烟气脱硫装置气-气换热器全伸缩吹灰器程控系统设计

韩春晖

（上海克莱德贝尔格曼机械有限公司，上海200090）

烟气脱硫装置气-气换热器（GGH）全伸缩吹灰器控制系统具有工艺参数设置灵活、手动及自动操作方便、报警提示详细等特点；并且还有分散控制系统（DCS）硬接线接口，可以实现DCS程控操作，监控吹灰枪运行状态，并提供总报警提示；另外可以通过系统发给DCS的高压水请求信号，实现高压水泵的连锁启动，大大方便运行人员的操作。实践证明：这套系统具有良好的GGH换热面吹扫效果和吹灰器使用寿命。系统选择S7-200PLC CPU216作为逻辑控制器［1］。CPU216有两个编程口：一个用于人机接口（HMI）通信，另一个用于热控维护人员检修监视程序的DCS modbus通信接口。HMI操作屏原为OP170B，现由于OP170B已停产，故选用 OP177B［2］。

1 吹灰器工艺流程

1.1 高压水冲洗流程

选择高压水冲洗方式，启动自动吹扫程序；延时5s后，如果密封风机流量开关闭合，流量符合要求，程控过程开始，吹灰枪自动运行到第一步冲洗位置（800～1 200mm，可选），打开高压水阀门；高压水阀门完全打开后，系统向DCS发出高压水启动命令，DCS接到高压水启动命令3～5min内启动高压水，高压水进入吹灰管路；当吹灰管路高压水压力大于设定值时，吹灰器开始步进（10～20mm，可选），然后停留一（设）定时间（默认为GGH旋转一周的时间）；上一过程反复进行，直到吹灰器前进到行程开关（RLS）位置，然后再停留一定时间，进行最前端位置的冲洗；在经过前端位置冲洗（设定）时间后，系统向DCS发出停止高压水命令，DCS在3～5min内停止高压水；当高压水压力小于设定值（默认1MPa）后，吹灰器再停留设定的排水时间；然后吹灰器开始自动退回，当退回到800～1 200mm（可选）时，系统关闭高压水阀门；当高压水阀门完全关闭后，吹灰枪直接退回到原始位置（SLS），自动过程结束。

1.2 蒸汽冲洗流程

选择蒸汽冲洗方式，启动自动吹扫；延时5s后，如果密封风机流量开关闭合（流量符合要求），程控过程开始，吹灰枪自动运行到第一步冲洗位置（800～1 200mm，可选），打开蒸汽／低压水公用气动阀门；蒸汽／低压水公用气动阀门完全打开后，当吹灰管路蒸汽压力大于设定值时，吹灰器开始步进（60～80mm，可选），然后停留一（设）定时间（默认为GGH旋转一周的时间）；上一过程反复进行，直到吹灰器前进到行程开关（RLS）位置，然后再停止一定时间，进行最前端位置的冲洗；经过前端位置停留（设定）时间后，系统关闭蒸汽／低压水公用气动阀门，吹灰器再停留设定的排水时间后直接退回原始位置（SLS），过程自动结束。

1.3 低压水冲洗流程

选择低压水冲洗方式，其过程与1.2节类似，只是每步步进位移为30～50mm（可选）。

控制系统组成见图1。

图1 控制系统组成

2 控制系统结构

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、阀门的单台手动操作功能，可以用于单台调试设备。

（2）冲洗介质有“蒸汽”、“低压水”、“高压水”三项选择功能。

（3）冲洗方式有“冲洗启动”、“冲洗停止”功能，从而实现冲洗过程的自动程控。

（4）系统运行工艺需要的位移、时间、压力等参数设置功能。

2.1.2 DCS控制

当在就地控制柜选择“远方”功能时，只有一种操作方式（自动程控）：

（1）接到PLC命令，完成高压水泵的全部启动、停止过程。

（2）冲洗方式有“蒸汽”、“低压水”、“高压水”三项选择功能。

（3）有“冲洗启动”、“冲洗停止”功能，从而实现冲洗过程的自动程控。

2.2 主要信号和受控设备

主要信号有：

（1）编码器信号1个，用于吹灰枪行程检测，准确定位。

（2）压力变送器信号2个，用于检测正在吹灰的蒸汽或低压水（共用）、高压水压力。

（3）进到位、退到位行程开关信号，吹灰枪进到位、退到位反馈信号。

（4）密封风机流量开关信号，密封风机是用来密封吹灰器与GGH接口，防止漏出的硫化物污染环境和腐蚀吹灰器等设备，密封风流量低系统会报警。

（5）介质阀门开、关到位信号，用于监控各种吹灰介质选择是否正确，阀门动作是否正常。

受控设备有：

（1）蒸汽或低压水气动阀（共用）控制电磁阀，蒸汽或低压水吹灰时，程控打开。

（2）高压水阀门受控设备，高压水吹灰时，程控打开。

（3）吹灰枪电动机，吹灰器的吹灰枪前进（或后退）执行机构。

2.3 主要系统硬件

主要系统硬件有：

（1）S7-200PLC CPU216，两个通信接口，一个用于与操作屏通信，另外一个用于监视程序；S7-200PLC CPU216编程口为自由口，可以编程与DCS Modbus RS485通信，意味着S7-200PLC CPU216控制的GGH全伸缩吹灰器有Modbus通信备用接口。CPU自带两个高速计数器输入端用于编码器计数，计算吹灰枪行程。

（2）模拟量输入扩展模块，接收吹灰器本体上的正在吹灰的蒸汽（或低压水）及高压水压力变送器来的信号。

（3）模拟量输出扩展模块，将吹灰的蒸汽（或低压水）及高压水压力变送器信号传给DCS，以便在DCS上看到吹灰压力。

（4）OP177B操作屏，在就地手动或者程控操作系统，运行参数设置，并且可以监视系统运行状态，故障时在故障画面检查具体故障内容。OP177B操作屏与S7-200PLC CPU216通过西门子PPI协议RS485方式进行通信［3-4］。

3 控制系统设计关键点及方案

3.1 编码器程序设计

3.1.1 初步估算输入PLC的脉冲频率

为了精确定位，提高该冲洗设备的吹灰精度，设备上使用了编码器定位。安装在减速器上的编码器每转一圈，输出1 000个脉冲；经观察设备运行时每分钟编码器转近2圈半，可以初步计算输入PLC的脉冲频率为1 000×2.5／60≈42Hz。使用普通的PLC输入点无法满足这种计数频率，所以必须使用PLC的高速计数器来接受编码器信号。S7-200PLC CPU216自带两个两相高速计数器端口，第一组高速计数输入点为I 0.0和I 0.1，第二组高速计数输入点为I 0.3和I 0.4，两相高速计数最大频率20Hz。

3.1.2 S7-200高速计数器编程

本系统使用S7-200PLC CPU216的自带第一组高速计数器，不必再另外增加高速计数器模块，编码器接入高速计数输入点I 0.0和I 0.1，高速计数器编号HSC0，计数当前值HC0，双字节。输入模式设置为模式9—A／B相正交输入方式，不带复位和启动。

系统变量SM37.0～SM37.7为HC0使用的控制变量。由于设备带的编码器是相位差为90°的两个相位输出，那么通过编码器的正向旋转（吹灰枪前进）或者反向旋转（吹灰枪前进）可以实现高速计数器的加减计数，从而实现了吹灰枪前进时位移增加、后退时位移减少的准确定位。吹灰器回到原位，使用原位信号使高速计数器计数值复位为零，避免误差累计。

3.1.3 位移精确计算

如何计算精确高速计数器编码器脉冲数与位移的对应关系是编码器程序设计的一个关键点。为了计算精确，高速计数器计数赋值前加了一个60s的时间继电器常闭接点条件，设备运行开始时高速计数器将值写给VDXXX双字节变量，同时时间继电器开始计时；计时60s到，时间继电器输出动作，常闭点断开。高速计数器将值写给VDXXX的值就是一分钟编码器发出的脉冲数。设备退回原位，高速计数器复位。经过几次记录，最终计算平均值为3 297个／min。吹灰器设计速度为1 440mm／min，3 297／1 440≈2.29，即每2.29个脉冲相当于1mm。高速计数器的当前值HC0除以系数2.29就是设备运行时的位移。在主程序中调用高速计数器子程序以及脉冲行程系数转换程序见图2。

图2 位移精确计算程序图

3.2 机械惯性问题的编程处理

由于本设备是步进运行方式，每次步进只有10～80mm，步进值在操作屏上设定。吹灰器每次步进到设定位移时，PLC就会停止发输出指令。但由于机械惯性，虽然电机失电，吹灰器依然会前进几毫米，为此在程序里预先将设定值减去惯性位移，这样定位就减少了惯性的影响，最终使位移和设定值偏差1mm。图3为机械惯性问题的编程处理，通过简单的加减法，实现了机械惯性问题的处理。图中VW438是吹灰枪启动后连续前进到起吹位置（800～1 200mm，可选）的设定值。由于前进时间长，机械惯性大，将其减少8mm作为电机驱动位移；电机失电后由于机械惯性再前进8mm，正好到第一步位置。同样道理，VW504为每步步进位移设定值与当前位移之和，将其减少5mm作为电机驱动位移，同样可以避免机械惯性误差。

图3 机械惯性问题的编程处理

3.3 压力波动问题的编程处理

为了避免压力波动引起的系统误报警，在程序里做了压力报警延时；并且为了得到更可靠的压力报警延时时间，把延时时间的设置放到操作屏上，这样操作者就可以根据具体工况，灵活设置参数了。

3.4 OP177B操作屏与S7-200CPU216通信设置

通信协议是RS485PPI，为S7-200PLC CPU编程口支持的默认协议。

通信电缆为9针对9针，3＋／8-。组态软件为Wincc flexible。

3.5 OP177B操作屏报警记录画面的设计

3.5.1 在报警管理器中设置报警记录

在Wincc flexible2008组态软件的报警管理菜单下，可以组态离散量和模拟量报警、定义报警信息。组态好的报警，当画面运行报警发生时，相应报警的信息就会显示在报警窗口里面。报警发生的同时，PLC会发出系统总报警信号给DCS，操作者会及时发现报警进行处理。对于发生的报警，如果不经过确认，虽然故障复位，报警消除，但是未经过确认的报警作为历史仍然保留在报警窗口。

3.5.2 报警窗口的组态

OP177B操作屏报警记录可以显示在报警窗口，即使故障复位了，报警内容仍然显示在报警窗口，如果需要清除，可以在报警画面定义清除按钮，使用Acknowledgealarm函数清除报警内容（见图4）。图中F8定义为报警清除按钮。

图4 故障报警画面

3.6 参数设置画面及进入口令的设计

根据不同工况，设置不同运行参数是程控系统的一个重要功能。本系统共有参数26个，但这些参数必须由相关人员设置，所以本系统OP177B操作屏口令的设计是十分必要的。OP177B操作屏口令需要输入用户名和密码，为了便于记忆，用户名采取了系统默认的用户名ADMIN，密码单独设计并做好记录。

编码器设置画面见图5。

图5 编码器设置画面

4 备用的Modbus通信功能

自由口作为Modbus通信的实现。虽然目前还没有用户与这个GGH全伸缩吹灰器PLC进行Modbus通信，但是S7-200CPU的编程口作为自由口是可以实现的。图6和图7内容可以作为实现DCS或者远程计算机Modbus RS485通信的参考：

（1）硬件方面，在使用Modbus协议时，计算机与S7-200之间通信直接使用PPI通信电缆即可；但如果通信距离较远，或者需要将多个S7-200连接到一个通信总线上时，可以通过图6的方法配置通信链路。

图6 通信距离较远时通信链路的配置方法

（2）软件方面，调用Modbus通信初始化命令（见图7（a）），或调用 Modbus从机通信命令（见图7（b））。

在完成前面两个指令调用后，还要为库指令使用的符号分配内存。当库指令被插入到主程序块中，在导航树“程序块”下会出现一个“库”节点。在“库”节点上点击鼠标右键，在弹出菜单中选择“库存储区”，进入“库存储区分配”对话框（见图8）。

图7 调用Modbus通信命令

图8 库存储区分配

在地址框中输入分配内存的开始地址，或者通过点击“建议地址”按钮自动分配内存。注意：分配的内存不要与已使用的内存重叠。

5 出现的问题及解决方案

5.1 强制吹灰功能的实现

由于烟气脱硫装置气-气换热器（GGH）本身是扁圆柱形的，正常工作时它围绕圆心（轴）不停地旋转，吹灰枪吹扫的表面正好是GGH的上、下圆表面，吹灰器步进停止的时间在GGH表面吹了一个圆。吹灰器从起吹位置步进到前进到位行程开关，吹灰面积实际上由若干个同心圆组成，从而达到完全吹扫GGH换热器上、下表面的要求。这种全伸缩吹灰器使用一段时间后却发现这样的问题：GGH围绕其圆心是匀速旋转的，即半径上的每一点其角速度是相同的，但线速度有很大差别；GGH最外圈部分由于线速度相对过快，吹扫效果不理想，如果只是延长停留时间，那么不但增加了吹灰时间，而且浪费了蒸汽和高压水，对最里圈GGH换热面的寿命还有影响，因此提出强制吹灰的工艺。

选择强制吹灰功能，吹灰枪到达起吹位置（GGH最外圈），开始以设定的强制吹灰步进停留时间（180～300s）开始步进吹灰，当步进到设定的强制吹灰位置，吹灰枪再以正常的步进停留时间（50～70s）步进吹灰，这样就可以加强外圈吹灰而不增加里圈的吹灰工作量。

5.2 操作屏的升级

HMI最初为OP170B，后OP170B只作为备件销售，因此选用了OP177B操作屏，OP177B比OP170B增加了触摸功能，但是减少了数字和字母键（由触摸实现），外观样式与OP170B接近，原来HMI画面只要做小的修改即可使用。OP177B也可以代替OP170B使用。

6 结语

烟气脱硫装置气-气换热器全伸缩吹灰器在原来GGH全伸缩吹灰器的操作工艺基础上，增加了手动功能，大大方便了单台设备的调试和维修；操作界面设计为中文也大大方便了操作者；增加了前进到位行程开关，加强了系统可靠性；增加了强制吹灰功能，大大提高了GGH的吹灰效果；增加了冷态选择功能，便于变送器故障或者流量开关故障时临时吹灰操作；增加了系统强制复位按钮，防止部分逻辑无法复位影响吹灰运行。该系统目前已在国内多家电厂应用。

［1］廖常初.S7-300／400PLC应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005：396-400.

［2］吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用［J］.自动化仪表，2010，31（8）：45-47，51.

［3］汪义旺，崔鸣，祁春清 .RS-485／Modbus在FFU控制系统中的应用［J］.自动化仪表，2010，31（6）：39-41，44.

［4］胡佳丽，闫宝瑞，张安震，等.S7-200PLC在伺服电机位置控制中的应用［J］.自动化仪表，2009，30（12）：38-41.