基于PLC的火电厂烟气脱硫系统的应用研究毕业设计说明书.docx
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基于PLC的火电厂烟气脱硫系统的应用研究毕业设计说明书
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
根据“PLC原理及应用”课程基于项目教学的教学需要，选定基于PLC的火电厂烟气脱硫系统的应用研究作为教学项目的案例。
针对案例，选定施耐德M340PLC作为系统设计和实现的平台。
在此基础上，本论文系统研究了施耐德M340PLC系统的特点，完成了教学实验系统初步设计；对教学实验内容进行了基本分析和设计；最终对火电厂烟气脱硫控制系统进行了全面分析和设计，并在施耐德的UNITYPRO开发平台上进行了系统编程和调试。
关键词：
烟气脱硫，施耐德M340PLC，PLC控制
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheSchneiderM340PLCfluegasdesulfurizationcontrolsystem
——M340PLCControlSystemforFGD
Abstract
PLCprinciplesandapplicationscurriculum-basedteachingprojectteachingneeds,selectedcasesasateachingproject-basedthermalpowerplantfluegasdesulfurizationsystemapplicationinthePLC.ForthecaseselectedSchneiderM340PLCsassystemdesignandimplementationplatform.Onthisbasis,onthefield,thispaperstudiedthecharacteristicsoftheSchneiderM340PLCsystem,completedthepreliminarydesignoftheexperimentalteachingsystem;thecontentsoftheteachingexperiment,thebasicanalysisanddesign;finalconductedacomprehensiveanalysisoffluegasdesulfurizationcontrolsystemSchneideroftheUNITYPROdevelopmentplatformanddesign,systemprogramminganddebugging.
Keywords:
FlueGasDesulfurization，FGDSchneiderM340PLC,PLCcontrol
前言
PLC原理及应用课程是一门强调应用能力训练与培养，以实践动手能力培养为显著特征的控制及相近专业重要的专业课程。
多年来，高校开设的此类课程以训练基本概念和基本应用能力为主，导致学生在走上工作岗位后仍然需要进行二次培训。
这在采用中、高端PLC的热能动力工程专业，热工过程自动化专业方向表现的更为特出。
为了改变这一情况，能源与动力工程学院基于“南京工程学院-施耐德电气联合实验与培训中心”的建设，选择了施耐德最新的中端产品ModiconM340PLC作为该课程的教学系统，建设了“施耐德电气M340PLC实验室”。
作为全球领先的自动化产品供应商，施耐德电气在各种类型的应用领域都拥有性能卓越的可编程控制器。
ModiconM340PLC集各种强劲功能和创新设计于一身，为复杂设备制造商和中小型项目提供各种自动化系统的最佳技术和高效、灵活、经济的解决方案。
M340是仅次于Unity的施耐德投资第二大研发项目，于2007年7月1日开始接受订货，其开发平台基于UnityPro3.0及更高版本。
ModiconM340可编程控制器集各种强劲功能和创新设计于一身，完美无缺地满足复杂设备制造商和中小型项目的要求，提供各种自动化功能的最佳技术和高效、灵活、经济性的解决方案。
ModiconM340充分支持工业和基础设施自动化控制系统的“透明就绪”架构，成为ModiconPremium和Quantum系列产品线的最佳拓展。
使得该平台几乎具有了高端PLC应用系统开发的所有特征，很好地满足了热工过程自动化专业方向在PLC原理及应用课程的教学需要。
为了满足PLC课程的教学需要，“施耐德电气M340PLC实验室”的M340PLC实验教学系统不仅要包括如交通灯实验、电机起停等经典教学实验，同时为使学生更加系统全面的了解PLC应用系统，而且选择了一个完整的过程控制系统案例——火电厂烟气脱硫控制系统，作为课程教学的主线。
此次毕业设计即是结合该实验教学系统的设计，完成试验台的初步的结构设计和功能设计，并主要完成火电厂烟气脱硫控制系统案例的全面设计、编程和调试工作。
火电厂烟气脱硫控制系统是一个非常典型的过程控制系统案例，综合了脱硫、液位、压力、温度控制功能，涉及到顺序控制、模拟量调节、安全报警等控制系统中必不可少的功能，可以向学生展示一个完整的PLC控制应用系统，帮助学生全面的了解PLC控制系统，对学习PLC原理和PLC应用系统开发有一个全面的认识。
火电厂烟气脱硫控制系统教学案例采用典型的监控上位机+PLC下位机的两层架构系统。
本部分设计内容主要是完成案例的下位机PLC层的设计、组态、编程和调试工作。
该部分工作是从火电厂烟气脱硫的工艺流程分析入手，进行控制需求分析，设计出一套的功能完备、系统简单、低成本的PLC控制系统解决方案。
为了完成毕业设计任务，需要全面了解PLC，掌握根据实际使用情况对PLC进行选型和配置的原则，根据火电厂烟气脱硫的工艺过程特点确定控制需求，进行控制系统进行分析，确定火电厂烟气脱硫控制系统的P&ID图和I/O清单，设计火电厂烟气脱硫控制系统拓扑和控制原理图（SAMA）。
毕业设计的另一项重要工作是完成控制系统的编程和调试，这需要借助施耐德UnityPro软件平台来完成。
UnityPro是施耐德新开发的综合控制系统开发和调试平台，该平台的开发思想和方法与DCS系统几乎一致。
UnityPro开发平台的教学应用可以很好地满足热工过程自动化专业方向在PLC，以及后续的计算机控制系统课程教学的需要。
本次毕业设计工作是对PLC控制系统设计、过程控制系统设计以及计算机控制系统的全面、系统的综合训练，为PLC原理及应用课程的案例教学方法进行较全面的实验平台、教学方法和教学内容的设计。
所设计的成果对“南京工程学院-施耐德电气联合实验与培训中心”的建设和PLC及计算机控制系统课程配套教学方法的改革具有较大的参考价值。
第一章绪论
1.1课题背景
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。
目前，煤电仍是我国电力生产的主要形式，煤电生产量约占全国发电量的75%以上。
因此，除了需要全面提高燃煤发电技厂的发电技术，获得更高的发电效率外，还必须面临如何控制其燃烧排放物的重大问题。
以燃烧化石燃料为基础的火力发电厂，其烟气排放物中带给环境带来污染和危害，的主要有有氧化物（大部分为SO2，少部分SO3）、氮氧化物、二氧化碳和粉尘等，其中烟气排放产生的SO2是世界上最大的SO2排放源之一。
因此，控制火力发电厂SO2的排放，保护环境，是电力生产发展中急需解决的问题之一。
火电厂脱硫工艺选择脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫三种。
燃烧后脱硫即烟气脱硫（FlueGasDesulfurization，FGD）技术它是在烟道处加装脱硫设备，对尾部烟气进行脱硫处理，净化咽气，降低烟气中SO2排放量。
燃烧后脱硫（FGD）是目前唯一可以进行大规模商业运行的脱硫方式，大型电厂90%是采用这种方式。
所谓烟气脱硫，就是把烟气中的SO2和SO3转化为液体或固体化合物，使其从排出的烟气中分离出去。
脱硫的方法主要有干法、半干法和湿法，工业上应用最多，技术最成熟的是湿法脱硫。
湿法烟气脱硫工艺绝大多数采用碱性浆液或溶液作为吸收剂，脱硫效率高。
火电厂烟气脱硫的主要困难在于SO2的浓度低烟气体积大，SO2的总量大，由于SO2是酸性气体，因此碱性物质耗量很大。
烟气中SO2浓度具体由燃料的含硫量决定的。
我国引进的技术以石灰/石灰石法为主。
FGD工艺方案中，石灰石或石灰为吸收剂的强制氧化湿式脱硫方式是目前使用最广泛的脱硫技术。
1.2国内外研究现状
1.2.1PLC下位机研究现状
针对PLC下位机的设计，周宏英、王君、杨继志[1]等针对电厂脱硫控制系统主要功能及工艺流程，使电厂脱硫控制系统中脱硫浆液制备与输送系统、烟气净化系统以及循环液处理系统这三部分密切配合，从而提高了脱硫的效率。
郑晅[2]根据烟气脱硫系统的工艺特点，提出了自动控制要求和控制方式。
采用可编程控制器PLC作为控制主机,将脱硫控制纳入全厂辅助系统网络集中监控,既保证可靠性,又提高了经济性。
在脱硫系统设计时详细对设计方案分析并选择合适的可编程控制器，电源电路和数据采集电路。
曾志新[3]针对控制项目提出主要控制方案及联锁系统说明，才工艺中采用特殊的热工保护来维持脱硫系统正常运行以及发生事故时保护系统及设备。
徐鹏[4]锅炉负荷、燃煤质量、烟气浓度及烟气流量等情况实现各类磨机、泵、阀门等设备的自动控制，给出了石灰石-石膏湿法全烟气脱硫系统中PLC系统的分组。
吴明亮、随晶晶等[5]在石灰石制粉控制系统中的应用中体现了PLC控制系统可控制良好的经济型、可靠性和灵活性。
李国峰[6]针对岱庄煤矿热电厂原有烟气脱硫系统脱硫效率低，运用PLC实现氨法烟气脱硫综合自动化监控，大大提高了热电厂的自动化水平。
梁冬青[7]结合PLC的特点，着重探讨了PLC在电厂石灰石（石灰）——石膏湿法脱硫监控系统中的应用，根据脱硫系统的特点采用三台上位计算机和三套PLC控制系统组成冗余的控制系统和网络，整个系统采用双机热备冗余方式，体现了PLC控制的可靠性。
黄红艳陈华东[8]针对安顺电厂二期3号、4号机组建设的2×300MW机组的湿法脱硫系统，结合了DCS和PLC，分析了全厂控制配置的优缺点，介绍其工艺流程，软硬件配置、主要模拟量控制和顺序控制等，提出了良好的改造建议和方案。
另外介绍了采用PLC的脱硫辅助控制系统，对石灰石的制备系统、废水处理系统和石膏脱水系统的硬件和流程，使整个烟气脱硫系统更加全面可靠。
孟宪朋、李璐、田林[9]在硬件设计中考虑了控制站PLC的设计和现场变频器的选型。
关于变频器以前很少接触，在整个烟气脱硫工艺中，有很多需要用到变频器调速的地方，根据系统工艺要求变频器有足够的低频转矩提升能力和短视过流能力，选型时应该充分考虑各种情况。
张勇,栾瑞瑛[10]结合石灰石——石膏湿法烟气脱硫控制系统的特点，从控制处理能力，数据通讯交换，组态维护功能，人机交流方式，安全性和发展方向等方面比较了分散控制系统（DCS）和PLC，并且总结了脱硫系统的主要特点。
针对湿式脱硫的缺点和干式脱硫的特点，干式脱硫主要调节反应塔内温度、压力、灰浆浓度以及锅炉热负荷。
干式脱硫在我国北方具有很高的推广价值。
邹瑞强、朱晓莉、毛伟峰[11]介绍了用施耐德PLC在济钢AV-71鼓风机组控制中的应用，施耐德PLC的应用减弱了仪表的复杂程度，接线简单明了，大大降低了事故率。
肖漓,周国荣[12]介绍了湿式钙/镁法烟气脱硫自动控制系统的工艺流程和自动控制系统结构与功能。
PLC是整个控制系统的核心，负责现场的数据采集，逻辑控制，系统故障处理以及同上位机的通讯。
1.2.2上位机研究现状
目前，工业自动化控制技术已经发展到一个新的高度，可编程控制器已经在工业控制领域得到广泛的应用，它是经济全球化和中国走向世界的一个必然。
在PLC与上位机组成的集散控制系统中，PLC作为下位机，完成数据采集、逻辑分析、数学运算、输出控制等功能，上位机完成数据存储、结果处理、状态显示、打印输出等功能，实现对系统的实时监控和在线处理。
这样不仅提高了PLC的控制功能，扩大了它的控制范围，而且能够使PLC间的资源共享，便于实现集中控制和网络化管理。
1.3本文研究内容
本次毕业设计的内容是：
在掌握施耐德可编程控制器（PLC）的原理，编程以及使用方法的基础上，通过深入仔细研究火电厂烟气脱硫控制系统的工艺流程。
烟气脱硫控制系统采用施耐德M340系列PLC控制上位机管理的方式设计，PLC综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，运用PLC对上位机的软件设计实现自动控制、数据显示、记录整个工艺过程。
下位机用UnityPro软件根据设计需要对PLC进行硬件配置，用下位机软件编写代码，使其模拟火电厂烟气脱硫过程，对控制系统进行仿真。
上位机组态软件采用VijeoDesigner触摸屏上位机软件来配合PLC工作。
用组态软件画出烟气脱硫控制系统主画面，监视画面，报警画面，趋势画面等，通过网络通信功能连接PLC，能够直观的准确的控制各机械或生产过程，使之控制过程更加直观，方便控制调整。
上位机软件与下位机进行网络通信功能连接，可以通过操作监控界面完成对脱硫装置的启停操作，使脱硫装置的控制均能自动进行。
所以本次课题需要完成对PLC下位机的控制过程的软件编程，给出I/O清单。
最后，依靠工业以太网来完成下位机与上位机的通讯，使之成为一个整体，再进行仿真模拟修改，最终完成火电厂烟气脱硫控制系统。
第二章工作原理和流程分析
火电厂烟气脱硫工艺选择脱硫技术可分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫三种。
燃烧前脱硫主要指选煤（如物理法，微生物法脱硫）、煤气化和水煤浆技术；燃烧中脱硫指低污染燃烧、型煤加工和流化床方式燃烧技术以及目前推广的燃气—蒸汽联合循环发电技术；燃烧后脱硫即烟气脱硫（FlueGasDesulfurization，FDG）技术。
FGD是目前唯一可以进行大规模商业运行的脱硫方式，大型电厂脱硫的90%是采用这种方式。
从脱硫方法看，主要有如下几种：
（1）抛弃法和回收法；
（2）干法和湿法。
工业上应用最多、技术最成熟的是湿法脱硫，是伐是利用水或碱性吸收液或触媒离子的溶液，吸收烟气中的二氧化硫，它是目前世界上应用最广泛的脱硫方式，脱硫效率高，全世界该工艺装置的容量占绝大部分。
我国重庆的珞璜电厂、深圳沙角A电厂、上海石洞口电厂都是采用的湿法脱硫。
其他工业化的工艺还有喷雾干燥法（SDA）、炉内喷钙尾部增湿活化（LIFAC）、亚纳循环法（W-L法）、电子束法（EBA）。
火电厂烟气脱硫的主要困难在于SO2的浓度低烟气体积大，SO2的总量大，由于SO2是酸性气体，因此碱性物质耗量很大。
烟气中SO2浓度具体由燃料的含硫量决定的。
常见的湿法烟气脱硫技术主要有石灰/石灰石—石膏法、双碱法（Na-Ca）、氧化镁法、海水脱硫法、磷铵肥法等。
第一代的FDG以石灰/石灰石湿法为代表，其装置主要安装在美国和日本。
在美国，大多数大中型燃煤锅炉所采用的FDG工艺均为湿法，湿法约占FDG总容量的92%。
在日本，烟气脱硫技术主要采用湿法和回收法，其中湿法石灰石-石膏法约占总容量的一半。
我国引进的技术以石灰/石灰石法为主。
FGD工艺方案中，石灰石或石灰为吸收剂的强制氧化湿式脱硫方式是目前最成熟、应用最广泛的脱硫技术。
典型的湿式烟气脱硫工艺流程图如图所示
2.1石灰石湿法脱硫的基本原理
石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫系统基本工艺流程如下
石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：
烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。
其基本工艺流程如下：
锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH（气体-气体换热器）降温后进入吸收塔。
在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。
循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3、HCl和HF，与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏（CaSO4·2H2O），并消耗作为吸收剂的石灰石。
循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。
每个泵通常与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。
在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。
脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。
经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。
同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。
进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。
烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。
在吸收塔出口，烟气一般被冷却到46~55℃左右，且为水蒸气所饱和。
通过气-气换热器将烟气加热到80℃以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。
最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。
脱硫过程主要反应有吸收反应、中和反应和氧化反应：
1.SO2+H2O→H2SO3（2-1）
2.CaCO3+H2SO3→CaSO3+CO2+H2O（2-2）
3.CaSO3+1/2O2→CaSO4（2-3）
4.CaSO3+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O结晶（2-4）
5.CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2结晶（2-5）
6.CaSO3+H2S3→Ca（HSO3）2（2-6）
石灰/石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理如下，
1.烟气中二氧化硫溶解于水中生成亚硫酸并离解成H¯氢离子和HS·¯离子；
2.烟气中的氧（由氧化风机送入的空气）溶解在水中，将HSO3¯氧化成SO42-；
3.吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成Ca2+离子。
在吸收塔内，溶解的二氧化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏（CaSO4·2H2O）。
由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的邢化一或亚硫酸盐几乎全部被氧化为硫酸根或者硫酸盐，最后在CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成石膏——CaSO4·2H2O，石膏可根据需要进行综合利用或者抛弃处理。
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