（工程热物理专业论文）大型烟气脱硫试验台监控系统的开发与研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文结合浙江菲达机电集团公司大型烟气脱硫试验台环保课题，根据试验台 的实际情况，借鉴国内外的先进技术和经验，对脱硫试验台的计算机监控系统应 用进行了深入的研究。r 本文的研究工作正是围绕着监控系统的研制而展开的，重 点是监控系统软、硬件的设计和自动控制功能的实现。户一一 本项研究中采用可编程控制器( p l c ) 作下位机、工业控制计算机( p c ) 作 上位机与热工参数测量传感器、变送器、操作控制器等组成集散型控制系统 ( d c s ) ，自动监测烟气脱硫试验台的各运行参数，并对试验台实行自动控制与 调节。f 监控系统包括自动监测与自动控制两大部分，p l c 负责完成数据采集与自 动控制，p c 机与p l c 相互通讯监视试验台的运行并数据处理，实现人机对话功 能，保证了试验台的安全、经济与稳定运行。，日 本文的研究工作还包括p l c 和p c 机的软件开发。( p l c 软件由s t e p7 软件 包开发，完成了p l c 系统的数据采集、控制回路的运行等功能，有着模块化结构 化的优点。p c 软件由v i s u a lc + + 开发，具有强大的功能和友好的用户界面，实现 了运行参数流程与列表显示、报警提示、历史查询、工作汇总报表、参数曲线跟 踪等功能。l 、。 ， 本文还进行了试验台自动控制系统的设计。佑合试验台特点，运用智能p i d 控制原理设计试验台各控制回路，并进行了p i d 控制参数的整定工作。对于大滞 后、非线性、时变的温度控制回路，在使用p i d 控制的基础上，又尝试应用了模 糊控制理论，并对这两种控制方法的控制效果进行了比较。卜、 关键词：烟气脱硫：监控系统：可编程控制器：智能p i d 控制；集散型控制系统 模糊控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m o ft h ef l u eg a sd e s u l f u r a t i o n ( f g d ) t e s t b e df o rz h e j i a n gf e i d ac o r p o r a t i o n ， w h i c hi sa ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o np r o j e c t t h ek e yp o i n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a n dt h er e a l i z a t i o no f a u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n s t a r i n gf r o mb o t ht h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so ft h et e s t b e d a n dt h ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e s a n de x p e r i e n c e sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ，t h e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t sat o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) c o n s t i t u t e db y ap r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a n dac o m p u t e r ( p c ) p l ci su s e dt o c o l l e c td a t aa n dp e r f o r ma u t o m a t i cc o n t r o l ，w h i l ep ci sa d o p t e dt om o n i t o rt h e o p e r a t i o np r o c e s sa n da n a l y z ed a t ab yc o m m u n i c a t i n gw i t hp l ct h i ss y s t e r n e n a b l e st h ec o n t r o ls y s t e mt ob e o p e r a t i n gs a f e l y ，r e l i a b l ya n de c o n o m i c a l l y ，a n d t h e nb r i n g sm a n yc o n v e n i e n c e st ot h eo p e r a t o r t h i s p a p e r a l s oi n v o l v e ss o f t w a r e d e v e l o p m e n t o fp l ca n dp c t h e s o f t w a r ef o rp l cp r o g r a m m e d b ys t e p7 w h i c h c a ns u c c e s s f u l l yd e t e c t s s i g n a l s a n dc o n t r o l st h e i o o p s h a st h ea d v a n t a g e s o fm o d u i a r i z a “o na n d s t r u c t u r i z a t i o n c o 盯e s p o n d i n g i y ，t h es o f t w a r ef o rp cd e v e l o p e db yv i s u a ic - i - + p r o v e s t ob ee f f e c t i v ea n d f r i e n d l y t o o p e r a t o r s ，w h i c h c a nr e a l i z e m a n y f u n c t i o n ss u c ha sp r o c e s s d i s p l a y 。l i s t d i s p l a yo fo p e r a t i o np a r a m e t e r s ，a l a r m i n g ， h i s t o r yq u e r y i n g ，a u t o m a t i cc r e a t i o no fw o r k s h e e t ，a n dt r e n dm o n i t o r , e t c t h e d e s i g no fa na u t o m a t i c c o n t r o is y s t e mf o rt h et e s t b e di sa l s oi n c l u d e di n t h i s p a p e r t h es y s t e mu s e si n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e rt od e s i g na l l a u t o m a t i c c o n t r o il o o p s ，a n dp e r f o r m st h ea d j u s t m e n to fp i dp a r a m e t e r s f u z z yc o n t r o l l e r i sf u r t h e r a t t e m p t e d f o ra s p e c i a lt e m p e r a t u r e c o n t r o i i o o p w i t h v a r y i n g p a r a m e t e r s t i m el a gc h a r a c t e r i s t i c sa n dn o n l i n e a r i t y t h ei n t e r - c o m p a r i s o no f p e r f o r m a n c e b e t w e e nt w oa f o r e m e n t i o n e dc o n t r o l l e r si sc o n d u c t e dw i t h c o n v i n c i n gd a t a k e y w o r d s ：f l u eg a s d e s u l f u r a t i o n ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；i n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l ； t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ；f u z z yc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 一l 烟气脱硫的必要性以及烟气脱硫技术综述 1 1 1 烟气脱硫的意义 随着世界经济的发展和世界人口的增加，人类赖以生存的自然环境遭到越来 越多的破坏，这种现象在发展中国家尤为突出。各种环境问题层出不穷，它们直 接或间接地影响生态平衡，进而影响人类社会的发展与进步。人们已经深刻地认 识到人类和其赖以生活的环境是一个不可分割的整体，环境是人类赖以生存和发 展的资源。 当今人类面临的三大环境问题之一是酸雨。天然降水最低p h 值为5 6 5 ，一 般将p h 值小于5 6 的降雨叫酸雨。可能引起雨酸化的物质有硫化物类、氮化物 类及氯化物类，在三类物质中，形成酸雨的主要物质是s o ：和n o 。，它们形成的 酸雨占总酸雨量的9 0 以上。这两类物质的9 0 都是燃烧矿物燃料造成的。中国 酸雨以硫酸为主，硝酸的含量不到硫酸的1 1 0 ，带有大气s o ，污染的明显特征， 这与中国的以煤为主的能源结构是有关的。 7 0 年代初，酸雨沉降在世界上仍是局部性问题，但目前已发展成为全球面l 临 的主要环境问题之一，进入8 0 年代后，酸雨的危害更加严重。1 9 8 2 年我国开展 酸雨普查，对省市2 4 0 0 多个雨水抽样检查，结果属酸雨的占4 4 ，酸雨次数占 总监测降雨次数一半以上的城市有：青岛、苏州、重庆、桂林、常州、宜宾、福 州、杭卅l 、贵阳、广州、南昌、都匀、长沙、南宁等。据2 3 省市测定表明：其 中有2 1 个省均发现酸雨，占9 0 以上。中国酸雨有明显的区域性，特别是经济 区酸雨活动频繁，范围大，酸度高。例如重庆酸雨的p h 值达3 1 ；1 9 8 4 年测定 广州市酸雨的p h 值最低为3 6 9 。国外酸雨的酸度多为( 4 0 5 5 ) 。中国某些地 方的酸雨逐年严重，雨水的p h 逐年下降，而出现酸雨的频率却逐年上升，每年 因酸雨和二氧化硫污染造成的损失达1 1 0 0 多亿元。 大气中大部分硫和氮的化合物是由人为活动产生的，而化石燃料燃烧造成s o ， 和n o 。排放，是产生酸雨的根本原因，这已从欧洲、北美历年排放s o ，和n o 。的 递增量与出现酸雨的频率及降水酸度上升趋势得到证明。由于燃烧化石燃料及施 放农业化肥，全球每年约有( 0 7 - - 0 8 ) 1 0 8 t 氮进入自然界，同时向大气排放l 1 0 s t 硫。这些污染物主要来自全球面积不到5 的工业化地区一欧洲、北美东部、 日本以及中国部分地区。近一个多世纪来，全球s o ，排放一直在上升( 图1 1 ) 。 中国的能源消耗以燃煤为主，因此中国的酸雨沉降主要来自s o ，图l 一2 所示的 为( 1 9 6 0 2 0 0 0 ) 年s o ，排放趋势，其中虚线为采取治理措施时s o ，排放量。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 喜 三 篓 豢 年 釜 釜 x 茸 挺 链 甓 8 图1 - 1 ( 1 8 6 01 9 8 0 ) 年全球s 0 2 的排放图1 - 2 ( 1 9 6 0 2 0 0 0 ) 年中国s 0 2 的排放 酸雨沉降以不同方式危害水生生态系统、陆生生态系统、材料和人体健康。 酸雨还会使湖泊变成酸性，水生生物死亡。加拿大安大略省已有2 0 0 0 4 0 0 0 个 湖泊变成酸性，鳟鱼和鲈鱼已不能生存。美国对纽约东北部的阿几隆达克山区所 进行的调查表明，该地区2 1 4 个湖泊中，p h 值在5 以下的已达半数之多，8 2 个 湖泊已无鱼类生存。酸雨对水生生态系统的破坏，一方面是通过湖水p i - t 值降低 导致鱼类死亡，另一方面是由于酸雨浸渍了土壤，侵蚀了矿物，使a l 元素和重 金属元素沿着基岩裂缝流入附近水体，影响水生生物生长或使其死亡。近年来， 人们普遍将大面积的森林死亡归因于酸雨的危害。在德国，横贯巴伐利亚州山区 的1 2 0 0 0 h a 森林有四分之一坏死，波兰已观察到针叶林大面积枯萎达2 4 1 0 a ， 捷克的受害森林占森林总面积的1 5 。酸雨还加速了许多用于建筑结构、桥梁、 水坝、工业装备、供水管网、地下贮罐、水轮发电机组、动力和通讯设备等的材 料的腐蚀。另外酸雨对人体健康也产生间接的影响。酸雨使地面水成酸性，地下 水中的金属含量也增高，饮用这种水或食用酸性河水中的鱼类会对人体健康产生 危害。 由于酸雨对人类生存环境的破坏十分严重，早已引起各国政府的重视，特别 是一些工业发达国家，业已研究开发和广泛应用了一些有效的手段和技术，降低 造成酸雨的污染物的排放，取得了明显的成效。我国政府对大气s o ，污染及控制 s o ，排放量相当重视。据估计，今年我国一次能源消耗量将超过1 2 亿吨标准煤， s o ，年排放量将达到3 8 2 2 万吨，北方城市大气中s o ：浓度将会达到2 7 0 h g m 3 ，普 遍高于5 0 年代西方国家一些大城市的水平。我国酸雨发展趋势短期内尚难以控 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 制，今年四川的酸雨区明显扩大，酸雨沉降量增加约4 0 ，酸雨危害面积将进一 步扩大。可见我国未来大气s o ，污染控制的形势是十分严峻的。 烟气脱硫技术( f g d ：f l u eg a sd e s u l f u r a t i o n ) 是目前应用最广，最有效的一 项脱硫技术，也是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，是控制s o ，排 放量，防治大气s o ，污染一种重要的实用手段。对以燃煤为基础的工业而言，在 今后一个相当长的时期内，f g d 将是控制s o ，排放的主要方法。 1 1 2 烟气脱硫( f g d ) 概述 烟气脱硫技术是目前应用最广，最有效的一项脱硫技术。烟气脱硫就是应用 化学和物理的方法脱除烟气中的s o ：。最早的烟气脱硫技术在本世纪初就已经出 现。近几十年来，国外对烟气的脱硫、脱硝进行了大量的研究。在工业发达国家， 工业脱硫装置的应用发展很快。我国近十多年来也开展了烟气脱硫技术的研究。 至今，烟气脱硫技术的种类非常多，按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为 干法，半干法和湿法三大类。 表1 1 为三类烟气脱硫技术的主要特点。 1 湿法烟气脱硫技术 主要的湿法烟气脱硫技术有：石灰石灰石浆液洗涤法、氢氧化镁法、双碱法、 钠洗涤法、千代田法、柠檬酸钠法、磷铵肥法、海水脱硫法、w e l l m e n l o r d 法、 碱式硫酸铝法、三相流化床烟气脱硫法、硫铵回收法、蜜胺浆液脱硫法等。其中 石灰石灰石浆液洗涤脱硫技术应用最为广泛，具有脱硫效率高，运行可靠性好的 特点。 2 干法烟气脱硫技术 干法烟气脱硫技术较好地回避湿法烟气脱硫技术存在的腐蚀和二次污染等问 题。干法烟气脱硫技术主要有：移动层式( 三井一b f 式) 脱硫脱氮技术；氧化 铜流化床式脱硫技术：煤灰颗粒干法脱硫技术；s n r b 烟气净化技术：电子射线 辐射技术等。 3 半干法烟气脱硫技术 半干法烟气脱硫技术是一类常见的烟气脱硫工艺，由于半干法烟气脱硫技术 具有湿法烟气脱硫和干法烟气脱硫的优点，并有经济上的优势，近年来得到了迅 速的发展，广泛应用于许多场合。 半干法烟气脱硫技术主要有：l i f a c ( l i m e s t o n ei n j e c t i o ni n t o t h ef u r n a c ea n d c a l c i u mo x i d ea c t i v a t i o n ) 技术、循环流化床反应器脱硫技术、n i d ( n e wi n t e g r a t e d d e s u l p h u r i a t i o n ) 技术、g s a ( g a ss u s p e n s i o na b s o r p t i o n ) 脱硫装置、烟道喷钙脱硫 工艺、c o o l s i d e 脱硫工艺、喷雾干燥一电子束辐照脱硫脱硝法等。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 三类烟气脱硫技术的主要特点 烟气脱硫技术主要特点 脱硫反应速度较快，设备较简单，脱 硫吸收与产物生成均在中低温状态下 湿法烟气技术( w f g d 技术) 进行。它具有脱硫效率高等优点，但 普遍存在腐蚀严重，运行维护费用较 高及易造成二次污染问题。 用固体吸收吸附剂在干燥状态下吸收 s o ：并在干状态下使脱硫物再生成或处 理。具有烟气在脱硫过程中无明显降 干法烟气技术( d f g d 技术) 温，有利于排出后扩散，无废液的二 次性污染，设备腐蚀性小等优点，但 与湿法相比存在反应速度较慢，装置 较庞大的问题。 脱硫吸收剂在湿状态下脱硫，在干状 态下再生等，也有在于状态下脱硫， 半干法烟气技术( s d f g d 技术) 在湿状态下处理脱硫产物的。半干法 烟气脱硫技术兼有w f g d 与d f g d 的 某些特点。 1 1 3 课题研究的大型半干法脱硫试验台简介 本大型烟气脱硫试验台采用半干法烟气技术( s d f g d 技术：s e m i d r y f l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o n ) ，试验台的总脱硫效率可达8 0 以上。 烟气脱硫试验台的关键之一是需要能模拟锅炉尾部烟道内流动的，具有同等 温度与流速的烟气，用小型燃煤锅炉的排放烟气最为逼真，但要产生流量为 1 0 0 0 0 m 3 h ，具有1 2 0 1 8 0 。c 温度的烟气，需要一台1 6 t h 的蒸汽锅炉，价格约为 1 6 万多元，还要其他设备及煤场。不但投资大，占地面积大，而且试验时还专门 需要个具有合格证书的司炉工进行操作，且劳动强度较大。采用电加热空气预 热器，操作极为方便。由于电加热效率较低，最高为5 5 左右，欲达上述要求的 热空气量约需1 5 0 0 k w 的容量，设备价格约为1 2 万多元，加上与其配套的大容 量电气线路，电器设备及变压器等，投资将远大于小型燃煤锅炉，且试验运行费 用昂贵，每小时高达1 5 0 0 - 2 0 0 0 元左右。采用柴油燃烧器加热空气的模拟烟气发 生系统，投资约为7 8 万元。投资小，占地小，可以实现远动遥控操作，自动化 程度高，试验运行费用少，约为电加热空气预热器的1 18 - 1 2 0 。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 脱硫试验台的系统结构如图1 3 所示 图1 - 3 烟气脱硫试验台系统结构图 烟气脱硫试验台的模拟烟气发生系统如图1 - 4 所示，由柴油燃烧炉，燃烧室 送风机，旁路风机，引风机，油箱等组成。 图1 - 4 模拟烟气发生系统示意图 l 一油箱2 一燃烧炉3 一燃烧室4 一送风机5 一旁路风机6 一引风机 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 其主要技术参数如下：( 1 ) 模拟烟气流量：1 0 0 0 0 1 2 0 0 0m 3 l a ；( 2 ) 燃烧炉出 口烟气温度：1 2 0 2 0 0o c ；( 3 ) 燃烧炉出口烟气压力：2 0 0 op a ；( 4 ) 柴油消耗 量：2 5 5 0k g h ；( 5 ) 送风温度：0 - 4 0 。c 。烟气脱硫试验台试验用烟气流量为1 0 0 0 0 m ，试验段烟气温度1 2 0 1 8 0 。c ，以上技术参数能满足烟气脱硫试验的需要， 并有一定的调节范围，模拟不同的试验工况。 其热力计算结果汇总见表l 一2 ： 表1 - 2 热力计算结果汇总 序号名称符号单位数值 】 试验段管径 d4 8 5 2 试验段流速 wm s1 5 3 试验段温度 t o c 1 2 0 4 雷诺数 r e 2 8 6 x1 0 5 5 柴油热值q 。k j k g 4 2 7 0 0 6 燃烧室热流量q k j ， l1 5 9 0 9 6 0 7 燃料消耗量 b k g ，h 3 9 2 2 8 油燃烧烟气量 v y m 3 h4 4 7 3 9 冷却空气量v 。 m 3 h6 9 4 3 2 1 0 模拟烟气量 vm 3 ，1 11 0 0 0 0 1 2 烟气脱硫试验台实时监控系统的意义 计算机技术的迅速发展，特别是微型计算机技术的革命性进展，为计算机控 制的发展与应用奠定了坚实的基础。利用计算机对工业生产流程进行监视和控制 在现代化社会中得到广泛应用，对工业生产运行的安全性和经济性起着非常重要 的作用。工业自动化水平的高低是衡量工业生产技术的先进与否和企业现代化的 重要标志，现代化工业的生产管理要求：现场的生产情况能够及时地再现于远离 现场的决策人员和管理人员面前，现场的实时数据能够提供给各级职能部门使 用，形成图表，使生产控制和现代化管理容为一体，确保安全、优质、经济地运 行。 为了有利于大型烟气脱硫试验台的工业化应用和配合现代化生产管理系统的 要求，我们研制开发了计算机监视与控制系统，对保证试验台的安全经济运行， 减少试验人员，提高试验水平，加强试验人员的正确监视和操作，取得良好效果。 计算机监视系统可容易地将分散的、大面积的控制台式的监视变为集中的c r t 监 视，从而缩小了监视面长度、大大减轻试验人员负担。计算机监视系统与常规仪 表监视系统相比有以下几个优点： 计算机运算速度快，且具有分时操作功能，所以一台计算机能代替成干上 百台常规仪表； 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 计算机的监视方法比较灵活，对于常规仪表难以达到的监视质量，计算机 监控系统却很容易达到； 由于计算机具有记忆和判断功能，所以在过程参数发生变化时，能及时根 据各方面情况，显示综合分析结果，而对此，常规仪表不能胜任； 计算机监视系统c r t 显示终端，可以实现多种参数的集中显示，同时还可 以以各种画面、相关图形，实现趋势显示、流程图显示和列表显示等。给分 析问题和操作控制带来很大的方便。 另外，随着网络的发展以及市场经济带来的竞争都使得现代化企业要有现代 化的管理手段，降低成本，这样才能在竞争中取胜。而高层的决策需要有大量的 数据分析来支持，这就要求企业不但要有m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统，而且要求把生产用的实时监测数据与m i s 网互联，使得决策层能在办公室 里甚至在外地都能随时查看生产情况，使生产控制和现代化管理融为一体。计算 机监测控制系统的效益，主要体现在以下几个方面： 计算机监控系统提高了试验台的自动化水平，对试验台的安全，经济运行 提供了保证，同时大量减轻了试验人员的劳动强度，减少了试验人员。 计算机监控系统对试验台的运行提供了详尽的过程描述，从而易于分析试 验过程中的问题和不足，避免发展成为重大事故。 计算机监控系统通过对现场数据的采集分析，在监控对象和监控装置的诊 断方面提供了依据。 计算机监控系统与常规设备的相互备用提高了试验台运行的可靠性。 计算机监控系统利用计算机采集存储的数据进行试验数据记录、试验数据 整理分析以及统计报表的自动生成等，为分析试验台运行情况提供了方便， 减轻了试验人员的工作量。 计算机监控系统通过所积累的大量统计资料，可以为烟气脱硫系统的完善 化提供依据。 总之，脱硫试验台用计算机系统，对于提高试验台安全、可靠和经济运行水 平，提高运行管理水平以及减少运行人员等有明显的效果。尤其是采用彩色屏幕 ( c r t ) 后，更可通过生动的画面集中显示各种运行参数、曲线、图形，以及试 验结果即时处理等等，效果极为显著。 1 3 实时计算机监控系统的发展及应用现状 自从1 9 4 6 年第一台数字计算机出现以来，计算机技术有了极大的发展。应 用计算机对工业生产过程进行监视和控制，提高生产的安全和经济性，一直以来 是国内外企业所研究探讨的重要课题。 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 _ 3 1 计算机热工监控系统的发展 在生产和科学技术的发展过程中，自动控制起着重要的作用，目前已广泛应 用于工农业生产、交通运输和国防建设。早在1 9 5 8 年，国外就己经开始研究用 计算机进行生产过程的监测与测量，并获得了初步的成功。1 9 5 8 年9 月，在美 国l o u i s i n a 公司的s t e r l i n g 电厂安装了第一台计算机监视系统。日本在1 9 6 1 年开 始，在北海道龙川火力发电厂设置计算机系统。欧洲则要迟l 一2 年，前苏联于1 9 6 0 年左右也开始进行早期计算机监测系统的试验。当时由于受到计算机硬件和软件 水平的限制，所开发的系统功能简单，人机联系方式落后。所有该时期的系统往 往采用机器语言或汇编语言编制，能完成简单的数据采集、报警、计算和简单的 显示功能，人机对话设备一般是数码管和按键，因此它所起的作用是巡回检测， 即数据采集系统。这就是后来计算机监视系统的基础。 计算机监控系统热工自动控制的发展经历了以下几个阶段： 初级阶段：本世纪5 0 年代前后，工业生产过程主要是凭生产实际经验，局 限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现生产过 程各自独立的分散的局部自动控制。各控制系统之问没有或很少有联系。过程控 制的目的主要是几种热工参数，如温度、压力、流量及液位的定值控制，以保证 电力生产的稳定，所应用的理论为经典控制理论。 仪表化阶段：5 0 年代末及以后十年间，先后出现了电动单元仪表和巡回监 测装置，因而实现了把主要生产设备作为一单元整体来进行集中控制，对提高设 备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生产设备日益大型化与连续化的需 要。此时所用的仪表有电动仪表及组装仪表，所应用的理论依然为经典控制理论。 综合自动化阶段：7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展， 由分散的机组或车间控制，向全车间甚至全企业的综合控制发展，实现了过程控 制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制。此时所用的仪表有气动仪 表、电动组合仪表、组装仪表及计算机，所用理论大多为经典控制理论，少量为 现代控制理论。 近年来随着计算机技术的迅速发展，热工计算机过程控制又经历了以下几个 发展阶段： 集中型计算机控制系统：它是用一台计算机对整个生产过程进行整体控制， 因而对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现故障，将使整个生产受到影响。 分散型计算机控制系统：随着微机的大批量生产，成本的不断下降，逐渐 把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系 统之间很难协调起来。 集散型计算机控制系统：它把个系统之间、厂级管理、调度等用一台功能 r 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 很强的计算机进行上位管理：而把个子系统用微机管理，充分发挥了集中控制和 分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。 集散型计算机控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简记t d c s 或d c s ) 也称为整分布式计算机控制系统，是计算机( c o m p u t e r ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n l 技术、阴极射线管( c r t ) 显示技术和控带1 ( c o n t r 0 1 ) 技术的结合。集散型计算机控制 系统能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解 耦控制以及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生产的指挥、 调度和管理的功能。 到了九十年代，为了尽量满足应用需要，d c s 系统正逐渐与管理信息系统 ( m i s ) 结合，构成管理控制一体化的计算机集成过程系统( c i p s ) 。同时也发展 缩小化的微型集散控制系统( m i c r od c s ) ，以满足中小企业的应用。c i p s 系统 着重于信息的集成与信息的共享，即通过网络连接和数据库把生产过程中分散的 各种计算机结合仪表所形成的各个孤立系统( 如过程控制系统d c s 、p l s 等，计 算机辅助工程c a e ，管理信息系统m i s ，决策支持系统d s s 等) 集成起来，称 为相互协调，总体优化的集成系统，是c i p s 长期稳定于最优状态下运行，具备 充分的柔性和应变能力。d c s 系统向着集成化、综合化和智能化的方向发展。 国外d c s 系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统己被广泛应用于包 括电厂在内的诸多工业部门。目酊，世界上约有4 0 多家公司生产近百种简单控 制系统的商业产品。比较有名的，如美国的a b b 、h o n e y w e l l 、t a y l e r 、f o x b o r o ； 以及日本的横河一北辰、日立、东芝；德国的s i e m e n s 等多家跨国公司。 我国热工自动化方面的计算机应用起步于1 9 6 4 年，比国外晚了两年时间。 现在国内现在热工过程自动化研究的主要是进行中小型生产实时监控系统的开发 和研究。如山东电力试验研究所、南京南瑞自动化公司、北京和时利公司等都均 与各电厂合作开发了各具特色生产实时监控系统。但确实长期连续投入自动控制 的系统不是很多，因而实际控制效果不明显。国内热工计算机监视控制系统的应 用状况不容乐观。 1 3 2 可编程控制器( p l c ) 简介 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c ，因早期主要应用于开关 量的逻辑控制，因此也称为p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，即可编程逻辑 控制器。由于p c 已经成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，故称可编程 控制器为p l c 。现代可编程控制器是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工 业控制装置，是计算机技术和工业控制技术结合的产品。 1 可编程控制器( p l c ) 的产生与定义 可编程控制器是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制成功的，并在通用公 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 司( g e ) 汽车生产线上应用，获得成功。从此，可编程控制器技术就迅速发展起 来。1 9 7 1 年日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制 器d c s 一8 。1 9 7 3 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业应用。 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用 而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入 和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按 易于与工业系统联成一个整体、面向用户的“自然语言”编程；是种简单易懂、 操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。 2 可编程控制器( p l c ) 的特点 p l c 的应用是工业自动化的客观需要，有着许多独特的优点，它较好的解决 了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、方便、灵活、经济等问题。其主要特 点如下： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强。 ( 2 ) 编程简单、使用方便。 ( 3 ) 设计、安装容易，维护工作量少。 ( 4 ) 功能完善、通用性强。 ( 5 ) 体积小、能耗低。 ( 6 ) 性能价格比高。 总之，p l c 系统的基本特点是：可靠、方便、通用、价廉。 3 可编程控制器( p l c ) 的应用 目前，p l c 在国内外已广泛应用于电力、钢铁、石油、化工、建材、机械制 造、汽车、轻纺、环保以及文化娱乐等各行各业。随着p l c 性能价格比的不断提 高，其应用会越来越广。大致可以归纳为如下几类： ( 1 ) 开关量的逻辑控制。 ( 2 ) 位置控制。 ( 3 ) 工程控制。 ( 4 ) 数据控制。 ( 5 ) 通讯联网。 ( 6 ) 在计算机集成制造系统( c i m s ) 中应用。 4 可编程控制器( p l c ) 与其他工业控制装置的比较 ( 1 ) p l c 与继电器控制系统的比较 传统的继电器控制系统被p l c 所取代已是必然趋势。从适应性、可靠性、方 便性及设计、安装、维护等方面比较，p l c 都有显著的优势。 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) p l c 与集散控制系统的比较 p l c 与集散控制系统在发展过程中，始终是相互渗透互为补充。它们分别由 两个不同的经典控制设备发展而来。p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来，初 期主要侧重于开关量顺序控制。集散控制系统( d c s ) 是由单回路仪表控制系统 发展而来的，初期主要侧重于回路调节功能。这两种设备都随着微电子技术、大 规模集成电路技术、计算机技术、通信技术等的发展而发展，同时都向对方扩展 自己的技术功能。p l c 在6 0 年代问世以后，于7 0 年代进入了实用化阶段，1 6 位， 3 2 位微处理器和各种位片式处理器的应用，使它在技术和功能上发生了飞跃，在 初期的逻辑运算功能的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能，其运算速度 提高，输入输出范围与规模扩大。p l c 与上位计算机之间相互连成网络，构成以 可编程控制器为主要部件的初级控制系统。 现代可编程控制器的模拟量功能很强，多数都配备了各种智能模块，以适应 现场的多种特殊要求，具备了p i d 调节功能和构成网络系统组成分级控制的功能 以及集散控制系统所完成功能。集散控制系统既有单回路控制系统，也有多回路 控制系统，同时也具有顺序控制功能。到目前为止，p l c 与集散控制系统的发展 越来越接近，很多工业生产过程既可以用p l c ，也可以用集散控制系统实现其控 制功能。综合p l c 和集散控制系统各自的优势，把二者有机的结合起来，可形成 一种新型的全分布式的计算机控制系统。 ( 3 ) p l c 与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控 制设各。硬件结构标准化程度高、兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作 系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的 控制占优势。但是，使用共控机控制生产过程可靠性不如p l c ，而且p l c 开发易 学易懂，便于推广应用。 5 可编程控制器( p l c ) 在我国的发展 目前，p l c 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用p l c 设 计自动控制系统也成为世界潮流。我国p l c 的发展过程大致可以分为初级认识阶 段( 7 0 年代) 、引进使用阶段( 8 0 年代) 和广泛发展阶段( 2 0 世纪9 0 年代至今) 。 尽管可编程控制器在功能上与d c s 控制系统已经相差无几，但由于p l c 自逻辑 控制发展而来，而热工控制中模拟量居多，所以其在热工自动控制中如电厂、大 型热工试验台上的应用并不多见。 展望我国p l c 的发展前景，今后几年我们市场将迅速增加，应用领域将进一 步扩大。 1 l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 4 课题的主要研究内容 借鉴国内外热工控制系统成功的经验，针对国内大型试验台热工自动控制应 用上的不足。本课题的研究内容是把可编程控制器( p l c ) 、2 1 2 业控制计算机结合 起来，尝试把系统硬件高可靠性与软件功能的完善性相结合，使试验台的自动控 制系统可靠经济运行成为可能。 本课题结合浙江诸暨菲达机电集团公司烟气脱硫试验台环保课题，由浙江大 学热能工程研究所测试与控制研究室研制开发其自动监测与控制系统。实时监控 系统可以改变传统的大型试验台运行的过程控制、监督和记录方式，获得试验台 运行的真实信息。实时监控系统利用计算机通过采集脱硫试验台系统各种参数， 采用列表、系统模拟显示方式进行分类显示，帮助运行和管理人员监视试验台的 运行情况。并通过编制应用软件，连续采集燃烧炉负压与烟气流速、温度、流量 以及热工、电气开关量等信息，实现对试验台运行状态等主要指标的实时监视与 控制。并从试验台运行的安全性和经济性出发、对运行的只要参数进行分析、管 理。根据运行参数自动制成各种报表，为运行管理提供有力的手段。对模拟量报 警，开关量动作等信息进行详细的记录，为分析事故原因提供了详细的信息。 课题研究内容主要分为三大部分： ( 一) 大型半干法脱硫试验台监控系统的硬件设计； ( 二) 脱硫试验台监控系统的软件设计，包括下位机( p l c ) 和上位机( p c ) 软件两方面的内容； ( 三) 脱硫试验台监控系统自动控制回路的研究和探索。 课题研究的目的是为了提高大型脱硫试验台安全经济运行，为试验台的工业 化应用打下坚实的基础，有利于我国的环境保护。 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章试验台监控系统总体设计 第二章脱硫试验台监控系统总体设计 2 1 计算机热工监控系统 大型脱硫试验台在试验过程或以后在实际工业应用运行中，通常工作环境非 常恶劣，环境温度高、湿度大、灰尘飞扬，这就需要可靠、稳定、抗干扰能力强 的计算机热工监控系统软、硬件支持。特别是试验台启停和事故处理过程中参数 变化迅速、操作十分频繁、连锁保护十分严格，对设备监视、调节、顺序控制和 保护的要求更为迫切，这时大型试验台的“安全、稳定、经济”运行显现的至关 重要。 2 1 1 计算机热工监控系统的要求 工业生产和试验过程中对热工过程控制的要求是多方面的，最终可以归纳为 三项要求，即安全性、经济性和稳定性。 1 安全性 安全性是指在整个试验台运行过程中，确保运行人员和设备的安全，这是最 重要的也是最基本的要求。通常是采用参数越限报警、事故报警和连锁保护等措 施加以保证。 2 经济性 随着市场经济的发展，经济性已经成为工业生产中的一个关键标准。试验台 的经济运行，可为其实际工业应用打下一个良好前提。 3 稳定性 稳定性是衡量控制系统性能的重要指标。要求热工控制系统具有抑制外部干 扰，保持试验台试验过程稳定运行的能力。试验过程中烟气温度和脱硫剂给料量 改变等等都会或多或少地影响试验台的稳定运行。 此外，应用于现场的热工控制系统应具备适用现场的如下特点。环境适应性 强：能够适应各种恶劣的工业环境是对控制系统的基本要求。一般认为，能够 在环境温度5 6 4 ，相对湿度不大于9 5 ，有少量粉尘、震动、电磁场、腐蚀性 气体等干扰因素的环境下工作。控制实时性好：“实时”是指信息的输入、处理、 运算、判断和输出都要在一定的时间内完成。有完善的人机联系方式：计算机控 制系统必须具有完善的人机联系方式，因为当生产过程或控制系统出现异常时， 常常需要运行人员手动操作生产过程，或者采取紧急措施。要求人机联系方式简 单、直观、明确、规范。有丰富的软件 是来自生产过程的外部事件“驱动”的 1 3 计算机控制系统的一个重要特点就是它 而这些外部事件的发生往往是随机的。 浙江大学硕士学位论文第二章试验台监控系统总体设计 为了满足实时性的要求，计算机控制系统一般要有完善的操作系统、文件管理系 统和数据库管理系统。用户在应用软件的开发上给予足够的重视，这样才能使计 算机控制系统更好地发挥作用。 2 1 2 计算机热工控制系统的分类 计算机控制系统根据对象的不同控制要求、所实现的控制功能和基本特点， 可以分为下列四种类型：数据采集和处理系统；直接数字控制系统；计算机监督 控制系统和集散型控制系统。 1 计算机数据采集与处理系统 计算机数据采集与处理系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 又称计算机监 视系统，是以计算机为核心对生产过程进行智能化、全工况开环监视的系统，其 主要功能包括：信息输入、信息处理、报警处理、操作指导、人机联系与信息输 出等，缺点是不直接参与设备的控制，没有充分发挥计算机控制系统的能力，其 系统构成如图2 1 所示。 被 传感信号 输 阂； 控入 机l 一报警 对通 象道 图2 1 计算机数据采集与处理系统 2 直接数字控制系统 直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 系统的构成如图2 2 所示。 被汇玉巫 卜叶玉巫叵 _ 专 设定值 控计 对算 匿 象 卜 妥巫匠卜_ 至亟乎 机 图2 - 2 计算机直接数字控制系统 d d c 由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过 程的控制装置，对控制规律进行数值计算，经过程输出通道( d a 和d o ) 直接 控制生产过程。d d c 是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛制计算机 控制系统。 3 计算机监督控制系统 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r