基于西门子S7-1500和博途软件在烟气消白系统中的应用探讨

刘照辉

（浙江佳环工程技术有限公司，浙江金华，321000）

0 引言

史上最严的新环保法自2015年起实施，从立法层面上加大了保护激励机制与污染处罚力度。上海、浙江、天津和河北等地陆续出台了大气治理新规，地方标准中前所未有地提到了白烟排放的控制指标。白烟带走了大量的烟气水蒸气气化潜热，造成水资源和余热的浪费[1]，天津滨海新区某热源厂于2018年末对两台2×75T/H循环流化床蒸汽锅炉烟气进行冷凝脱水消白深度治理改造。

1 消白工艺系统介绍

目前，围绕烟气“消白”的主流方案有：

（1）脱硫后直接加温法，如烟气再热器技术系统（自烟换热器GGH）、蒸气换热器技术（SGH）等，具有投资省、见效快、运行成本高等特点；

（2）先降温再升温法，如热媒循环烟气再热器技术（MGGH），具有投资大、占用空间大、运行成本低等特点，适用于已建环保投施的改造；

（3）冷凝降温+MGGH法，具有效率更高、运行成本低等特点，更适用于新建环保设施的改造项目。

通过对三种消白方案对比，业主最终选择冷凝降温+MGGH法进行深度治理改造。

冷凝降温+MGGH法主要工艺特点是通过烟气冷凝技术降低烟气温度，使烟气沿着饱和湿度曲线降温凝水，并回收烟气中过饱和的水蒸气[2]，从而降低烟气绝对湿度。

该系统利用烟气冷凝器对脱硫后的饱和净烟气冷凝降温，使烟气温度及饱和湿含量降低，然后利用布置在冷凝器后的热媒水烟气再热器对烟气进行加热升温。提升烟气的温度与爬升高度，达到消除白色烟羽的效果。加热烟气的热量来自于布置在除尘器前或脱硫塔前的烟气冷却器，利用循环热媒水作为换热媒介。该工艺系统包括：升温段烟气换热器、喷淋塔喷淋系统、热媒水循环系统、加药补水系统。整个技术改造系统图如图 1 所示。

图1 冷凝降温+MGGH系统结构图

2 控制系统概况

■2.1 硬件配置

基于消白系统运行环境恶劣且需远程监控，控制系统硬件采用西门子SIMATIC S7-1500系列PLC[3]。作为西门子PLC系列的高端产品，该系列产品性能优异，同西门子SIMATIC S7-300/400PLC相似，S7-1500同样为模块化结构。SIMATIC S7- 1500 CPU集成了 PROFINET接口，该接口具备连接PROFINET总线的通信功能，可以通过组态与其它设备建立Profinet IO通信[4]。

控制系统CPU选用型号为1513-1PN，采用ET200SP模块进行IO扩展可以最大限度节约硬件成本。ET200SP通过35mm导轨安装，通讯接口模块配置6ES7155-6AA00-0BN0，并配置其他信号模块、服务器模块及基座单元和交换机等。其中基座单元为ET 200SP模块提供电气和机械连接，信号模板均安装在相应的基座上。

设置硬件网络拓扑结构S7-1500 PLC（192.168.0.10）与 两个ET200 SP站（192.168.0.11/12）通过交换机进行Profinet IO通信。通过博途软件组态在网络视图下，点击ET200SP站的“未分配”按钮为ET200SP站点分配IO控制器 “PLC_1”。硬件网络拓扑结构如图2所示。

图2 PLC硬件网络拓扑结构图

■2.2 程序结构

项目调试实施中PLC程序设计是整个项目设计的核心。博途软件有着强大的编程语言支持，项目程序编写采用梯形图(LAD)、语句表(STL)及结构化控制语言（SCL）相结合方式进行编程。

在项目程序设计时首先对工艺控制要求进行了解并将控制任务进行分解，从而编写相应功能的程序块，博途软件通过循环扫描主程序OB1从而调用包括模拟量数据处理[5]、电机控制、仪表阀门控制、各种保护及数据报警输出等子程序。

根据消白的工艺特点，控制要点主要有加药及循环喷淋系统变频器的自动调节、部分水泵的工频电机保护启停和模拟量数据的转换及报警等。控制系统程序分成若干个子任务，如每个喷淋塔的工频电机启停（FC3/FC4）、除雾器冲洗阀的逻辑启停控制（FC8）、模拟量处理（FC1/FC5）、模拟量数据选择（FC7）等。并将程序执行后的数据块分别存储与相应全局共享数据块[6]。PLC编程软件程序结构图3所示。

图3 PLC编程软件结构图

编程状态下，通过添加函数便可添加功能（FC）或功能块（FB），编程语言根据编程需要选择LAD、STL或SCL方式。电机启停连锁控制选用LAD梯形图语言方式编程，以此提高控制程序开发效率并增加准确性及调试监控方便。模拟量数据处理采用SCL高级语言编程，因SCL高级编程方式主要用于数据算法设计。电机PID控制采用STL编程，该方式支持指针以及间接寻址，对于集中数据处理方面有很大的优势，例如开发PID和其它一些高级算法程序。

项目程序中MOTOR（FC2）为电机启停子程序，通过识别远程及就地状态启动电机，并采集电机实时运行信号对电机进行联锁保护， FC3或FC4通过调用FC2及添加实际参数地址便完成某单个电机的控制块。典型的电机启停如图4所示。

图4 配准前后获取的全聚焦图像

模拟量转换块（FC6）通过SCL语言编写，同样用于子程序调用，该程序块主要用于将标准的模拟量4～20mA电流信号转换成对应仪表量程。模拟量功能块通过调用将相应通道输入，将压力变送器4～20 mA 两线制电流信号转换成0～1.0 MPa，将流量计4～20 mA 四线制电流信号转换成0～30m3/h等，也可以对温度的铂热电阻 PT100的信号转换成0～100℃。模拟量转换SCL编程如图5所示。

图5 模拟量转换SCL图

3 画面监控系统

博途编程软件TIA_Portal_STEP_7_Pro_WINCC_Pro_V15不仅可以对PLC程序进行编写，同样可以对工艺画面进行组态，在编程界面下通过添加PC系统新设备然后添加WinCC RT Professional便可进行画面组态，从而实现传统WINCC的功能。其中博途WinCC RT Professional用于项目的组态编译，而WinCC RC Professional用于项目的运行[7]。Portal_WINCC组态具有更好的开放性和兼容性，在画面组态窗口下可方便的进行项目的画面编辑组态及PLC变量点的连接，从而设计出人性化及操作界面友好的运行画面，通过对HMI 报警组态及记录组态添加实时与历史趋势曲线、报警画面等功能用于对事故及故障分析。

为便于操作，除设置消白系统工艺流程主画面还设置其他分系统画面如喷淋系统画面、加药系统画面、报警画面、趋势画面等，实现上位机对不同功能要求的监控及数据分析。各分系统画面除监控系统的温度、压力、流量、PH值及烟气参数外还有各电机及阀门开合状态。同时画面友好的设置弹出式操作界面，用于对单个电机、电动执行器及变频装置PID操作控制。

根据Portal_WINCC链接SQL数据库组态重要工艺参数数据采集，通过调取SQL数据库数据保存和建立实时、历史曲线趋势,工程师权限下设置操作员权限查看并分析实时和历史曲线，可对实时和历史曲线进行调取打印，对选择时间范围内的数据进行运行情况分析。

画面编辑状态下，通过HMI报警窗口对报警变量编辑，Portal_WINCC可以对程序报警的读取及报警值设定，包括工艺控制要求的温度、压力、流量及烟气参数等设定报警和电机运行故障、阀门的开关超时等报警，当正常运行状态下有温度、压力、烟气参数测量值超过报警画面设定范围或电机出现过热报警、阀门开关超时等报警发生时,在主画面上对应的设备闪烁报警，同时在报警界面中留有文字描述记录。报警界面可为操作员快速识别及排除故障提供帮助。

4 结束语

消白PLC监控系统在自完成调试后运行以来数据采集及监控稳定，实际运行情况表明应用西门子S7-1500在博途编程软件（TIA）组态配合下功能强大，可完全满足项目应用要求。通过Profinet IO通信挂ET200SP站，有着很高的性价比，大大节约了硬件采购成本。博途编程软件集成Portal_WINCC组态监控画面，实现了编程系统和画面组态在通信方面的设计无缝连接，Portal_WINCC组态人性化操作界面可实时监控PLC运行数据及状态，达到控制现场工艺系统的目的, 实现消白工艺运行管控一体化目的。