科技信息专题论述基于西门子S7-300和WinCC
的湿法烟气脱硫自控和监测系统设计方案秦皇岛双轮环保科技有限公司陈晓玲王二峰
〔摘要〕随着科技的发展和对环保要求的提高，电力、炼铁、水泥等行业对脱硫系统自动化水平和运行工况监控的要求也越来越高。热工自动化系统的设计水平体现了整个脱硫系统的科技含量。
〔关键词〕湿法FGDPLCWinCC仪器仪表全集成自动化（TIA）
0.引言SO2是大气污染的重要来源，是形成硫酸型酸雨的最直接原因，“十
一·五”期间节能减排成为重点，SO2减排成为中国环境保护的重要议题。炼铁厂烧结机烟气脱硫作为环境保护和大气污染控制的重要内容，对改善钢厂周围环境，提高钢铁厂职工及周围居民的工作和生活环境
具有重要意义。本文采用工控机、西门子S7-300PLC、组态软件WinC、现场仪器仪表和执行器等组成基于PLC的集散控制系统，实现对整个脱硫系统的集成控制和监视。
1.湿法烟气脱硫工艺简介湿法烟气脱硫主要是以碱性浆液或溶液作为脱硫吸收剂，其中石灰石/石灰——石膏湿法脱硫是目前最广泛的脱硫技术，成本低廉且
脱硫装置的可用率可达95%以上。石灰——石膏湿法烟气脱硫的基本工艺流程为:锅炉烟气经过除尘器除尘后，由引风机送入脱硫系统，烟气由进口烟道进入吸收塔。在吸收塔内，烟气由下向上流动，石灰石浆液
由上向下洗涤烟气。石膏排出泵抽出的亚硫酸钙浆液进入氧化罐，并与鼓入的空气发生氧化反应生成石膏，生成的石膏浆液由石膏浆液泵送入脱水系统进行脱水，得到含部分杂质的熟石膏。
石灰石/石灰——石膏法烟气脱硫工艺的主要化学原理如下：生石灰和水反应生成氢氧化钙（熟石灰）浆液。
CaO+H2O=Ca(OH)2烟气中二氧化硫和石灰浆液中的氢氧化钙反应生成亚硫酸钙和水。
SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O烟硫酸钙和氧化风机送入的氧气反应生成熟石膏。2CaSO
3+O2+4H2O=2CaSO4·2H2O生成的石膏根据需要可以作建筑材料或抛弃处理。石灰石/石灰——石膏湿法脱硫系统主要由几个子系统组成，分
别为吸收剂（石灰浆液）制备系统、烟气系统、吸收塔系统、石膏脱水系统、工艺水系统、脱硫废水处理系统、事故处理系统、供电系统、自控和在线监测系统等组成。湿法脱硫系统的工艺流程图如图1所示。
本项目包括两座脱硫塔，系统总体可分为#1塔系统，#2塔系统和公用系统。硬件设计主要完成上位机，可编程控制器，现场仪器仪表，执行器，通讯网络以及热工电源的选择设计。
2.2.1上位机的配置由于烧结厂现场环境十分恶劣，空气中存在含有大量的导电粉尘，空间电磁干扰也十分严重，一般计算机无法适应，必须选用适合工业复
杂环境的工业控制计算机。上位机采用两台研华“IPC-610H”型高性能工业控制计算机，工程师站兼做操作员站和数据服务器，互相备用。计算机安装西门子CP5611接口卡，使用西门子专用Profibus-DP电缆连
接到PLCCPU315-2DP模块自带的Profibus-DP接口上，实现上位机和PLC的通讯。计算机安装在独立的监控值班室内，值班室安装空调，以保证工控机有一个较好的运行环境，延长其使用寿命，减少宕机可能
性。操作系统选用微软公司迄今为止最稳定，硬、软件兼容性最好的操作系统WindowsXPProfessionalSP2，从而使上位机软件WinC及下位机开发软件STEP7和操作系统具有最好的兼容性。为确保控制系统的
不间断供电，上位机配备UPS电源和保安段两路电源并使用电源自动切换系统供电，保证系统在任何情况下键控制系统的不间断供电。2.2.2高性能可编程控制器S7-300作为下位机
脱硫系统PLC监测和控制多达七百多个数字量及几十个模拟量，还要完成诸多控制算法，对硬件的要求相对较高。可编程控制器选用西门子S7-300系列高性能PLC，此款PLC采用模块化结构，易于实现分
布和用户掌握，用户可以根据需要选择合适的模块，是目前国内应用较多，性价比较好的高性能可编程控制器。根据FGD系统数字和模拟信号的点数及通讯的要求选用PLC的
各个模块，使用的PLC模块主要有电源模块PS3075A，CPU模块CPU315-2DP、MMC存储卡128KB、32点数字量输入模块SM321、32点数字量输出模块SM322、8通道模拟量输入模块SM331、8通道模拟量
输出模块SM332、以太网通讯模块CP443-1T、安装导轨、接口模块IM361及Profibus-DP总线专用电缆等。PLC分为1#塔系统主站、2#塔系统远程IO和公用系统远程IO。
设计中考虑到以后扩展和维修的需要，输入输出点数保留了约15%的空余量。2.2.3通讯网络设计
厂级监控
冗余工业以太网操作员站工程师站
2.脱硫监控系统设计2.1总体方案图1工艺流程图
冗余PROFIBUS总线
1#塔PLC2#塔PLC公用系统PLC
FGD监控系统设备运行工作环境十分恶劣，设备种类繁多并且启停频繁，意外情况频发等，因此我们在系统设计时要充分考虑这些特点，采取一系列措施，以确保设备安全、可靠、经济地运行。
脱硫监控系统主要完成系统运行参数及状态的数据采集，数据处理，自动调节，顺序控制，系越限报警，连锁保护，事故处理等一系列功能，它们相互独立，又相互依赖。脱硫系统采用集中监控和控制，实现脱
硫装置启动，正常运行工况的监视和调整，停机和事故处理。根据脱硫工艺及控制系统功能要求，采用基于PLC、工控机、DCS和现场总线相互结合的方案，功能包括数据采集和处理系统（DAS）、模
拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）以及连锁报警保护、脱硫热工电源等。系统总体逻辑结构上按照三层构架设计：现场仪器仪表及执行器、下位机PLC和监控上位机，中间通过通讯系统连接。
2.2硬件设计—342—
现场设备
图2监控系统网络结构网络结构包括现场设备到PLC的通讯网络，PLC到上位机的通讯网络及厂级实时监控系统（SIS）的通讯接口设计。
现场设备到PLC的信号可分为模拟电流或电压信号和数字开关信号两类。根据设备的接口类型，通信线主要使用屏蔽双绞线、多芯屏蔽通信电缆和Profibus现场总线，并做好接地，保证信号不受电磁干扰。
工厂厂级主干网络采用冗余工业以太网，S7-300PLC配备工业以太网通讯处理器，以实现脱硫监控系统和厂级实时监控系统之间的实时通信。通信线缆采用屏蔽以太网线或光纤，配备西门子工业以太网交
换机。采用现场设备、PLC、上位机的层级结构，下位机可编程控制器作为监控系统的核心，工控机通过Profibus总线与下位机通讯。网络拓扑
科技信息专题论述
结构如图2所示。2.2.4现场设备的选择设计
现场主要设备具体包括PH计、热电偶、压力变送器、流量计、密度计、超声液位计、浮球液位计、称量传感器、各种执行器、大气监测设备（监测四种成分为SO
2、NOX、O2、粉尘）等。设备的设计一般原则：在满足要求的前提下优先选择名优产品，即产品质量好，售后服务
优，文档齐全的产品。由于现场设备种类繁多，且要求不一，因此设备的选择要特别注意。现场重要热工模拟量变送器为两重化或三重化设计，以提高其可
靠性，保证系统重要工艺参数的正确。2.2.5热工电源设计FGD分散控制系统的热工电源，采用两路进线，一路使用交流不停
电电源，一路来自厂用保安段电源，使用施耐德自动软换装置实现两路电源的故障自动切换，互为备用，以保证系统电源的安全可靠。由于系统使用厂用交流电源，与电网相连的变频器和大功率设备在运行时将
产生大量的高次谐波，对交流电网造成污染，电压波形发生畸变。变流设备还产生大量的电磁波，产生空间磁场干扰。电网污染和空间电磁干扰对控制系统设备的安全可靠运行造成极大威胁，因此现场PLC、上
位机等的供电电源带有隔离变压器、滤波器，以净化交流电源，增强抗
3.现场安装调试及优化监控系统设计开发完成以后，将是现场的安装和调试，使其预先设计的功能能够实现，达到安全、可靠、稳定的运行要求。安装调试在系统
施工过程中占据十分重要的地位，一旦出现失误，不仅会导致工期的耽误，甚至造成设备的损坏和事故的发生。根据项目总的施工工期的要求，配合土建、工艺等的工期和项目监
理，制定了如图4所示的安装和调试方案。3.1监控系统的安装监控系统的安装包括硬件设备和软件的安装。
硬件系统的安装是否正确、合理对系统能否安全、稳定、可靠的运行起着至关重要的作用。硬件的安装主要是测量仪器、传感器、变送器等现场设备、工控机、PLC控制柜以及三者之间的通讯网络的安装。由
于现场情况比较复杂，安装过程也出现了不少问题，例如传感器和变送器是否是有源的，信号输出是否为4-20mA等，经过现场协调，这些问题均得到完美解决。
技术准备土建施工、
电缆敷设
干扰能力。2.3软件设计FGD监控系统相对复杂，不仅需要可靠、稳定、抗干扰能力强的硬
件支持，还需要设计精细，功能完善的软件系统的支持。软件的设计严格按照软件工程的开发思想进行分析设计，经历软件定义和监控系统功能分析、监控系统上位机和下位机软件的设计、编码与软件调试，现
场使用并进行软件调试和维护等几个阶段，采用面向对象的结构化设计方法。2.3.1下位机（PLC）软件设计
监控系统下位机软件主要负责数据采集与处理，系统自动控制的实现等，为便于程序的编写、现场调试、修改和补充，系统下位机软件采
控制室设备安装
控制室设备接线
控制室系统接地
单体调试
联动
现场电器、仪表安装
现场电器、仪表接线
就地手动实验
用面向对象的模块化程序设计方法进行分析设计。PLC的软件程序的开发采用西门子STEP7V5.4ProfessionalSR6，
它是西门子S7-300//400系列PLC的集成开发环境，可以完成整个项目PLC软件开发到仿真的所有功能。程序采用国际委员会标准IEC1131-3中定义的梯形图（LAD）编程语言，比较直观。
根据模块化的设计思路，程序模块主要分为基本模块、控制模块、报警与保护模块。基本模块主要完成系统数据的输入\输出，逻辑运算、数据转换等功能。控制模块是监控系统PLC软件的最核心部分，负
责对FGD系统中的单个设备、设备组以及子系统组进行监视和控制。控制模块中的PID调节模块负责完成诸如吸收塔液位控制、石灰浆液PH值控制等。
2.3.2上位机软件设计上位机的监控系统软件采用西门子WinCV6.2SP2组态开发平台。此款软件是西门子全集成自动化（TIA）系统的重要组成部分，功能
强大，采用图形化开发环境，界面友好，可以大大提高软件的设计效率，降低软件的开发成本。上位机软件主要经历通讯协议选择、变量定义、组态画面设计，报
警系统设计，归档系统设计和报表设计等几个阶段。通讯协议的选择和变量定义使用变量管理器来完成。通讯协议选择SIMATICS7PRO-
TOCOLSUITE中的PROFIBUS通讯协议，然后右键新建新驱动器连接名称为TL，单击右键新建变量组和变量，完成变量定义。组态画面使用图形编辑器（GraphicsDesigner）设计，首先画出各个画面中的元素、编辑
其属性并和变量进行联接。画面设计力求完整、美观、用户友好、操控方便。过程画面主要包括如下几个：主菜单、烟气系统、氧化风机系统、吸收塔系统、石灰浆液制备系统、工艺水系统、石膏脱水系统、事故浆液系
统、废水处理系统、报警系统等。各个PLC中变量地址和WinC中定义的变量地址是一一对应的，通过通讯系统Profibus总线实现对PLC采集及计算得出的数据到上位机的显示和处理。组态主画面如图3所示。
图3组态系统主画面
图4现场设备安装和调试流程软件系统的安装主要包括使用Step7进行下位机程序的下载、上
位机操作系统WindowsXPProfessionalSP2、组态开发软件WinC6.2SP2和下位机开发软件STEP7V5.4Pro的安装。软件安装相对要容易一些，但要注意西门子软件的授权文件的保护，最好在整个软件开发完
成后使用诺顿Ghost软件对系统做整个备份。3.2监控体统调试监控系统调试是监控系统开发中一个必不可少的环节。调试目的
就是为了发现问题，解决问题，并为以后的工作提供一些经验教训。系统调试过程中，对系统设计、开发、安装过程中存在的一些问题，我们进行了技术会审，争取现场解决，有些无法解决的上报公司技术部门进行
问题会审并提出解决方案。调试主要分硬件调试和软件调试两部分，单独调试完成后进行系统联动调试硬件部分设备调试在出厂前进行，主要对配电柜、PLC控制柜、测
量卡件进行上电不间断测试实验，合格后方可发送现场。现场设备安装完成后，就可以进行现场调试。主要包括以下几个部分：监控系统的硬件接地进行测量，必须满足接地要求；对系统输入电
压、电流进行测量，保证系统的安全性；检查测量仪器、传感器、变送器、执行器等现场设备的安装是否到位，各个设备是否已经校验；现场设备
与PLC的通讯是否正常；上位机及其外围设备打印机等的功能测试。硬件调试中发现的问题相对会较多，其中现场干扰和线路虚接是最常见的问题。屏蔽和接地是解决这干扰问题最有效的途径。线路虚接
多使用万用表一一测试进行排查。软件系统调试包括上位机程序和下位机程序两部分。调试过程首先对下位机进行调试，由于PLC程序代码较多，多使用开发软件Step7
进行运行监控，需要一定的开发经验并且要熟知脱硫工艺。上位机程序的调试主要通过设置虚拟信号来进行，首先设置PLC对应地址的数值或状态，看上位机程序是否采集到此信号并能够正确反馈。
4.结语目前，本工程两座脱硫塔均已投入运行，系统运行稳定。脱硫监控
系统已经纳入全厂集中监控系统。当然系统还是会有一些不足和需要改进的地方，我们将及时发现问题，及时处理，并且在以后工作中不断探索和总结，使其设计更加完善，在生产中发挥更大的作用。
参考文献〔1〕祝晓松.PLC在大型热电厂烟气脱硫控制系统的应用〔J〕.化学
工程与装备，2009(8):172-174〔2〕李亘军.火电厂烟气脱硫实时监控系统的研究与应用〔:硕士学位论文〕.北京:北京交通大学，2007
〔3〕廖常初.S7-300/400PLC应用技术〔M〕.北京:机械工业出版社，2005
—343—www.zhibao17.com转载
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