杨慧民
（金牛天铁煤焦化有限公司，河北 邯郸 056404）
引言金牛天铁煤焦化有限公司焦炉煤气采用了真空碳酸钾工艺脱硫，塔后的指标不能满足国家环保要求，因此我们要对该生产工艺进行改造，拟在现有的真空碳酸钾工艺装置后串联新建一套络合铁精脱硫及硫膏离心机处理装置，将煤气中H2S 从真空碳酸钾脱硫装置后的含量（质量浓度）从1 500 mg/m3脱除到20 mg/m3以下。新增的煤气脱硫装置拟采用以碳酸钠为碱源的煤气脱硫工艺及装置。当真空碳酸钾脱硫装置要进行检修时，新增的脱硫装置可保证煤气中H2S含量（质量浓度）由7 000 mg/m3降至300 mg/m3。本工艺为环保项目，工艺内产生的少量废气，采用了如下的防范措施：煤气脱硫过程中产生含微量硫泡沫的废气，自再生槽出来由风机引至尾气洗涤塔用碳酸钠溶液洗涤后排放。投用GLT 络合铁催化剂后，脱硫系统不外排废液，更不需要提盐装置。本工艺采用焦炉煤气脱硫的专利工艺，具有工艺流程短，设备集成度高、运行费用低、占地面积小、工程投资低等特点。为了满足工艺生产要求，提高经济效益，本次工艺设计了较完善的检测和控制项目，利用原有中控室，新建PLC自动控制系统和上位机监控画面，实现对现场设备运行情况的实时监测，保障了生产工艺的稳定性及质量要求，使得该精脱硫系统得以连续稳定地运行[1]。
1 硬件及软件设计1.1 硬件配置PLC 作为整个精脱硫工艺系统的核心大脑，要求系统实现对煤气脱硫工艺各项设备的数据信号监测和自动控制，保证机组的安全和经济运行。通过光纤通讯的方式在控制室内操作。为满足该要求，我们对此系统将采用SIMATIC S7 系列的PLC，本系统主要由导轨，电源模块，中央处理器，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块和模拟量输出模块组成。
西门子PLC 的家族非常庞大，有小型的、中型的、大型的PLC，小型如S7-200 系列PLC、中型如S7-300 系列、大型如S7-400 系列，为了满足高速数字量处理，多功能协议转换口，运动控制，功能冗余等强大的功能，该脱硫系统采用了S7-1500 系列的PLC。CPU 1515-2 PN 是适用于大中型应用的标准型CPU 模块。该模块是数据存储器及大容量程序的CPU，集成强大的网络连接，响应时间短，指令处理速度快等功能。模拟量输入模块采用的是多功能模块，不仅可以输入电流、电压信号，还能够输入电阻信号测量温度。
1.2 硬件控制功能该系统自动控制的所有控制要求都只能通过系统的PLC 模块控制来实现，如要监控现场仪表设备生产过程中的数据，则需要通过模拟量输入模块来将模拟量信号转换成CPU 内部的数字信号，再把CPU发出的指令转换为4～20 mA 的模拟量信号通过模拟量输出模块发送给现场仪表变送器。如要控制现场电气设备的启动及停止，则需将现场传来的继电器通断信号通过数字量输入模块来转换成PLC 内部二进制信号，再将内部信号通过数字量输出模块给到现场电气设备进行启动或停止的命令信号。
PLC 的通讯方式有PPI 协议通讯，RS485 串口通讯，以太网通讯、MPI 通讯、MODBUS 通讯，PROFINET通讯和PROFIBUS-DP 通讯，本系统采用了基于CPU自身的PROFINET 通讯，其完全兼容了现场总线和工业以太网技术。
1.3 软件配置该系统的上位机采用了双硬盘热插拔双网卡的研华科技工控机，其中精脱硫设有一个工程师站，一个中控室操作站。两台上位机之间是通过以太网（TCP/IP）来进行通信的，并采用光纤通讯技术将监控数据上传给企业内部网络上相应的管理者。两台监控站之间采用了冗余结构。上位机的操作系统都是以Windows10 系统为平台，采用的是西门子博途软件V15 来为编写数据采集和自动控制程序，其选用的是西门子视窗控制WinCC7.4 版本作为本系统的监控软件。WinCC 是西门子最经典的过程可视化监控系统，可以实现在线实时远程监控，连锁控制，远程操作，数据归档，故障报警等多种功能。
1.4 上位机软件控制功能WinCC 是一个自动化控制上位机组态软件，其主要的功能就是利用各种通讯协议来与现场的仪表电气设备交换数据，将生产现场的重要参数以通俗直观的图像数字的方式显示在计算机的屏幕上，以便于操作间的操作人员对现场的设备进行控制。IO 控制如控制泵的启动停止，罗茨风机的启动停止，调节阀开度的给定，变频器频率给定，上位机软件可以把现场设备有动作时的情况真实的反映在画面上，风机的温度，电流，塔后出口压力，液位槽的液位高度，调节阀的开度都能以数字的形式显示在画面上，设备的运行情况可以经画面设备的颜色变化来反馈该设备是否在运行状态，从而可以减少了岗位操作人员许多在现场的实际操作，大大节省了岗位人员的劳动量，同时又节省了时间，空间。WinCC 软件可以实时反馈现场设备数据，当出现异常时，WinCC 可以提示响应的报警文本以及发出报警声音[2]。
2 工艺过程及控制方式2.1 工艺过程从真空碳酸钾脱硫装置来的焦炉煤气进入脱硫塔下部，并沿脱硫段自下而上与顶部喷洒的脱硫液逆流接触，进行液相催化氧化的化学吸收过程，将煤气中的大部分硫化氢吸收在脱硫液中。为了保持一定的催化剂浓度并尽量减少其耗量，采用了连续补加少量碱液及催化剂的措施。GLT 络合铁脱硫催化剂具有硫容量高、再生反应速率快、选择性高、催化剂稳定性高、吨硫磺的催化剂消耗量低等优点。吸收了硫化氢后的脱硫液通过塔底煤气液封设施，自流到再生槽的顶部，通过喷射器与风机输送的空气接触，进行氧化再生，再生后的脱硫液经液位调节器调节自流到脱硫塔底部循环槽，由脱硫液循环泵打至脱硫塔顶，循环使用。脱硫后煤气中的硫化氢含量达标。从再生槽溢流出来的硫泡沫自流到硫泡沫槽，用硫泡沫泵打入离心机，分离出的清液自流返回脱硫系统，离心后的泡沫外运。经过硫泡沫以及碳酸钠等物料的倒运工具来搬运。新增的配碱槽及配碱泵，配碱可采用脱硫液或工业新水，通过碱泵循环搅拌后打至脱硫液循环泵入口。配碱槽由机械搅拌装置来对其进行搅拌。脱硫过程中产生含空气和硫泡沫的废气，脱硫再生废气量约5 000 m3/h，经过尾气洗涤塔，采用碱液对尾气进行洗涤，洗涤后的尾气满足国家排放要求。回收的硫膏由人工清理及装袋运输，防止污染环境。
2.2 控制方式系统控制现场设备旁设有机旁控制，具有远程就地按钮，当该按钮打在远程时，中控室人员通过上位机监控画面可以对设备进行控制，但当打在检修或者就地的情况时，就地操作时，复位自动条件，联锁程序解除，上位机不可控制现场设备。只能由机旁控制按钮来对设备进行相应的操作，防止突发情况。
由PLC 系统控制的所有现场设备泵均采用一开一备，系统程序设有联锁自动启停和故障自动停车的功能，当其中一台泵运行出现故障时，PLC 将给其发送停车信号，使其停车，并对另一台备用泵发送启动信号使其自动启动运行，如脱硫液循环泵，碱自吸泵，催化计量泵等，以保证系统的正常运转和工艺稳步生产，若两台泵均启动不成功，没有反馈信号，短暂的三秒延时后将置位故障信号，停止启动信号，发出报警声音，并在画面上出现报警信息，该泵的控制系统将停止运行。此时需要及时联系岗位人员及检修人员查找原因并恢复。
罗茨风机由变频器来控制其运转速度，其本体由风扇和电机两部分组成，当打到远程信号时，中控室给出罗茨风机启动脉冲命令后，风机运行，在一定时间内如果监测不到运行信号则发生故障，则上位机报警，罗茨风机变频器的频率可以手动给定调节，当罗茨风机的风扇或者电机故障时，自动停车，上位机则有报警信息及报警声音。其中罗茨风机有三相温度，轴承温度和非轴承温度的测点，通过PLC 模拟量模块，显示在画面上温度的相关数据，并参与联锁，当其三相温度超过100 ℃时，罗茨风机联锁停车，当两台风机同时停止后会使其高压电柜跳闸以保护控制线路。
现场设备的温度，液位都有一个生产的正常范围，当其一旦超出该范围，或者低于该范围都是不正常的，上位机应该出现报警，由于现场工艺的多变性，其范围设定可以让中控室操作人员来进行上下限的设定，程序里设有DB 块地址和实际数据进行比较，画面输入输出域挂载DB 块地址变量，可以输入，当超出范围上位机则产生报警声音和画面闪烁来告知监控人员。系统还可以对硬件故障进行自动诊断，一旦发现异常进行报警，提醒操作人员故障，及时消除故障，避免连锁停车，为安全生产提供保障。主要检测的点位有：入脱硫塔煤气温度，出脱硫塔煤气温度，脱硫塔底部循环槽温度，罗茨风机出口气体温度，硫泡沫槽温度，脱硫塔煤气压力的检测，出脱硫塔煤气压力的检测，脱硫液循环泵出口压力的检测，脱硫塔顶溶液入口压力的检测，罗茨风机出口气体压力的检测，脱硫液循环泵出口流量的检测，罗茨风机出口气体流量的检测，脱硫塔底部循环槽液位的检测，脱硫塔顶再生槽液位，溶液中间槽液位的检测，催化剂槽液位的检测，配碱槽液位的检测，地下放空槽液位的检测，脱硫塔上部液位的检测，硫泡沫槽液位的检测，洗塔底部循环槽液位的检测。由于液位和流量的波动性，所以程序中流量和液位报警时均设置延迟10 s 才置为报警信号，报警信号传递给WinCC，产生声音报警。温度较为稳定，故报警没有设置延时，实时产生报警信号。当设备出现故障时，应将机旁操作打到就地，中控人员应将故障设备打到单动，换另一台设备进行生产，避免设备突然启动造成事故发生。故障排除后经确认方可投入远程和联锁。
联锁条件是工艺系统安全的基础，该系统要求设有的连锁条件，如溶液循环泵与脱硫塔底低液位联锁，当脱硫塔液位低于设定下限时，循环泵自动停止运转；地下放空槽液位与液下泵联锁，当地下放空槽液位低于设定下限值时自动停泵，当地下放空槽液位高于设定上限值时自动启泵，风机温度高于程序设定值会自动停止运行，保障设备和现场安全。
上位机中所有数据都有归档在数据库，并且采集的温度、液位、压力和流量等数据，都具有历史曲线的设定，历史工艺数据以及报警消息都会保存在数据库中，以分段压缩形式储存，用户不方便直接读取数据库，要用WinCC 访问数据时才会自动合并并分段解压缩数据，拥有数据归档，以便于分析故障原因及生产记录的反馈，而历史曲线能够直观地反映出生产情况。
3 结语本系统在查阅大量的相关资料和现场勘察后对硬件设备进行了选型，选择了S7-1500 系列与WinCC7.4相结合的设计。构建了脱硫工艺监控系统，实现了自动控制。该系统具有稳定的数据采集，顺序控制的功能，系统的运行和启停在上位机上可以完成，节省人力资源，该系统投放后运行稳定，不仅创造了可观的价值收益，还实现了实时监测排放数据，保护环境的目的。