由于我国绝大多数火电厂采用的燃料是煤，其带来的严重后果是大量SO2气体对外排放，造成对环境的严重污染。根据《国务院关于酸雨控制区和二氧化硫污染控制区有关问题的批复》，对火电厂二氧化硫排放提出了明确要求，即要求“两控区”的火电厂做到：到2000年底达标排放；新建、改造燃煤含硫量大于1%的电厂，必须建设脱硫设施；现有燃煤含硫量大于1%的电厂，要在2000年前采取减排措施；在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其他具有效果的减排二氧化硫措施。因而对烟气脱硫工艺过程控制系统的研究成为我国当前一个紧迫和重要的问题。
    本文阐述了在构建烟气脱硫工艺过程控制系统中，一种将FCS与DCS相结合的控制系统，也就是基于PROFIBUS总线技术的FDCS[2]，取代了传统的DCS分散控制系统。探讨了基于PROFIBUS总线的火电厂烟气脱硫过程控制系统的设计与应用。

1 石灰石-石膏湿法脱硫工艺简介

    石灰石-石膏湿法脱硫工艺采用价廉物美的石灰石或石灰作为脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌制成吸收剂，其生产工艺流程如图1所示。在脱硫塔内，吸收剂与烟气接触混合，烟气中的SO2首先被吸收剂中的水吸收然后与吸收剂中的碳酸钙（CaCO3）反应生成CaSO3, CaSO3被鼓入的空气中的O2氧化，最终生成石膏晶体（CaSO4. H2O）。其主要化学反应式为：

吸收过程：SO₂+ H₂OH₂SO₃   = HSO₃^- + H⁺  ; CaCO₃ + 2H⁺Ca²⁺ + CO₂+H
氧化过程：HSO₃^- +1/2 O₂SO4^2- +H⁺   ;  Ca²⁺ + SO₄^2- + H₂OCaSO₄. H₂O

    石灰石-石膏湿法脱硫是目前世界上技术最成熟、应用最广、运行最可靠的方法，已成为世界FGD的主导。应用该脱硫工艺的机组占电厂脱硫总装机容量的90%，应用的最大单机容量已达到1000MW。

2 控制系统设计

    整个烟气脱硫过程控制系统逻辑上按照三层结构设计：过程控制级、监控级、上一级监控和管理级。其功能包括数据采集和处理（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）以及保护、联锁、报警等。 

2.1 过程控制级
    控制级中主要采用PLC和执行机构（电动调节阀、变频器）控制生产过程，另采用智能仪表采集现场压力、温度、流量等各项数据。系统正常运行时，采用闭环控制，系统根据设定值和实测值的差值实现自动控制，使被控量自动稳定于设定值；当需要人为干预时，可采用开环控制，控制室内操作人员可通过调整控制值来保证系统正常运转；当自动控制系统发生异常时，可由现场操作人员直接对调节阀、变频器等执行机构进行操作，即通过手动控制以确保整个系统的安全、稳定、有效运行。过程控制级的控制范围包括：
    （1）脱硫塔循环水量控制；
    （2）循环池、钠碱池、氧化池、泥浆池、电石渣浆化池浓度及液位控制；
    （3）泥浆泵、循环泵、变频泵工作状态控制；
    （4）调节阀门工作状态的控制。过程控制级与监控级之间通过PROFIBUS现场总线按一定的通讯协议进行通讯。

2.2 监控级
    监控级运行SCADA实时数据采集和控制软件（监控组态软件）完成烟气脱硫系统监控与管理以及过程优化数学模型运算。监控级包括： 1台工程师站，用于对整个系统进行组态，编程和调试；2台操作员站（一主一备），均采用工业控制计算机，并安装WinCC6.0监控软件，用于操作人员对整个系统进行监控。监控范围包括：
    （1）现场控制设备的启停操作及运行状态；
    （2）烟气脱硫控制系统的动态参数；
    （3）脱硫除尘后烟气中烟尘、SO2排放浓度。

整个系统功能范围内的全部报警项目可在显示器上显示并可在打印机上打印，报警范围包括：
    （1）脱硫塔入口烟温过高，出口烟温过低；
    （2）脱硫塔进、出口压差过大；
    （3）循环池、钠碱池、氧化池、泥浆池、电石渣浆化池液位过高或过低；
    （4）pH值调节池、循环池pH值过高或过低；
    （5）电动机运行中跳闸；
    （6）烟气出口含硫、含尘量过高。

2.3 上一级监控和管理级
    上一级监控和管理级由实时监控系统（SIS）和计算机管理信息系统（MIS）两部分组成。烟气脱硫控制系统作为发电机组正常安全生产的一部分，必须与机组中其它相关控制系统及管理系统交换生产实时数据和历史数据，必须接受管理系统的生产指令，因此要求烟气脱硫系统的SCADA控制系统应有很强的数据处理能力，工业以太网是目前工控界最流行的局域网技术，市场占有率高达80%。它具有良好的数据开放性和扩展性，能够在系统不停机的情况下与其它程控系统通讯。本文采用NETDDE方式通过工业以太网交换数据。

3 基于PROFIBUS总线技术的FDCS

3.1 PROFIBUS总线介绍[1]
    PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开方式的现场总线标准。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容的版本。本文根据实际工程的需要选用的是PROFIBUS-DP，其特点有：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分布式I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代昂贵的24V或4~20mA并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。

3.2 FCS与DCS的比较  
    传统的DCS与新型的FCS的比较：
    （1）DCS是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。
    （2）DCS必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS将功能下放，实现控制与数据采集的现场化。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。
    （3）FCS由于控制与数据采集现场化，与DCS相比可以节省大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。
    （4）FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。

3.3 FDCS的特点及其优越性[2]
    由于FCS较之DCS更具优越性，且烟气脱硫系统的被控制点很多，分布比较分散，因而FCS将逐步取代DCS。值得一提的是，文中所阐述的控制系统FDCS与理想的FCS是有很大区别的。理想的FCS应该是全数字化的，即传统的4~20mA模拟信号完全被双向数字通信现场总线信号所取代。实现全数字化FCS的基础是数字智能现场装置，而目前市场上的数字智能现场装置还不够理想有待完善，且尚无在火电厂环境中长期运行的业绩。由于考虑到实际工程的需要，本文中所设计的控制系统是保留了DCS部分特点的FCS，也就是FDCS。其特点是：各分布式I/O（ET200M）放置在现场信号比较集中的位置，每个现场装置到分布式I/O仍使用一对专用的双绞线，以传送4~20mA模拟信号，分布式I/O到中央控制室则采用一根双绞线完成双向数字通信。
    FDCS相对于传统的DCS能节省大量的隔离器件、端子柜、I/ O 卡件、模拟卡件等，简化二次接线、节省大量的控制电缆, 减轻了CT、PT 负载,减少施工、安装、维护工作量,节省大量的人力、物力资源,从而降低了综合投资成本。另外,各分布式I/O相互独立, 分布式I/O之间通过PROFIBUS-DP总线连接,系统组态灵活,整个系统的可靠性得到很大提高,任一分布式I/O的故障不会影响其他分布式I/O,缩小了故障范围，更重要的是，实现了真正的地理分散，使控制风险几乎彻底分散。

4 系统硬件组成

    本系统共需108个开关量输入，包括：补水泵状态、补水截止阀状态、进口闸板状态、水池高低液位报警、系统故障报警、斗式提升机状态、石灰仓高低料位状态、给料机状态、脱硫吸收剂输送泵状态、循环池搅拌机状态、循环泵状态、泥浆泵状态、烟道闸门状态等；74个开关量输出，包括：信号指示灯、补水泵控制、进口闸板控制、斗式提升机控制、给料机控制、脱硫吸收剂输送泵控制、循环池搅拌机控制、循环池补水控制、循环泵控制、泥浆泵控制、烟道闸门控制等；32个模拟量输入，包括：pH值大小、脱硫塔出口温度、脱硫塔出口压力、脱硫塔阻力、主烟道压力、主烟道温度、引风机转速等；8个模拟量输出，包括：引风机转速控制、电动调节阀控制等。整个系统有液位控制、pH值的控制、排灰浆控制、喷淋循环控制等8个控制部分，其中最重要最关键的是pH值调节池pH值的闭环控制。通过性价比的市场调研，本文选用西门子公司的SMATIC S7-300系列PLC，分布式I/O采用ET200M，其模板包括：采集4~20mA模拟信号的模拟量输入模板、PT100采集模板、开关量采集模板、模拟量输出模板、开关量输出模板等。系统硬件配置如表1所示。
    现场仪表和执行机构通过双绞线传送4~20mA信号到分布式I/O（ET200M），分布式I/O再通过PROFIBUS-DP现场总线完成与中央控制器（CPU315-2DP）之间的双向数字通讯。系统硬件结构原理如图3所示。

表1 系统硬件配置

5系统功能的实现

5.1 液位自动控制
    水池液位控制有两条基本要求。
    第一, 水池不能过满,产生溢出。如不这样,不仅会造成经济损失,还会严重污染周边环境。
    第二，不能流空，产生断流。否则会对烟气脱硫工艺产生严重影响，使烟气脱硫工艺过程无法正常进行。由于受烟气脱硫工艺流程的影响，液位的变化不是很稳定。如果液位控制全凭现场操作人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的工作状态范围内，现场操作人员在工作中就要时时监测液位的变化，不得有半点疏忽，这样就较大地增加了现场操作人员的劳动强度，而且容易发生事故。因而采用德国E+H公司的FMU40E超声波液位计、电动调节阀和西门子公司的S7-300PLC组成控制回路来实现对水池液位的自动控制。当检测到液位过高时关闭电动调节阀，停止对水池的供水。当检测到液位过低时开启电动调节阀，恢复对水池的供水。整个控制回路简单、可靠、运行稳定。

5.2 pH值的PID调节[3]
    在该系统中,pH值调节池、循环池的pH值需进行PID调节, 它们都是通过控制电动调节阀的开度来实现pH值控制的。本文是通过软件来实现这种PID调节功能。pH值PID控制系统原理如图4所示。

PID的模拟表达式为:
                (1)
式中　P ――调节器的输出
　　　K_p ――比例系数
　　　T_I  ――积分时间
　　　T_D  ――微分时间
　　　e ――测量值与给定值之差
若设　T_S  ――采样周期
　　　P_n  ――第n次采样输出
　　　e_n ――第n次采样偏差
则式(1)换成离散形式为:
            (2)
将式（2）换成增量式，并设K_I = K_pT_s/ T_I ，K_D = K_pT_D/T_s ，则

 Pn = K_p（e_n - e_n-1 ）+ K_{I en} + K_D（e_n - 2_en-1 + e_n-2 ）   （3）
     式（3）为本控制系统的pH值PID调节器，具体的K_P、K_I 和K_D三个参数可根据现场调试获得。

5.3 排灰浆控制

    在实际使用中发现泥浆泵虽然运行时间很短，但是损坏率很高。其主要原因是由于灰浆沉积速度很快，特别是锅炉压火或停炉一段时间后，脱硫除尘箱体内未排尽的余灰沉淀板结在泥浆泵的入口处，造成泥浆泵每次重载启动，甚至堵转，使泵的密封圈、轴承、电机等损坏。为了解决以上问题，控制系统增加了预冲浆和防板结的功能。在泥浆泵每次启动前20秒自动开启冲洗阀，用具有一定压力的自来水冲松泥浆泵入口处板结的灰浆。在锅炉压火或停炉后，仍让控制系统按照原设定的间隙时间继续运行3个循环，以排尽脱硫除尘箱体内的余灰。

6 结论

    通过用户实际运行表明，经该烟气脱硫系统处理后所排放的烟气已达到国家环保标准。其脱硫效率可达92.2%，脱硫吸收塔出口取样处SO²的排放浓度为104mg/Nm³。该套控制系统可靠、高效、经济，且在启、停、运行及事故处理情况下均不影响机组正常运行，受到用户的欢迎。同时，也为在火电厂中应用完整的、彻底的FCS打下了良好的工程和实践基础。