基于STM32的脱硫除尘工艺水酸碱度控制研究

严锦玉，王幼民，徐彬雪，马飞红，万　鹏（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖　241000）

基于STM32的脱硫除尘工艺水酸碱度控制研究

严锦玉，王幼民∗，徐彬雪，马飞红，万鹏
（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖241000）

在石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术中，吸收塔工艺水（循环浆液）的酸碱度（p H值）控制是通过人工调节石灰石浆液流量来控制.针对这种控制工艺水p H值的缺陷，设计了一种基于STM32控制器的脱硫除尘工艺水p H值自动控制方案.首先分析了石灰石浆液流量与吸收塔循环浆液p H值的大小关系，提出了p H值控制方案.然后设计了整个p H值控制系统的硬件方案，选定了控制芯片STM32F103RCT6和开发板，又基于Keil MDK和ST固件函数库对控制系统进行程序设计.最后采用了一套模拟酸碱中和反应过程的试验装置，验证该脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统.基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系统能够很好地维持吸收塔浆液p H值稳定，且自动化程度高，对石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统有着重要的研究价值.

石灰石-石膏湿法烟气脱硫；浆液p H值控制；石灰石浆液流量；STM32；自动控制方案

在众多的烟气脱硫技术中，湿法脱硫装置占85%左右，而其中占绝对统治地位的石灰石-石膏法从目前来看技术最成熟，且实用率达到90%以上［1］.吸收塔工艺水（循环浆液）的p H值对石灰石-石膏湿法烟气脱硫有着至关重要的影响，不但影响SO2的吸收速度及系统的脱硫效率，而且对系统设备的结垢、石灰石的溶解及产物的析出也有很大影响.因此，维持吸收塔浆液的p H值在合适范围内显得尤为重要.

吸收塔浆液p H值控制系统是通过调节流入吸收塔内石灰石浆液的流量来保证p H值.目前，吸收塔浆液的p H值控制方案是将石灰石浆液p H测量值送到控制器后，与设定值比较，通过人工调节石灰石浆液调节阀门的开度，使吸收塔内浆液p H值等于设定值.这种调节流量大小的方式具有随机性和较低的可靠性，且调节阀有时会产生振动和噪声，长期在腐蚀环境下工作容易损坏，给正常工作带来隐患.

设计一种新型的p H值自动控制方案，当吸收塔浆液p H值发生变化时，p H计将检测值反馈给系统控制器，与设定的理想p H值比较后，控制器输出脉冲命令给伺服驱动器，调节伺服电机速度，使得进入吸收塔中的石灰石浆液流量发生变化，从而调节了吸收塔浆液工艺水的p H值，保证其p H值恒定.

1　p H值与石灰石浆液流量的关系

引起吸收塔浆液p H值变化的主要因素包括进入吸收塔中的烟气流量、SO2的浓度及与其进行中和反应的石灰石浆液的流量.由于燃煤的含硫量变化不是很大，所以烟气中SO2浓度变化通常也不大.当烟气流量增大时，进入吸收塔的SO2变多，使得p H值降低，反之则增大.通常烟气量浮动较大，可作为外界干扰因素.而对于石灰石浆液吸收SO2这个酸碱中和反应来说，石灰石浆液流量的变化将是影响循环浆液p H值变化最主要的因素［2］.因此，石灰石浆液的浓度和供给量的变化是引起吸收塔循环浆液p H值变化的主要因素.

利用物理化学方法，对25℃下的石灰石湿法烟气脱硫系统进行了分析［3-4］：

SO2被吸收反应：

由电荷平衡关系有：

吸收剂溶解和中和反应：

这里烟气中的CO体积分数为15%，分压P（CO2）为1.5×104Pa，有关常数如下：

由电荷平衡关系有：

所以总的离子反应式为：

根据上面叙述的各个阶段的离子反应，可以得到石灰石浆液流量与吸收塔浆液p H值的关系式为：

代入以上数据可以得到：

Ca的相对原子质量为40，离子浓度的单位是mol/L，参考文献［1］设定石灰石的密度为1 120 kg/m3.石灰石浆液流量用Q表示，单位为m3/h，由式（1）便可以建立起p H值与石灰石流量的关系为：

由式（2）可知，吸收塔循环浆液的p H值是随着石灰石浆液流量的变化而变化的，因此，采用调节石灰石浆液流量来控制循环浆液p H值的方法是可行的.

2　基于STM32的脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统设计

2.1脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统硬件方案设计

脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统如图1所示.由图1可知，系统通过控制调节石灰石浆液的流量来控制工艺水的p H值，从而达到控制酸碱中和反应的速度，最终达到工艺水的排放要求［6］.

图1　脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统硬件方案框图

设计的脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统是一种以STM32F103RCT6为核心芯片的控制系统.STM32F103RCT6的主频是72 M Hz，采用LQFP64封装，片内FLASH容量为256 K，SRAM容量为48 K.可采用2.0～3.6 V电压供电，拥有3个12位AD，1 us转换时间，多达21个输入通道，转换范围为0～3.6 V.112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以影像到16个外部中断，几乎所有端口均可容忍5 V信号.多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或者脉冲计数的通道和增量编码器输入.同时接口丰富，有USART、SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口等.调试模式有串行单线调试、JTAG接口、Cortex-M3内嵌跟踪模块.

脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统包括以STM32F103RCT6微控制器为核心的硬件控制电路、伺服驱动器、伺服电机以及离心泵.硬件控制电路向伺服驱动器发送脉冲指令，伺服驱动器则根据接收到的指令驱动伺服电机转动，从而带动与电机轴联接的离心泵一起旋转起来.其中，硬件控制电路包括电源电路、USB电路、晶振电路、复位电路、JTAG电路和反馈采样电路［7］.由于p H计输出的信号是4～20 m A电流信号，因此需要设计一个处理电路，并将其运用在控制器开发板上，用来接收p H计的实时反馈信号.这种反馈采样电路图如图2所示.由图2可知，p H值采样反馈电路可以将输入4～20 m A电流信号转换为输出0.66～3.3 V电压信号，该电路由一阶RC滤波电路和电压跟随电路构成，R5A为165Ω电阻，C3A为100 u F的极性电容，起到隔离和滤波的作用.LM358为运算放大器，这个输出的电压信号就可以作为STM32芯片ADC模块的模拟输入信号［8］.

2.2脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统软件方案设计

脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统选用的是STM32F103RCT6控制芯片，采用Keil MDK作为程序开发环境.为了软件开发方便，使用ST公司的固件函数库辅助编程.同时使用了ST公司的ST-LINK作为仿真器和烧写工具，实现程序在开发板上的调试与下载功能.

图2　反馈采样电路图

脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统所要达到的控制效果是能够将吸收塔中浆液的酸碱度值维持在一个理想水平值.由于吸收塔中化学反应不断进行，使得吸收塔中的p H值处在一个时变的过程中，所以加入吸收塔中的石灰石浆液也要跟随这个过程.因此，采用STM32控制伺服电机的速度来调节进入吸收塔内部的石灰石浆液的流量.使用STM32的定时器3的PWM模式，使得通道1发出脉冲系列到GPIOA的 PA6口，进入伺服驱动器的脉冲接口来控制伺服电机的速度，其程序流程图如图3所示.由图3可知，系统初始化程序包括定时器TIM的配置、GPIO口的配置、ADC的配置、中断优先级的配置、延时函数的配置、通信口的配置等.中断服务程序就是定时采样ADC程序，实时检测p H值的大小，根据p H值的判断值来改变PWM的输出脉冲系列.当p H值比理想值小时，增大PWM频率，增加伺服电机的速度；当p H值比理想值大时，减小PWM频率，减少伺服电机的速度；当p H值与理想值相同时，则保持PWM频率不变，进而返回主程序继续执行.

采用模块化编程的方法进行系统的程序设计，这些模块化程序包括主程序、PWM输出程序、中断服务程序、延时程序和编码器速度反馈程序，其中，中断服务程序又包括ADC定时采样程序及p H值判断程序［9］.

图3　基于STM32的脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统软件流程图

3　脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统试验

验证脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统过程中，试验装置系统模拟酸碱中和的反应过程，需要实现的功能包括：进入反应容器中的碱性液体的流量是可控的；反应容器中酸性液体与碱性液体发生化学反应后排出管道中的液体p H值是可测可调节的.

3.1试验台的搭建与试验运行

根据要求选择型号为TSB13302C-3NT3C的交流伺服电机，伺服驱动器要与伺服电机配套使用，其型号为TSTA75C，开关电源的型号为XWT S-400-24.伺服系统控制模式采用外部位置命令模式.p H计型号为BHZY品牌的PHG-6500型插入式p H计.首先将系统所需元器件按照要求连接好，反复检查以确保硬件电路连接是正确的.试验中，在酸碱度反应容器排出管道的测量支路管道上安装了1台插入式p H计，用来测量反应容器中溶液的p H值.在搭建试验台时，首先将STM32开发板、伺服驱动器、开关电源等元器件按照前文所述的方式连接好放在控制柜中，同时将p H计的电流信号输出与STM32中GPIO的PA1口连接，PA1口用来采集外部模拟输入信号.将伺服控制系统中的伺服电机输出轴用联轴器与型号为宙斯牌40UHB-UF-15-25的离心泵1输入端连接，离心泵1由220 V ADC电源供电.其中，酸性液体的供给是由交流异步电机2和离心泵2来输送的.交流异步电机2选择，型号为皖达牌Y2-100L-2，其额定功率为3 KW，额定转速为2 870 r/min.离心泵2型号为宙斯牌40UHB-UF-15-25.反应液体的排出也是由交流异步电机3和离心泵3来输送的，其型号与酸性液体的供给回路是一样的.交流异步电机3型号选择皖达牌Y2-100 L-2，离心泵3型号为宙斯牌40UHB-UF-15-25.整个试验台的硬件连线如图4所示［10］.

设计的脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统中，将各个元器件插上电源，并设定好初始参数.在控制系统软件Keil MDK中设置理想p H值参数为5.5，同时设置STM32的定时器自动重装值为719，分频系数为49，将Keil MDK编程软件中的程序向STM32开发板中烧录进去，使用STM32的GPIOA的PA6口发送控制脉冲到伺服驱动器，外部模拟采样信号即为p H值电流信号通过STM32的GPIOA中PA1口进入STM32控制芯片，由此整个系统可以按照Keil MDK中设定的程序运行.

3.2试验结果分析

利用脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统试验平台，每隔1 min对p H计上显示的p H数值进行数据采集，与此同时，实时观察控制软件Keil MDK中的软件参数PSC，这样可以建立p H值与时间t的对应关系，同时与理想p H值建立比对关系，其数据图形如图5所示.由图5可知，在时间为0～1 min内，系统中由于只有酸性液体回路运行，且反应液体的排出回路关闭，所以p H计采集数据为0.当1 min过后，反应液体的排出回路和碱性液体供给回路开启，p H值开始上升，到2 min时，p H值上升至7左右，这时在STM32控制器的程序处理下，一旦检测的p H值与理想p H值5.5不同时，随即改变定时器的分频系数，调节伺服电机转速和离心泵输出流量，使得重新检测的p H值与理想p H值一致，因此，图5中1 min过后会出现波动，但在5 min左右，检测到的p H值维持在5.5上，系统趋于稳定.该脱硫除尘控制系统在没有干扰的情况下能有效地达到p H值稳定的效果.

图4　试验台硬件接线图

图5　系统p H值与时间t的关系图

4　结论

设计了基于STM32的脱硫除尘工艺水p H值自动控制方案，分析了石灰石浆液流量与吸收塔循环浆液p H值的大小关系，并建立了数学模型.然后基于控制芯片STM32F103RCT6对整个p H值控制系统进行了硬件及软件程序设计.最后采用了一套模拟酸碱中和反应过程的试验装置，验证了脱硫除尘工艺水酸碱度控制系统.基于STM32F103RCT6控制的p H值控制系统，通过实时检测p H值，将信号反馈给上位机控制器，与设定值比较后，上位机控制器发出控制指令以调节伺服电机的速度，从而调节石灰石浆液的流量来控制工艺水浆液的p H变化，能够很好地维持吸收塔p H值恒定，对石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统有着重要研究价值.该p H值控制系统能够改善由仪器检测p H值及由人工手动调节石灰石浆液流量的繁琐，有效地节省了成本，提高了自动化程度，且具有显著的节能效果，在石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中有着重要的工程应用价值.

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Control on Process Water p H Value of Desulphurization and Dust Removal Based on STM32

YAN Jin-yu，WANG You-ming∗，XU Bin-xue，MA Fei-hong，WAN Peng
（College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

In the technical process of limestone-gypsum wet flue gas desulphurization（WFGD）technology，the slurry p H value in absorber tower was controlled through manual adjustment of the flow rate of limestone slurry.On account of the defect of slurry p H value control，the automatic control project of process water p H value of desulphurization and dust removal based on STM32 was designed in this paper.Starting from limestone-gypsum wet flue gas desulphurization technical process，the relationship between the flow rate of limestone slurry and recirculation slurry p H value in absorber tower was emphatically analyzed，meanwhile，the p H value control plan was proposed.In the flowing，this paper presented the hardware solution of entire p H value control system，including the control chip（STM32F103RCT6）and development board.After that，the entire program of control system was developed based on Keil MDK and ST firmware library.Finally，a set of simulated test of acid-base neutralization reaction device was adopted to verify the control project of process water p H value of desulphurization and dust removal.This system can maintain slurry p H value in absorber tower stability well，which demonstrates higher level of automation，has great research value to the limestone-gypsum wet flue gas desulphurization system.

limestone-gypsum wet flue gas desulphurization；slurry p H value control；flow rate of limestone slurry；STM32；automatic control project

TP273

A

1672-2477（2016）04-0047-05

2016-04-27

安徽省科技攻关基金资助项目（12010402105）

严锦玉（1989-），男，安徽安庆人，硕士研究生.

王幼民（1964-），男，湖北孝感人，教授，硕导.