监测与控制研
究[D]．华北电力大学，2006．
作者简介：戴时炜（1965-），男，浙江杭州人，浙江天地环保工程有限公司工程师，研究方向：环保工程设计、售后服务及调试。
（责任编辑：周 琼）