摘要 摘要 現場總線使企業信息網絡延伸到生產現場 掀起了控制領 域的一次革命 由于其背后巨大利益的推動 其國際標準的制 定出現了無可奈何的多元化趨勢 致使現場總線的開放性 現 場設備的互可操作性難以得到實現 與此同時 工業以太網以 其成熟的技術優勢 開始在現場設備層網絡中得到了應用 成 為真正統一現場總線標準的希望 順應發展形勢 我國制定了 基于以太網的現場總線國家標準e p a 并得到了i e c 組織的正 式承認 本論文對半干半濕法煙氣脫硫工藝和控制系統的組成 進行了詳細介紹 對e p a 實時工業以太網標準的體系結構 通 信模型 系統組成和特性進行了相關闡述和分析 對e p a 脫硫 控制系統的網絡形式進行設計 對基于e p a 的煙氣脫硫控制系 統的組成 主要控制量和系統配電進行了分析和設計 對脫硫 控制系統進行組態 并進行了仿真界面的設計 其監控系統具 有界面友好 操作方便等特點 對模糊控制技術進行研究 并 實現了參數自調整模糊p i d 在控制系統中的應用 并對影響脫 硫效率的主要因素進行仿真研究 本論文旨在從理論和實踐上 對半干半濕法脫硫工程的設計問題進行相關研究 促進e p a 實時工業以太網控制系統在環保控制系統方面的應用 關鍵詞 現場總線e p a工業以太網自調整模糊p i d a b s t r a c t s t u d yo fd e s u l p h u r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne p a a b s t r a c t f i e l d b u sm a k e se n t e r p r i s e si n f o r m a t i o nn e t w o r ke x t e n dt o p r o d u c i n gl i n e a n di t w i l ll e a dt oo c c u rar e n o v a t i o ni nc o n t r o l s y s t e m s b e c a u s eo ft h ee n o r m o u si n t e r e s t s t h et r e n dt h a th a sn o w a yo u th a ss p e a r e d i n m a k i n gt h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d o f f i e l d u s i tc a n n o tb er e a l i z e dt ot h eo p e n n e s so ft h ef i e l d b u sa n d t h e i n t e r o p e r a b i l i t y o ft h ef i e l d e q u i p m e n t m e a n w h i l e i n d u s t r i a l e t h e r n e t w i t hi t sa d v a n t a g eo fn a t u r et e c h n o l o g y b e g i n st ob ea p p l i e di nt h ef i e l de q u i p m e n tn e t w o r k a n da l l o w s u st os e eau n i f i e df i e l d b u ss t a n d a r d i na c c o r d a n c et ot h e t e n d e n c y o u rc o u n t r ye s t a b l i s h e st h ef i e l d b u sn a t i o n a ls t a n d a r d b a s e do ne t h e r n e t e p a e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n w h i c h a l s og a i n sf o r m a lr e c o g n i t i o nb yi e c t e c h n i q u eo fs e m i d r ya n d s e m i w e tf l u e g a sd e s u l p h u r i z a t i o n f g d a n dc o m p o s i n go f c o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s y s t e ms t r u c t u r e so f s t a n d a r do ft h et e a lt i m ei n d u s t r i a le t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n m o d e l s t r u c t u r eo fs y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fe p aa r e r e s e a r c h e d c o m p o s i n go fc o n t r o ls y s t e mo ff g d m a i nc o n t r o l o b j e c t s a n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r e a n a l y z e da n dd e s i g n e d g r a p h i c a li n t e r f a c e sa n de m u l a t i o ni n t e r f a c e so ft h ef g dc o n t r 0 1 s y s t e m a r e d e s i g n e d i n t e r f a c e s o f s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o l s y s t e mi sf r i e n d l ya n dm a n i p u l a t i o ni sv e r ys i m p l e s y s t e mo f a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n da r ed e s i g n e d w er e s e a r c hi n t ot h e f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d a p p l ys e l f t u n i n gf u z z y p i d c o n t r o lt ot h ef g dc o n t r o ls y s t e m w er e s e a r c hi n t op r o b l e m si n d e s i g no fs e m i d r ya n ds e m i w e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n f g d 武漢工程大學碩士學位論文 c o n t r o l s y s t e m f r o m t h e o r y a n d p r a c t i c e a s a r e s u l t i t a c c e l e r a t e sa p p l i c a t i o no fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dc o n t r o l s y s t e m sb a s e do ne p ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s f i e l d b u s e p a i n d u s t r i a le t h e r n e t s e l f t u n i n g f u z z yp i d 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果 盡我所知 除文中已經標明引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體己經發表或撰寫過的研究成果 對 本文的研究做出貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本 人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 學位論文作者簽名 鐫砌 年媯石 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解我校有關保留 使用學位論文的規定 即 我校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子 版 允許論文被查閱 本人授權武漢工程大學研究生處可以將本學位 論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文 保密0 在 年解密后適用本授權書 本論文屬于 不保密 請在以上方框內打 學位論文作者 蠲妒 指導教師簽名 序氛國乎 濟期 日 第1 章緒論 1 1 選題背景 第1 章緒論 二氧化硫是大氣環境中主要的污染物 全球s 0 2 排放量目 前3 3 億噸 無控制大量排放造成了世界范圍的大污染 據統 計 每排放1 k g 的s 0 2 造成的社會經濟損失約為0 2 2 美元 全世界每年因此而蒙受的損失高達數百億美元 火力發電廠是 主要污染源之一 其s 0 2 排放量占s 0 2 總排放量的三分之一以 上 在目前和今后相當長的一段時間內 中國的能源結構是以 煤為主 煤炭在中國能源結構中的比重高達7 0 而且中高硫 煤也較多 據統計 中國s 0 2 每年排放量超過2 0 0 0 萬噸 燃 煤產生的s 0 2 占絕大部分 其中燃煤電廠鍋爐排放的s 0 2 約占 總排放量的1 4 中小型燃煤鍋爐排放的s 0 2 占總排放量的近 4 0 中國的大氣污染特征也是由于大量燃煤而形成的煤煙型 污染 大氣環境中的s 0 2 及其形成的酸沉降 是當代人類面臨 的重大環境問題之一 監測和研究表明 中國華南 西南地區 的水酸度上升較快 酸雨頻率也在增加 酸雨區面積仍在擴大 酸雨不僅嚴重腐蝕建筑物和工交設施 而且毀壞大面積的森林 和農作物 對生態環境產生嚴重的影響 每年給中國造成的經 濟損失超過1 5 0 億元 1 1 近年來 由于經濟的快速發展 能源需求猛增 煤炭消耗 量大幅增長 2 0 0 0 年全國煤炭消耗量為1 2 4 5 億噸 2 0 0 3 年 l5 8 億噸 比2 0 0 0 年增長了2 7 2 0 0 0 年全國二氧化硫 排放 量為1 9 9 6 萬噸 2 0 0 3 年全國廢氣中二氧化硫排放總量為2 1 6 7 萬噸 其中工業來源的排放量為18 8 0 萬噸 生活來源的排放 量為3 6 7 萬噸 我國燃煤消耗和二氧化硫排放有關數據 見表 1 1 我國的煙氣脫硫事業還剛剛起步 盡管具有巨大的市場前 武漢工程大學碩士學位論文 景 但是 任務也是相當艱巨的 根據國家經貿委和電力部制 定的計劃 在我國實施目前最成熟的石灰石一石膏煙氣脫硫技 術 并在自主消化吸收基礎上掌握其設計 制造和維護投資按 6 0 0 元 k w 計 需要安裝脫硫裝置的火電機組按2 5 億k w 計 總計投資需要1 5 0 0 億元 這就是我國的火電廠煙氣脫硫市場 另外 電廠配備煙氣脫硫裝置后 其發電成本將明顯增高 保 守按1 k w h 增加2 5 分錢測算 相當于增加10 1 5 2 5 億k w 發電機組年平均按5 0 0 0 小時的運行時間計算 煙氣脫 硫增加的電價成本在我國將超過3 0 0 億元 年 1 表1 1 我國燃煤消耗及二氧化硫排放總量統計預測n 3 煤炭消耗量 億噸 一氫似硫排前量 萬 市 年代 全國其中 火電廠全國其中 火電廠 2 0 0 3 笠l5 88 52 1 6 71 2 0 0 2 0 0 5 笠 18102 5 0 01 6 0 0 2 0 l0 年 2 21 43 5 0 02 2 0 0 2 0 2 0 笠3 0 4 02 0 2 54 7 8 0 31 0 0 因此 在我國開展煙氣脫硫工作 其道路無疑也是頗為艱 難的 除非經濟實力足夠強大 否則只能通過技術創新 研究 開發新的 適合我國國情的技術途徑 降低脫硫裝置的投資和 運行成本 綜上所述 解決我國的煙氣脫硫事業可以結合我國的國 情 走有中國特色的道路 解決工業污染的脫硫技術應當結合 世界上先進的技術 結合具體的工程條件 是該技術盡旱國產 化 為我國環保事業做出貢獻 1 2 本課題研究的意義及內容 本課題是以國家 e p a 科技成果為依托 環境保護公司實際 工程項目為背景 目前我國各個省市地區 強調社會和諧發展 和生態保護 各個地區紛紛上馬脫硫 環境監測方面的項目 進行對空氣及大氣污染治理 市場需求較大 一些環保公司產 品供不應求 工程項目目不暇接 各個燃煤發電廠對其的煙囪 第1 章緒論 的廢氣排放 需進行脫硫 脫酸等治理 很多廠礦上馬的項目 主要靠進口設備 造價較高 進行設備的國產化是改善當前狀 況的最好途徑 該課題的研究對當前現狀具有積極作用 既能 作到技術含量高 成本低 并且有較大的利潤空間 課題研究 的重要意義在于它推廣了我國第一個擁有自主知識產權的現 場總線國家標準一e p a 標準的應用 研究的內容主要包括以下幾個方面 l e p a 實時工業以太網系統在脫硫控制系統中的實現 2 脫硫控制系統的監控組態界面 3 模糊控制理論在脫硫控制系統中的應用 創新點 e p a 實時工業以太網標準應用于脫硫裝置控制環護系統的 研究在國內 外尚屬首例 第2 章脫硫工藝 第2 章脫硫工藝 目前 世界燃燒所采用的脫硫工藝多種多樣 達數百種之 多 按脫硫工藝在生產中所處的部位不同可分為 燃燒前脫硫 燃燒中脫硫和燃燒后脫硫即煙氣脫硫 在這些脫硫工藝中 有 的技術較為成熟 已經達到工業應用的水平 有的尚處于實驗 研究階段 燃燒前脫硫屬于潔凈煤燃燒 燃燒中脫硫是相關鍋爐的改 造或選型 比如目前比較熱的循環流化床 c b f 鍋爐等 燃 燒后脫硫即煙氣脫硫 f g d 是電廠控制污染氣體排放的主要 技術手段 目前已經達到工業應用水平的煙氣脫硫技術有十余 種 大致可分為干法和濕法 幾種主要脫硫工藝的比較見下表2 1 表2 1幾種主要脫硫工藝的比較 水蒸新增占電廠占地單位占電廠運行 耗汽電耗用電面積投資投資費用 工 藝 t ht hk w h h m 2 元 k w 元 噸 s 0 2 石灰石一石膏法 4 522 0 0 01 52 7 0 0 3 0 0 06 0 0l58 5 0 噴霧干燥 4 01 3 0 01 ol5 0 0 1 8 0 05 0 01 21 4 2 l 法 l i f a c 4 0 7 0 00 63 0 0 5 0 02 5 0 5 7 8 5 0 c f b4 06 5 00 53 0 0 5 0 02 5 05 7 6 0 0 b g b s2 022 0 0o 1 52 0 0 3 0 02 0 03 54 0 0 1 濕法的脫硫效率高 但占地面積要求高 2 噴霧干燥法需要制石灰漿池 并對石灰純度要求高且穩 定 3 采用l i f a c 法 鈣硫比高 導致運行費高 4 采用c f b 法時 由于脫硫灰濃度高 必須大幅度提高 除塵效率 造成除塵系統的投資和運行費用很高 武漢工程大學碩士學位論文 5 采用b g b s 法 投資和運行費用低 且脫硫灰可以直接 利用有利于系統運行 半干半濕法脫硫工藝與國內外同類技術 濕法 干法 半 干法 相比 具有投資少 建設費用低 運行費低 脫硫效率 較高等特點 如同國外引進消化的n i d 法相比 每整噸投資是 該法的8 0 運行成本是該法的7 5 它克服國外的旋轉噴霧 法 s d a 噴嘴的磨損 對脫硫劑鈣含量要求低并省去了制漿 系統 以及爐內噴鈣增濕活化法 l i f a c c a s 比過高的缺點 在保持二者優點及達到濕法脫硫技術脫硫效率的條件下 仍具 有設備系統簡單 占地面積少 投資低 運行費低 易操作和 維修 脫硫副產物 脫硫灰 可用于建材生產等優點 結合半干半濕法脫硫工藝的優點 本文基于半干半濕法脫 硫工藝對控制裝置進行研究 2 1 半干半濕法煙氣脫硫技術 2 1 1 半干半濕法脫硫工藝 半干半濕法脫硫工藝特點 川 本技術采用鍋爐廢水進行 增濕降溫 利用鍋爐蒸汽輸送脫硫劑及脫硫灰 并激活粉煤灰 中l o 以上的堿性物質 降低脫硫劑 c a o 的用量 保證在 c a s 1 的前提下 脫硫效率穩定在8 0 9 5 的范圍內 脫 硫工藝見下圖2 1 第2 章脫硫工藝 1 塵 s 0 取樣口 4 處 2 煙道內噴水霧3 煙氣分布器4 塔內噴水閥欄 5 個 5 水噴嘴6 大灰塊破碎盤7 旁路系統8 文丘里管9 灰斗10 星形給 料機1 1 脫硫灰粉倉12 蒸汽流量計 1 3 文丘里管 自吸式 1 4 定量螺 旋給料機 脫硫灰 15 脫硫劑粉倉1 6 定量螺旋給料機 脫硫劑 17 水流量計1 8 高壓給水泵1 9 儲水池 圖2 1b g b s 脫硫工藝流程圖 2 1 2 半干半濕法脫硫系統組成 半干半濕脫硫系統主要由四部分組成 脫硫塔 制粉輸送 系統 噴水霧系統和投活性炭系統 1 脫硫塔 塔直徑1 4 m 高1 1 m 為碳鋼結構 塔體內部為 高溫防耐磨涂料 防止氣體被酸性氣體腐蝕 同時也防止煙塵 因流速過快而磨損塔體 脫硫塔的主要功能為脫硫反應提供適 宜的環境 使氣 固 液三相在塔內充分反應 從而脫除煙氣 中的酸性氣體s 0 2 主要反應如下 c a o s h 2 0 g 一c a o h 2 s c a o h 2 s s 0 2 g 一c a s 0 3 s h 2 0 i c a o h z s s 0 2 g 1 20 2 c a s 0 4 s h 2 0 1 武漢 t 程大學碩士學位論文 脫硫塔由塔內煙氣分布器 塔底灰渣輸送系統組成 煙氣 從塔項進入脫硫塔內與蒸汽輸送的脫硫劑 脫硫灰混合 一同 進入塔內氣體分布器 在氣體分布器中與噴水系統的水霧充分 接觸 創造氣 液 固三相反應條件 使s 0 2 同c a o h 2 0 發 生反應 生成c a s o c a s 0 4 等產物 通過塔的高度控制反應 時間 使反應得以完成 煙氣進入塔內 煙氣流速由原來的 15 2 5 m s 下降到2 3 m s 使煙氣內較大的粒子發生沉降 因此 塔體本身又具有除塵作用 2 制粉輸送系統 由粉料罐 震動電機 星型給料機 螺旋 給料機 文氏輸灰器 蒸汽管路 壓力傳感器等設備組成 制 粉系統的作用是將c a o 塊料經消化 磨細 1 0 0 2 0 0 目 使c a o 塊料變成c a o c a o h 2 粉料 通過蒸汽輸送到塔頂部與煙氣 混合 在蒸汽輸送過程中 c a o 包括過燒c a o 和粉煤灰中的 c a o 與蒸汽發生反應生成c a o h 2 本身具強吸濕性 從而 使進入塔內的c a o h 2 粉料含有較大的水分 從而降低了s 0 2 與c a o h 2 的反應活化能 達到反應完全的目的 1 粉料罐為盲徑2 0 m 高5 2 9 m 重l5 6 t 有效容積6 6 m 3 用于盛放脫酸劑 在距錐底1 0 m 處安放了物位開關 當物料 料位下降達物位開關時物位開關發出信號 通知工作人員在2 4 小時內向罐內添加脫酸劑 粉料罐的側面有一根進料管和一根 出氣管 散裝水泥車利用壓縮空氣通過進料管向罐內添加石灰 時 排氣管向外排氣 在罐體的錐底兩側安放了通料孔 它的 主要作用為物料在錐斗處形成搭拱 而震動電機也不能破壞拱 橋時 采用人工的方法 通過通料孔利用鋼釬破壞拱橋 使物 料流通順暢 2 震動電機安裝在粉料罐的側壁 它定時震動避免罐內物 料搭橋 使物料流通順暢 3 星型給料機也稱鎖氣器 它輸送物料的同時起到密封的 作用 防止文氏輸灰器里產生的負壓把物料的吸走 同時也起 到定量給料的作用 第2 章脫硫工藝 4 螺旋給料機通過螺旋葉片的旋轉輸送物料 它連接在星 型給料機的下端 把星型給料機的旋出的物料輸送給文氏輸灰 器 5 星型給料機和螺旋給料機都是由電磁調速電機和減速箱 控制 通過調整電磁調速電機的轉速 調整給料機的出料量 6 文氏輸送器是投粉系統的關鍵設備 蒸汽通過文丘里管 后使進料口處產生負壓 把給料機送出的物料吸入管內并輸送 回塔內 文丘里產生的動力來源于蒸汽 蒸汽壓力越高產生的 壓力愈大 輸送的物料越多 蒸汽物料上的壓力使傳感器用于 檢測管路內的蒸汽壓力 當壓力小于一定值時 則系統自動關 閉給料機 避免管路堵塞 輸送管路的彎頭部分和文丘里的主 體均為鑄石結構 具有很好的耐磨性延長了管路的使用壽命 3 噴水霧系統 由高壓水泵 儲水罐 液位開關 電磁流量 計 壓力傳感器 管路 閥門 噴嘴等組成 其作用是將水以 霧狀噴入煙道及塔內 達到降低溫距 在c a o h 2 及煙塵表面 覆水膜的作用 由于c a o h 2 表面覆水膜 使氣 固反應變成 了氣 液 固三相的反應 使分子反應變成了部分離子反應 進而降低反應的活化能 縮短了反應時間 有利于完全反應 由于噴水后降低了煙氣溫度 使水蒸發速度下降 也有利于 s 0 2 與c a o h 2 的反應完全 噴水的另一作用是使煙氣中煙塵 增重 增濕 利于發生煙塵之間的凝集 使小粒子變成大粒子 而這些大粒子利于在低煙速條件下沉降于塔底 因此塔體具有 除塵作用 1 水泵是噴霧系統的主要部件 系統設計選用的為計量泵 型號為l j 4 8 0 0 4 0 流量為8 0 0 1 h 排出壓力為2 5 4 0 m p a 電機型號為y y b 112 m 一4 8 5 功率為4 k w 進口直徑為3 2 r a m 2 儲水罐的直徑為1 2 m 容積為1 5 m 3 可供最大流量時 系統兩小時用水 給水管內有自動補水閥 保持液面在一定水 平 同時其下部有液位開關 當給水管路出現故障 液面到達 液位開關時 也為開關發出信號 在主控制室內發出信號報警 武漢工程大學碩士學位論文 通知工作人員檢查原因并排除 3 電磁流量計是計量系統工作時噴霧系統向塔內噴加的水 量 流量計工作時發出4 2 0 m a 的信號 再自控系統的顯示屏 上 顯示此時的噴水量 系統通過調節噴水量來調整反應塔內 的溫度 4 壓力傳感器用來測量管路內水的壓力 通過維持一定的 水壓 從而保證噴嘴噴霧粒徑 計量泵在變頻器的控制下 通 過改變出水量來改變管路內的壓力 5 噴嘴在噴水管路的末端 水在一定壓力下通過噴嘴后變 成霧狀的液滴 這些液滴在煙氣中汽化 使煙氣溫度降低 同 時霧狀液滴參與脫硫反應 4 投活性炭系統 投活性炭輸送系統由活性炭儲罐 物位開 關和自吸式輸送器組成 投活性炭系統主要利用煙道產生的負 壓把活性炭吸入煙道內 把煙氣中的二惡英吸附下來 1 活性炭儲罐用來儲存活性炭 以吸附從煙道中出來的二 惡英 其內部裝有物位開關 當活性炭物位下降達物位開關時 物位開關發出信號 通知工作人員在2 4 小時內向罐內添加活 性炭 2 自吸式輸送器利用煙道煙氣產生的負壓 輸送器的末端 與空氣相連 調節吸入空氣量來調節輸送器進料口的入料量 這種方法既便于調整又節約能源 2 2 半干半濕法脫硫的特點和技術經濟指標 半干半濕法脫硫技術具有流程簡單 無廢水排放 占地少 設備系統性強便于自控的等優點 3 5 t h 示范工程 電站鍋爐 脫硫除塵 主要技術指標見表2 1 第2 章脫硫工藝 表2 一l半干半濕法技術經濟指標 序 項目名稱指標備注 號 1煙氣體積流量6 0 4 15n m h 2煙氣溫度1 4 l 脫硫前煙氣中s 0 2 3 1 0 7 1m g m 35 7 0 6 8n m 3 h 排放濃度 脫硫后煙氣中s 0 2 42 3 5m g m 35 0 0 9 4n m 3 h 排放濃度 5脫硫效率8 0 7 9 5 6s 0 2 排放量 1 1 7 7k g h 除塵后煙塵排放 7 18 8m g m 3 濃度 8系統除塵效率9 7 2 9c a s0 9 5 1 0 生石灰用量 1o 1 2 1 k g h 4 9 18 1l系統用水量2 2t h鍋爐排污廢水 1 2系統電耗9k w h 13總投資2 1 0 3 0 0 萬元 1 4年運行成本2 0 8 9 萬元 3 4 8 3 0 8 撐 15脫硫成本 元 噸 s 0 2 對于灰中含煤量很低且有廢熱蒸汽的鍋爐 脫硫成本為3 9 g 3 57 元 噸 s 0 2 對于灰中含煤量很低且無廢熱蒸汽的鍋爐 脫硫成本為5 4 0 5 0 0 元 噸 s 0z 帶此符號的數均為考慮污水處理費后的脫硫成本 在實際工程應用中半干半濕法還具有如下特點 1 0 武漢j 程大學碩士學位論文 1 設備費比s d a 低5 0 比l i f a c 法低l o 隨鍋 爐噸位的增加 單位整噸的脫硫工程及運行費用下降 2 脫硫效率可在8 0 9 5 內變化 根據用戶要求和當 地排放標準 系統阻力 6 0 0 p a 3 脫硫劑中鈣含量要求之5 0 4 噴嘴只噴水 其使用壽命是s d a 法的2 0 倍以上 相 同材料 5 不影響鍋爐的出力 6 c a s i 0 了 脫硫灰可制磚 制磚成本比粉煤灰制磚低2 0 8 占地面積 3 0 0 m 2 9 半干半濕法煙氣脫硫工藝運行費用 6 0 0 元 噸 s 0 2 應用范圍 從半干半濕法的特點和技術經濟指標可知 半干半濕法脫 硫技術適用于煤中硫含量在3 以下 鍋爐周邊空地小 水資源 不充足的大中型工業鍋爐煙氣脫硫用戶 2 3 半干半濕法脫硫后產品利用 半干半濕法的脫硫副產物與煙塵一同由除塵器 靜電或布 袋除塵器 收集 這些混合物中的成分為s i 0 2 c a s 0 3 c a s 0 4 c a o c a o h 2 及金屬氧化物 因此混合物具有制造新型建材 的條件 在 九五 工業性實驗中 已將這些混合物再加少量 的添加劑用高壓蒸汽養護法制成了磚 它與粉煤灰制磚的不同 之處在于前者制建材不加c a o 而后者需加c a o c a s o 等物 質 因此前者使制建材的成本有較大的降低 可見 半干半濕 法脫硫技術為脫硫副產物的資源化創造了有利的條件 第3 章e p a 結構組成及特性 第3 章e p a 結構組成及其特性 e p a e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n 是由浙大中控 浙 江大學主持 中國科學院沈陽自動化所 重慶郵電學院 大連 理工大學 清華大學 上海工業自動化儀表研究所等共同研制 的一種新一代的基于以太網技術的現場總線標準 通過對以太 網技術應用于工業控制現場設備間通信的實時性 總線供電 互可操作 可靠性與抗干擾能力 網絡安全性等關鍵技術的攻 關 將以太網直接應用于工業控制現場設備間的通信 同時 通過制定基于以太網技術的工業現場設備數據通信標準 發展 擁有我國自主知識產權的現場總線技術 改變目前我國現場總 線的研究開發所處的跟蹤研究現狀 實現我國工業控制網絡技 術的跨越式發展 目前 該e p a 標準已經通過了t c l2 4 s c 4 的技術審查 成為我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國 家標準并提交i e c 作為p a s 標準予以發布 同時 該標準也 被正在制定的實時以太網國際標準i e c 6 1 7 8 4 2 收錄 這是迄 今為止 中國工業自動化領域第一個被國際認可和接受的標 準 e p a 標準針基于以太網 i e e e 8 0 2 3 和無線局域網 i e e e 8 0 2 1 1 藍牙 i e e e 8 0 2 1 5 等信息網絡c o t s c o m m e r c i a l o f f t h e s h e l f 通信技術以及t c p u d p i p 協議 適用于工業自動化控制系統裝置與儀器儀表間 工業自 動化儀器儀表間數據通信 3 1e p a 系統體系結構 3 1 1e p a 系統總體結構 e p a 分布式網絡控制系統的體系結構n2 1 如圖3 1 圖3 2 武漢工程大學碩士學位論文 所示 包括控制室的操作站 工程師站 以及現場的e p a 現場 控制器 e p a h u b e p a 現場設備通信模塊 如符合a i a o d i d o 電動執行機構等通信模塊 及其傳統模擬變送器 執行機構等現場設備 以及網絡部件等組成 在網絡層次上 e p a 網絡可以分兩層 即e p a 現場設備層 網絡和e p a 控制層網絡 1 e p a 控制層網絡是系統的主干網 由通用以太網構成 通常可形成 冗余 環網 以提高系統可靠性 2 e p a 現場設備層網絡則采用由網絡供電的以太網 e p a 現場設備通信模塊e p a 現場設備層網絡取電 并通過4 2 0 m a 線纜向模擬變送器 執行機構提供2 4 v 直流電源 圖3 1e p a 系統總體結構圖 在系統結構上 e p a 系統將工業控制現場劃分為若干個區 域 1 每個區域由e p a 現場控制器 e p a h u b e p a 變送器 e p a 執行機構等組成 可實現互相之間的通信 并可獨立完成 控制系統中某一部分的測量與控制功能 2 各個控制區域通過e p a 現場控制器連接到主干網上 與 控制室內的操作站 工程師站交換過程測量與控制信息 組態 信息等 第3 章e p a 結構組成及特性 工 e p a 班揚遨圣 e p a 現場設備 e p a 現場設備 交換機 集線器 e p a h 橋 j 荔 萬百百萬萬函習設 j 瘩 多奄級k l 圈圖 圖3 2e p a 系統網絡拓撲結構示例圖 e p a 網絡拓撲結構 如圖3 2 由兩個網段組成 監控級 l 2 網段和現場設備級l 1 網段 現場設備級l 1 網段用于工業生產現場的各種現場設備 如 變送器 執行機構 分析儀器等 之間以及現場設備與l 2 網 段的連接 監控級l 2 網段主要用于控制室儀表 裝置以及人 機接口之間的連接 l l 網段和l 2 網段僅僅是指它們在控制系統中所處的網絡 層次關系的不同而劃分的 它們本質上都遵循同樣的e p a 通信 協議 對于處于現場設備級l 1 網段在物理接口和線纜特性上 必須滿足工業現場應用的要求 此外 無論是過程監控層l 2 網絡還是現場設備層l 1 網段 均可分為一個或幾個微網段 一個微網段即為一個控制區域 用于連接幾個e p a 現場設 備 在一個控制區域內 e p a 設備之間互相通信 實現特定的 測量與控制功能 一個微網段通過一個e p a 網橋與其他微網段 相連 一個微網段可以由以太網 無線局域網或藍牙三種類型網 絡中的一種構成 也可以由其中的兩種或三種類型的網絡組合 墜叭 塾一 武漢工程大學碩士學位論文 而成 但不同類型的網絡之間需要通過相應的網關或無線接入 設各連接 3 1 2e p a 系統特點 系統特點 1 確保e p a 通信的實時性 每個控制區域的e p a 現場控制器與主干網相連 并通過 e p a 現場控制器與其他控制區域隔離 即每個控制區域內 e p a 變送器 e p a 執行機構以及e p a 現場控制器之間的通信流 量 包括廣播信息 不會占有其他區域和主干網的網絡資源 因此 每個控制區域的網絡負荷均可以控制在較小 小于 5 的范圍內 測試表明 每個控制區域內 以太網報文之 間發生的碰撞很少 從而大大提高了通信實時性 2 增強了系統安全性 每個控制區域中 具有網絡隔離功能的e p a 現場控制器除 了執行測量 控制運算功能外 還可能通過報文過濾到網絡隔 離的安全功能 即只有e p a 現場控制器可與e p a 主干網上的 其他設備 其他區域控制器 操作站 工程師站等 直接通信 控制室的工程師站需要對e p a 變送器 執行機構等現場設備下 載組態信息時 必須通過e p a 現場控制器進行報文過濾 反之 e p a 變送器 執行機構等需要向e p a 主干網上傳報警 設備 狀態及其他信息時 也需要通過e p a 現場控制器進行報文過 濾 以防止系統外部意外入侵 3 提高了系統可靠性 系統控制功能遵循 總體分散 局部集中 的原則 所謂 總體分散 即系統控制功能的實現將不再像d c s 那樣1 由主 控制站對系統中的所有回路進行控制運算 而是由分散在各區 域控制器完成 同時大大提高了系統可靠性 任何一部份的故 障不會影響整個系統的正常運行 局部集中 則是指將控制 現場分為若干控制區域 每個控制區域由一個區域控制器負責 第3 章e p a 結構組成及特性 對本區域內的控制和管理 可降低e p a 現場設備的技術難度和 成本 3 2e p a 設備 e p a 控制系統中的設備有e p a 主設備 e p a 現場設備 e p a 網橋 e p a 現場控制器 e p a 代理 無線接入設備等幾類 1 e p a 主設備 e p a 主設備是通過監控層l 2 網段上的e p a 設備 具有e p a 通信接口 不要求具有控制功能塊或功能應用進程 e p a 主設 備一般指e p a 控制系統中的組態 監控設備或人機接口等 e p a 主設備的i p 地址必須在系統中唯一 2 e p a 現場設備 e p a 現場設備是指處于工業現場設備應用環境的設備 如 變送器 執行器 開關 數據采集器 現場控制器等 e p a 現 場設備必需具有e p a 通信實體 并包含至少一個功能塊實例 e p a 現場設備的i p 地址必須在系統中唯一 3 e p a 網橋 e p a 網橋是一個微網段與其它微網段連接的設備 一個e p a 網橋至少有兩個通信接口 分別連接兩個微網段 e p a 網橋是 可以組態的設備 具有兩大功能 一是通信隔離功能 一個 e p a 網橋必須將其所連接的兩個微網段內本地所有通信流量 限制在其所在的微網段內 而不占用其它微網段的通信帶寬資 源 這里所致的通信流量包括以廣播 一點對多點傳輸的組播 以及點對點傳輸的單播等所有類型的通信報文所占的帶寬資 源 二是報文轉發與控制功能 一個e p a 網橋還必須對分別連 接在兩個不同微網段的設備之間互相通信的報文進行轉發與 控制 即連接在 個微網段的e p a 設備與連接在其它微網段的 e p a 設備進行通信時 其他通信報文由e p a 網橋負責控制轉 發 武漢工程大學碩士學位論文 4 e p a 現場控制器 系統控制功能遵循 總體分散 局部集中 的原則 所謂 總 體分散 即系統控制功能的實現將不再像d c s 那樣由主控制 站對系統中的所有回路進行控制運算 而是由分散在各區域的 區域控制器完成 同時大大提高了系統可靠性 任何一部分的 故障不會影響整個系統的正常運行 局部集中 則是指將控 制現場分為若干控制區域 每個控制區域由一個區域控制器負 責對本區域內的控制和管理 可降低e p a 現場設備的技術難度 和成本 e p a 分布式網絡控制系統的現場控制器是整個控制系統的 軟硬件核心 負責協調控制區域的所有軟硬件關系和各項控制 任務 完成控制區域內的i o 信號處理 控制計算 與上下網 絡通信控制處理 冗余診斷等功能 當然各個控制區域之間 還可以通過具體數據交互實現夸網段的控制功能 主控制單 元的功能和性能將直接影響系統功能的可用性 實時性 可維 護性和可靠性 5 無線e p a 接入設備 無線e p a 接入設備是一個可選設備 由一個無線通信接口 如無線局域網通信接口或藍牙通信接口 和一個以太網通信 接口構成 用于連接無線網絡與以太網 6 無線e p a 現場設備 無線e p a 現場設備具有至少一個無線通信接口 如無線局 域網通信接口或藍牙通信接口 并具有e p a 通信實體 包含 至少一個功能塊實例 7 e p a 代理 e p a 代理是一個可選設備 用于連接e p a 網絡與其它網絡 并對遠程訪問和數據交換進行安全控制與管理 8 現場i o 設備 在工業控制中 通常采集到的信號有兩類 一類是電壓或 電流模擬信號 另一類是開關量或數字脈沖量 開關量 脈沖 第3 章e p a 結構組成及特性 量都屬于數字信號 模擬信號又包括流量信號 壓力信號 液位信號 溫度信號等許多類型 其中對于流量 液位 壓力 等信號通過現場變送器轉換成標準 型電流 電壓信號 包括 0 1 0 m a 的電流信號和o 一5 v 的電壓信號 和標準i 型電流 電壓信號 包括4 2 0 m a 的電流信號和1 5 v 的電壓信號 而溫度信號的采集 主要包括用熱電阻 p t l0 0 c u 5 0 等 采 集的溫度信號和用熱電偶采集的溫度信號 輸入的模擬信號必 須經過模 數轉換器 a d c a n a l o g d i g i t a l c o v e r t e r 轉換成 數字量 才能被微處理器c p u 所接受 同樣輸出控制量信號也 必須是數字信號 需經過數 模轉換器 d a c d i g i t a l a n a l o g c o v e r t e r 將數字信號轉換成模擬信號 再送 入到控制器去控制生產設備的運行 3 3e p a 通信 3 3 1e p a 通信模型 e p a 通信模型參照i s o o s i 通信參考模型 取其物理層 數 據鏈路層 網絡層 傳輸層 應用層 并在應用層之上增加用 戶層 采用i e c 6 1 4 9 9 6 18 0 4 標準 在網絡層和傳輸層之間增 加e p a 實時通信管理接口 共構成六層結構的通信模型 3 e p a 通信結構模型與i s o o s i 七層通信結構模型之間的關 系 如表3 一l 所示 表3 1e p a 通信模型同i s o o s i 七層參考模型比較 i s oo s i 七層參 e p a 通信結構模型 考模型 用戶層 用戶應用進程 h t t p f t p d h c p s n t p s n m p 應用層e p a 應用層規范 e p a 管理功能塊 表示層 未使用 會話層 武漢工程大學碩士學位論文 續表3 1 傳輸層 t c p u d p 網絡層 i p 數據鏈路層實時通信調度接口 物理層 i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 11 i e e e 8 0 2 15 1 物理層和數據鏈路層 e p a 的物理層與數據鏈路層 為e p a 提供數據傳輸物理 通道以及多個設備共享通信信道的機制 并定義了數據幀的同 步 書記傳輸錯誤的校驗與糾錯等 本標準中采用了i e e e 8 0 2 協議集 包括i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 1 l 和i e e e 8 0 2 1 5 但在傳 輸介質和物理接口上增加了適用于工業生產現場的應用規則 2 e p a 通信調度接口 e p a 通信調度接口定義了網絡層 即i p 層 與數據鏈路層 或m a c 層 之間的接口 用于控制由網絡層到m a c 層的 實時數據包與非實時數據包 包括基于h t t p f t p 等協議的 應用程序數據包 的傳輸調度 以滿足e p a 周期與非周期信息 傳輸的實時性 3 網絡層和傳輸層 e p a 網絡層和傳輸層為e p a 應用層提供報文傳輸與控制 的平臺 本標準定義的網絡層采用因特網協議 版本為帶3 2 位地質的i p v 4 提供由r f c 7 9 1 定義的不可靠 無連接的數據報 文傳輸服務 在傳輸層采用t c p u d p 協議集 其中 u d p 協議不需要在 通信兩端建立連接和確認 用于e p a 實時數據通信 而對于其 他實時性要求不高 對傳輸的可靠性要求高的應用 可t c p 協議 也可使用u d p 協議 4 應用層 e p a 應用層規范為e p a 設備與控制系統 裝置之間實時 和非實時的傳輸數據提供通信通道和服務接口 它由e p a 實時 通信規范和非實時通信協議兩部分組成 其中e p a 實時通信規 第3 章e p a 結構組成及特性 范是專門為e p a 實時控制應用進程之間的數據傳輸提供實時 的通信通道和服務接口 而非實時通信協議則主要包h t t p f t p t f t p 等互聯網絡中廣泛使用的通信協議 5 用戶層 用戶層直接面向用戶 用戶根據自己的控制邏輯需要 利 用e p a 組態軟件組態不同功能塊應用進程以完成各種控制策 略 也可根據自己的需要組態各種非實時性應用程序的服務 e p a 標準給出了基于以太網的工業現場控制網絡的模型 屬于下一代工業控制網絡技術 e p a 網絡全盤繼承了現場總線 技術的優點 包括全分散控制 互可操作 現場設備管理 自 主的系統集成權等 同時由于e p a 現場控制網絡給予以太網 統一了從現場設備層到控制層 網絡層的網絡 實現從上到下 各層信息的無縫集成 推動了企業綜合自動化 信息化進程 因此具有良好的魯棒性 3 3 2e p a 設備間的通信 基于e p a 的分布式網絡控制系統 分為現場設備層和過程 監控層兩個層次 采用了不同的通信調度方式 對于現場設備 層 采取的是確定性的實時通信調度 對于過程監控層則采用 c s m a c d 非確定性通信調度 為了實現現場設備之間的實時通信 又能向上與企業信息 網兼容 在e p a 系統中 將通信分為實時e p a 通信和非實時 通信 其中實時e p a 通信的信息又區分周期信息和非周期信息 兩大類 周期信息主要指e p a 系統中現場設備之間傳輸的測 量 控制與狀態數據 非周期信息主要用于過程報警 趨勢 變量讀 寫 域上 下載的數據 非實時通信包括基于w e b 的 遠程診斷和組態 h t t p 協議 文件傳輸 f t p 協議 網絡管 理 s n m p 協議 地質管理 d h c p 郵件通知 s m t p 以 及諸如a r p r a r p t f t p i c m p i g m p 等其他協議的信息 2 0 武漢工程大學碩士學位論文 e p a 系統為通信信息的發送定義了五個優先級 4 其中0 表示最高優先級 3 4e p a 特性 1 兼容性 與i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 1 p q i e e e 8 0 2 1 d i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 5 以及t c p i p 協議兼容 2 微網段系統結構 分利用交換技術及其它i t 信息技術 將工業現場控制網絡 劃分為若干個控制區域 每個控制區域即為一個微網段 最大 程度地限制每個網段內的通信流量和廣播風暴 以提高通信響 應的實時性 3 e p a 網橋 本標準在每一個微網段上定義了一個網絡管理器角色 作 為可選項 它具有網絡安全管理 網絡流量限制等功能中的一 個或幾個功能 4 確定性通信 為了滿足工業自動化控制系統中的實時要求 本標準基于 i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 1