题目：基于 PLC 的 VOCs 废气治理控制系统设计

目 录

第1章 绪 论.........................................................................................................................................13
1.1 课题研究的目的意义..............................................................................................................13
1.2 国内外研究现状......................................................................................................................14
1.2.1 国外研究现状...............................................................................................................14
1.2.2 国内研究现状...............................................................................................................14
1.3 论文研究内容..........................................................................................................................15
第2章 总体方案设计方案.....................................................................................................................16
2.1 系统工艺流程的确定..............................................................................................................16
2.2系统设计方案..............................................................................................................................18
2.3二氧化硫、温度、溶解氧、PH值的检测.................................................................................18
第3章 系统的硬件设计.........................................................................................................................20
3.1 主电路设备选型......................................................................................................................20
3.1.1空气开关的选型.............................................................................................................20
3.1.2热继电器的选型.............................................................................................................20
3.1.3控制变压器与直流电源的选型.....................................................................................21
3.2 控制电路设备选型..................................................................................................................21
3.2.1交流接触器.....................................................................................................................21
3.2.2电磁阀的选型.................................................................................................................22
3.2.3指示灯的选型.................................................................................................................22
3.3 其他设备选型..........................................................................................................................22
3.3.1 PLC与拓展模块的选型...............................................................................................22
3.3.2传感器的选型.................................................................................................................23
3.3.3三通阀的选型.................................................................................................................24
3.3.4中间继电器的选型.........................................................................................................24
3.3.5按钮的选型.....................................................................................................................24

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3.3.6蜂鸣器的选型.................................................................................................................24
3.3.7两位开关的选型.............................................................................................................25
3.4 元器件清单..............................................................................................................................25
3.5 I/O分配表................................................................................................................................26
3.6 I/O接线图................................................................................................................................26
3.7 主电路图..................................................................................................................................26
第4章 控制系统的软件设计.................................................................................................................27
4.1 编程软件介绍..........................................................................................................................27
4.2 程序流程图设计......................................................................................................................28
4.2.1主程序流程图.................................................................................................................28
4.2.2PH子程序流程图.............................................................................................................28
4.2.3其他子程序流程图.........................................................................................................29
4.2.4手自动开关闭合子程序流程图.....................................................................................31
4.3废气治理控制系统的设计程序编写..........................................................................................32
第5章 组态画面的建立.........................................................................................................................33
5.1 MCGS软件介绍.......................................................................................................................33
5.2 MCGS组态的建立..................................................................................................................33
5.2.1主控窗口.........................................................................................................................33
5.2.3运行策略.........................................................................................................................34
第6章 结 论.........................................................................................................................................38
参考文献...................................................................................................................................................39
致 谢.......................................................................................................................................................28
附 录.......................................................................................................................................................29
附录A 外文资料............................................................................................................................29
附录B VOCs废气治理控制系统原理图......................................................................................38
附录C 梯形图................................................................................................................................39

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第 1 章 绪 论

1.1 课题研究的目的意义

VOCs作为挥发性有机化合物，成分复杂，是造成雾霾和酸雨的主要元凶。有研 究指出，经过估算1990年一年全球人为产生的挥发性有机气体则有1800MT。我国挥 发性有机气体的排放量一直处于一个相当高的位置，据学者的估计，我国在上世纪 90年代至本世纪初差不多达到了每年一千万吨到两千万吨的排放量或者更多。随着 国务院颁发了《“十三五”生态环境保护规划》[1]，针对VOCs的治理，将刻不容 缓。而在工业源中钢厂作为产生硫化物二氧化硫最大量的工业，成为了首批要进行 治理的对象。

今有位于河北省唐山市曹妃甸区的京唐钢厂，每年为祖国创造了丰厚的收益， 为祖国的钢铁建设作出了巨大的贡献。但是，产生的问题也是颇为严重，在生产钢 铁的过程中，产生了大量的二氧化硫气体，这些气体是造成酸雨的最主要原因，京 津冀的雾霾天气，都与之脱不开干系。近几年来，经过多方面的尝试，京唐钢厂建 设脱硫设备，使得曹妃甸的空气质量大幅度提高，但是没有达到预期的效果。

京唐钢铁响应国家号召，选定了以FGD装置为控制技术，钙法除硫的工艺。但 是钙法脱硫工艺会产生很多的副产物，其中有硫酸钙、亚硫酸钙、氢氧化钙、氧化 钙和一些杂质、粉尘等组成的混合物，其用途远低于运用海水除硫产生的副产物硫 酸钠，钙法脱硫产生副产物只有少量企业用于制作免烧砖，而大多都将其填埋，没 有再利用，这样会对土地造成污染[2]。所以除硫过程中，无污染的工艺研究迫在眉 睫。京唐钢厂采用的FGD装置，其运行是完全自动的。通过触摸屏对整个除硫系统 进行控制与调节，运用PLC技术中的PID算法对除硫工艺中的重要参数进行转换，再 通过编写的程序对工艺的运行进行表达。在主控计算机中，为以后的除硫工艺的改 进做好准备。

京唐钢厂对于二氧化硫的治理与控制还是很到位的，运用了PLC的技术对整个 脱硫的系统进行把控，做到了节约人力，节省时间，美中不足的是脱硫后的产物容 易造成污染，对整个大气环境同样是一种负担。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

于2014年5月，美国钢铁公司在以往运用PLC技术除硫的基础上，将传感器升级 换代了，使用激光传感器可以更加迅速有效的采集和传输数据[3]。将采集到的数 据，如温度、PH值、二氧化硫的浓度和硫酸镁的浓度传送给PLC，经过PID算法的 转换，由触摸屏显现，实现不在现场操控运行的效果。经过这两套装置的成功运行 示范，此后逐渐推广应用。

2015年6月，日本神户钢铁经过近百年的技术更新，设计了氧化镁湿法脱硫工 艺，用PLC调控，成为自动控制烧结烟气脱硫的主要手段之一[4]。运用PLC调控氧 化镁脱硫不仅仅取代传统的石灰石法，还能节约人力和时间。工艺中检测到二氧化 硫的浓度，对氧化镁的浓度做出调整，是二者依照化学反应方程式进行配比反应， 使得二氧化硫得到治理。

2015年10月，加那利群岛上有两座燃油电厂[4]，西班牙公司给其投资了四套海 水脱硫系统，使用美国研发的激光传感器，结合最新的PLC技术，应用广泛的组态 软件中嵌套以现金自动控制系统为载体的软件模块，将PLC与组态应用到控制工厂 治理废气当中。

1.2.2 国内研究现状

2014年3月，哈尔滨理工大学的学者刘东举指出，在海水除硫的系统中，使用了 PAC Sytems RX7i控制器和远程控制器PAC Sytems RX3i两种控制器，对采集到与传 输出的数据进行统一控制[5]。运用海水升压泵和曝气风机两电机的电流值和振动值 控制两台电机的流量，运用吸收塔和曝气池的液位控制海水流量。除了完成基本的 控制功能外，还可以运用油子系统对油箱内油温精确控制的要求，设计了动态矩阵 控制算法(DMC)，达到精确控制的目的，进而更加有效的控制脱硫的进度。但动态 矩阵控制算法在工业上还需要进一步发展，所以经验较少，后期还需要进行大量实 验验证。

2015年3月，在《PLC S7-200在湿法脱硫PH控制中的应用》一文中，邹平邹工 程师指出[6]，将PH信号转换器作为媒介，把检测制备罐和吸收塔的石灰石浆液的 PH值信号转换成电流信号后，直接传送到PLC的模块中。先设定好吸收浆液的PH 值，调节输送浆液阀门的开闭大小，来达到控制浆液PH值的功能。通过控制吸收浆 液PH值，从而控制输入浆液的流量。实现了PID模块串级控制。

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基于PLC的火电厂湿法FGD装置自动装配体系由宋庆军，肖兴明，姜海燕，郭 凡灿四位学者于2016年6月共同提出[7]。该系统以PLC为控制核心，以电磁阀、PH 检测仪为主要调控本领，再采用配比一定浓度的石灰石浆液进行脱硫处理，不仅保 证了浆液PH值的范围，还可以通过控制PH值，从而才能进一步控制石灰石脱硫的完 成水平。再通过Profibus- DP与PLC控制器之间进行双向数字通信任务，实现了自动 控制系统的省人力、物力和时间的优点。

1.3 论文研究内容

本次设计是结合京唐钢厂的除硫工艺流程和我国控制系统的现状以及发展趋 势，根据大气污染物排放标准，以西门子的S7-200PLC为核心提出系统方案设计， 并且对PLC控制系统进行硬件设计，选用梯形图作为编程语言，再与硬件相对应的 进行软件编程，运用组态软件进行仿真，最后完成对钢厂除硫工艺的设计。

第1章主要研究了课题的背景目的及意义国内外研究现状，研究内容。

第2章主要研究了针对海水除硫的系统方案设计，工艺流程图，还有工艺中需要 进行检测的重要数值。

第3章主要研究了针对海水除硫的硬件的选型，其中包括PLC的选型，拓展模块 的选型，I/O 地址的分配，电磁阀，接触器，空气开关，按钮，开关等设备的选 型，并且敲定了主电路，控制电路，I/O接线图的设计。

第4章主要研究了针对海水除硫的工艺的软件设计，其中包括主程序流程图，还 有子程序的流程图。

第5章主要研究了关于MCGS嵌入版组态的设计与应用。其中包括触摸屏的认识 与对MCGS嵌入版组态软件的应用。

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第 2 章 总体方案设计方案

2.1 系统工艺流程的确定

2.1.1 除硫工艺流程图的确定

本设计的工艺流程图如图2-1所示。

图2-1 工艺流程图

2.1.2 除硫工艺流程简述

在京唐钢厂的除硫装置中，每台机组都有一座填料式逆流吸收塔。塔内从上至 下依次设置气门、喷淋层、除雾器和填料层，从海水升压泵中采集到新鲜的海水从 吸收塔喷淋层处由上而下的进入到吸收塔调料[8]，烟气从吸收塔的塔底由下向上的 流经填料层，与海水进行充分接触，这样能使烟气中的二氧化硫迅速地被海水充分

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吸收。除雾器旨在将脱硫后的净烟气除去携带的水雾，再由气门排出，最后由烟囱 将烟气排放到大气中。当气门中的检测二氧化硫的装置的值超出了大气排放标准， 则通过引风机，重新引入到吸收塔里与海水进行反应；洗涤烟气后的酸性海水从吸 收塔底排出塔外,经排水管流入曝气池前端，前端入口处装置一只PH控制装置，以此 测出的值控制海水升压泵的调节阀，最终控制进海水的量。在曝气池前端出口处放 置一只PH检测装置，当此处海水的PH值大于等于6.8时，则将海水排放到曝气池后 端，若没达到指标，则通过调节三通阀，将其重新引入到曝气池前端入口处，进行 二次反应的同时通过海水的PH值，计算出增加海水的量，控制电磁阀的开闭大小， 以此来达到增加海水的流量；在曝气池后端入口放置各一只温度控制装置和溶解氧 控制装置，用两只装置控制进入氧气的量，原理与控制升压泵的原理一致。曝气池 后端出口处放置各一只温度检测装置与溶解氧检测装置，当溶解氧控制在8.011.26mg/L，且温度控制在10-30℃时，才算达到排放标准，将海水排放回大海；倘 若没有达到标准，则控制三通阀将海水重新引入到曝气池后端入口，进行二次反应 的同时，计算出需要氧气的量，通过调节调节阀来控制氧气量的多少。在常温常压 下，亚硫酸是可以分解成二氧化硫和水，这是个可逆反应，所以只要不断的在曝气 池后端中鼓入氧气，就会使亚硫酸不断地被氧化生成硫酸，而亚硫酸分解成二氧化 硫和水这可逆反应不断的向正方向进行，不断生成亚硫酸，而且亚硫酸不断被鼓入 的氧气氧化成硫酸，直至反应完全。大海中含有丰富的硫酸盐，所以最终的硫酸盐 进入大海并无污染。

2.1.3 海水除硫的原理

在除硫系统中应用到的化学反应方程式分别为吸收塔的反应和曝气池前后端的 反应。

吸收塔的反应如下：

在曝气池中的反应如下：

总的化学反应方程式如下:

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2.2 系统设计方案

本论文以钢厂除硫系统为研究对象，以西门子S7-200可编程逻辑控制器作为核 心，运用两个EM235位模拟量输入模块，每一个模块均包括4个输入，1个输出，再 用A/D转换，将采集到的模拟量信号转换为能显示的数字量信号。当CPU接收到传 递过来的数字量信号，再控制相关设备的启动和停止。以温度，PH值，溶解氧，二 氧化硫浓度，海水流量为检测量，对钢厂除硫的具体流程进行控制，最后将符合标 准的烟气排放到大气，将达标后的海水重新排回大海，达到低污染的效果。在设计 按照功能结构分为检测PH，检测二氧化硫浓度和检测溶解氧的浓度与温度三大块， 通过控制化学反应对钢厂排放出来的二氧化硫进行反应，并将生成物进行反应，使 其转化为无污染的产物，最终回归自然。三个检测系统通过PLC加装的通讯模块， 交叉电缆连接PLC与主控计算机，达到主控计算机与PLC之间的数据传输功能。

系统结构图见图2-2。

2.3 二氧化硫、温度、溶解氧、PH值的检测

在气门里放置一致检测二氧化硫的装置，查阅资料可知，钢厂对于二氧化硫的 排放标准为160mg/m3，所以检测的最大限值为160mg/m3，当排放的烟气中二氧化 硫的浓度达到限定值时，引风机启动，将烟气重新引入吸收塔与海水反应。当小于 限定值时，则证明达到国家标准，可以通过烟囱排放到大气中。

最终的海水是要排放回大海中的，所以其PH值应该满足大于等于6.8的。当检测 到海水的PH值不满足6.8时，运用PID算法，根据已知海水PH值，求出所需的海水 量，通过调节海水升压泵的调节阀改变海水流量。

温度应该控制在室温，也就是10-30℃；溶解氧是检测大海是否能够达标的最重 要的一项指标，根据温度的范围，溶解氧范围达到8.0-11.26mg/L时，就可以排放到 大海。当海水的温度和溶解氧的浓度未到达标准时，再经过PID计算，根据已知溶 解氧浓度和温度，计算出应该需要的氧气量，进而调节曝气风机的调节阀，增加进 气的量，使之达到目的。

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上位机主控计算机
通讯模块
触摸屏 PLC S7-200 通讯模块
PH检测系统 So2检测系统
数据采集 PH调控
数据采集 数据采集
数据传送 数据传送 数据传送 数据传送
二氧化硫浓 引风机启动
池 池 池 池 度采集
前 前 前 前
入 出 入 出
PH PH PH PH
溶解氧与温度检测系统
数据采集 温度和溶解氧检测
数据传送 数据传送
池后入溶解 池后出溶解 曝气风机电 曝气风机后
氧与温度 氧与温度 磁阀 出口三通阀

图2-2 系统结构图

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第 3 章 系统的硬件设计

3.1 主电路设备选型

3.1.1 空气开关的选型

参考公式为：

式中， I --流过空气开关的电流(A)；

空气开关安装在总电源旁边来控制电源。本次设计为三相线路，所以所选的空 气开关的极数均为3。空气开关的安装位置在总线路，三个电机前，控制变压器和直 流电源一共六个地方。因为EA系列属于经济型，动力型D，并且三种电机最大的额 定功率为3kW，经过公式的计算得出：

经查阅空气开关参数表，选择型号为EA9AN3D10的空气开关，其最大工作电流 为10A，满足条件。

表3-1 空气开关参数

型号	额定电流	极数
EA9AN3D10	10A	3

3.1.2 热继电器的选型

参考公式为：

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