太鋼電爐清潔生產(chǎn)水處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

胡 婕

(太原鋼鐵(集團(tuán))公司山西太鋼工程技術(shù)公司，山西太原 030009)

0 引言

節(jié)水節(jié)能是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策，為減少太原市的空氣污染和水污染，太鋼對(duì)原有6座18 t電爐實(shí)施改造，引進(jìn)清潔生產(chǎn)技術(shù)、工藝及設(shè)備，建設(shè)1套90 t UHP電弧爐，用于不銹鋼冶煉。本系統(tǒng)為其配套的水處理系統(tǒng)，于2007年9月投產(chǎn)，運(yùn)行良好，控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的控制技術(shù)。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太鋼90 tUHP電爐清潔生產(chǎn)水系統(tǒng)儀電一體，設(shè)計(jì)有一套PLC系統(tǒng)和一臺(tái)操作站，用以完成對(duì)過程設(shè)備的自動(dòng)控制、過程參數(shù)的檢測(cè)及畫面顯示、報(bào)警聯(lián)鎖、人工設(shè)定和操作等功能。

系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC，配套研華工控機(jī)操作站，操作站組態(tài)軟件為WINCC，PLC與操作站之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，I/O單元采用ET200M遠(yuǎn)程擴(kuò)展方式，CPU與ET200M之間通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊。PLC與電爐主系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和生產(chǎn)管理。PLC站共設(shè)1個(gè)中央機(jī)架和4個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能說明

水處理工藝包括兩部分:一為凈環(huán)水開路循環(huán)系統(tǒng):由噴淋水泵、纖維球過濾器、反洗泵、凈環(huán)水增壓泵組組成;二為軟水閉路循環(huán)系統(tǒng):由蒸發(fā)式空冷器、軟水循環(huán)泵組、氣壓補(bǔ)水罐、柴油事故泵，軟水箱補(bǔ)水控制組成。

系統(tǒng)控制按以下三種方式配置:

(1)PLC自動(dòng)方式:現(xiàn)場(chǎng)操作箱自手動(dòng)選擇開關(guān)打至遙控位，自動(dòng)完成生產(chǎn)控制任務(wù)。

(2)PLC手動(dòng)方式:在系統(tǒng)操作選擇PLC手動(dòng)方式后，操作員通過HMI操作按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制操作啟停。

(3)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式:現(xiàn)場(chǎng)操作箱自手動(dòng)選擇開關(guān)打至就地位，可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)備的機(jī)旁手動(dòng)控制。

2.1 儀控部分

儀控部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的參數(shù):溫度、壓力、流量、液位檢測(cè)及液位、壓力聯(lián)鎖控制，過濾器反洗控制。現(xiàn)主要對(duì)過濾反洗控制進(jìn)行詳細(xì)介紹:主要設(shè)備包括:2臺(tái)纖維球過濾器，每臺(tái)過濾器配置有4臺(tái)氣動(dòng)切斷蝶閥:過濾進(jìn)、出水閥，反洗進(jìn)、出水閥以及1臺(tái)攪拌裝置，1臺(tái)反洗泵。

過濾器運(yùn)行時(shí)，分手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。手動(dòng)控制用于設(shè)備調(diào)試、故障處理。當(dāng)所有閥門及攪拌裝置均處于自動(dòng)狀態(tài)，且所有過濾器均處于過濾狀態(tài)時(shí)，程序自動(dòng)開始進(jìn)行過濾－反洗控制。自動(dòng)反洗受程序時(shí)間參數(shù)及儀表盤上外部強(qiáng)制反洗信號(hào)的控制?？刂瞥绦蛉缦?

過濾:反洗閥都關(guān)閉狀態(tài)下，首先打開過濾出水閥，接著打開過濾進(jìn)水閥，進(jìn)行正常過濾。

反洗:自動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)過濾時(shí)間達(dá)到預(yù)定值，或手動(dòng)強(qiáng)制反洗時(shí)，程序反洗開始。關(guān)閉過濾進(jìn)、出水閥，打開反洗出水、進(jìn)水閥，1分鐘后，啟動(dòng)攪拌器，20分鐘后關(guān)閉攪拌器，3分鐘后，關(guān)閉反洗進(jìn)水閥及反洗進(jìn)水總閥，靠余壓排水和穩(wěn)定濾料2分鐘后，關(guān)閉反洗出水閥，至此反洗完畢。接著進(jìn)行過濾程序。

過濾反洗控制的重點(diǎn)在于:每臺(tái)過濾器在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)輪流進(jìn)行反洗，同一時(shí)間只能有一個(gè)過濾器反洗;一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)每臺(tái)過濾器只允許反洗一次，以免造成浪費(fèi);外部強(qiáng)制反洗優(yōu)先;一旦出現(xiàn)切換閥故障，程序自動(dòng)反洗停止，同時(shí)聲控報(bào)警，由操作工將該臺(tái)過濾器的轉(zhuǎn)換開關(guān)打至手動(dòng)檔，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)檢修，以免造成跑水、排空等事故發(fā)生。

2.2 電控部分

主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的水泵、電動(dòng)閥和蒸發(fā)式空冷器等的邏輯控制。在主控室設(shè)有集中操作臺(tái)，用于選擇操作方式，即機(jī)旁控制和PLC控制。控制凈環(huán)過濾、噴淋、增壓水泵和軟水泵組電機(jī)啟停和電動(dòng)蝶閥開閉，軟水補(bǔ)水泵起停由氣壓補(bǔ)水罐液位控制。PLC控制時(shí)，發(fā)出泵啟動(dòng)命令后，超過30秒泵仍未啟動(dòng)，且水壓仍達(dá)不到給定值時(shí);或運(yùn)行中水泵故障，則產(chǎn)生報(bào)警并停泵。自動(dòng)狀態(tài)下，備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行。水泵停止時(shí)，其所配的電動(dòng)蝶閥自動(dòng)關(guān)閉。手動(dòng)狀態(tài)下，泵與電動(dòng)蝶閥間聯(lián)鎖解除。

3 操作站功能規(guī)格

操作站軟件是基于西門子的WINCC組態(tài)軟件進(jìn)行編程的。操作員通過人機(jī)界面(HMI)可以監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，遙控設(shè)備，改變參數(shù)越限報(bào)警值，打印記錄及遠(yuǎn)程操作，這些功能被劃分在各個(gè)不同的操作畫面上。如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面

3.1 流程圖畫面

流程圖畫面形象地顯示出了工藝過程及設(shè)備、管道的構(gòu)成和布局情況、運(yùn)行狀態(tài)指示、及其動(dòng)態(tài)顯示的過程參數(shù)值、報(bào)警狀態(tài)指示。設(shè)備的運(yùn)行除現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和程序自動(dòng)控制外，還可實(shí)現(xiàn)CRT遠(yuǎn)程遙控，流程畫面為每1臺(tái)設(shè)備單獨(dú)設(shè)置有啟停及確認(rèn)按鈕，以防操作工誤動(dòng)作。當(dāng)泵出現(xiàn)運(yùn)行故障，維修好后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊故障復(fù)位按鈕，該泵才可投入運(yùn)行。

3.2 趨勢(shì)畫面

為便于了解、分析過程參數(shù)的歷史變化情況，設(shè)計(jì)了趨勢(shì)畫面，通過趨勢(shì)窗口上方的工具欄，能用標(biāo)尺看曲線上任一點(diǎn)的時(shí)間－過程參數(shù)值，通過比例縮放看某一特定區(qū)域的曲線變化;通過時(shí)間選擇可以看到定義的任意時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)的曲線。

3.3 參數(shù)設(shè)定及報(bào)警畫面

參數(shù)設(shè)定畫面允許操作員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修改過程參數(shù)越限值。鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫面右下角的按鈕可進(jìn)入電氣設(shè)備報(bào)警畫面，詳細(xì)指示出設(shè)備故障狀態(tài)，便于操作人員的現(xiàn)場(chǎng)維修。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、壓力變頻調(diào)節(jié)、膨脹罐氣壓補(bǔ)水，來保證系統(tǒng)壓力滿足電爐用水要求。軟循環(huán)供水泵4臺(tái):2臺(tái)變頻，2臺(tái)工頻，3用1備，每臺(tái)功率250 kW。正常情況下，該泵組至少有一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，自動(dòng)狀態(tài)下，泵啟動(dòng)后，打開電動(dòng)蝶閥，靠變頻進(jìn)行恒壓力控制。由壓力變送器檢測(cè)供水管網(wǎng)實(shí)際壓力，管網(wǎng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力經(jīng)過比較后輸出偏差信號(hào)，由偏差信號(hào)控制調(diào)整變頻器輸出的電源頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力不斷向設(shè)定壓力趨近，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力恒定，從而使水泵根據(jù)需水量自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。當(dāng)發(fā)出泵啟動(dòng)命令后，超過30秒泵仍未啟動(dòng)，或當(dāng)發(fā)出電動(dòng)蝶閥打開命令后，超過30秒，閥仍打不開，且水壓仍達(dá)不到給定值時(shí);或運(yùn)行中水泵故障時(shí);則產(chǎn)生報(bào)警并停泵，在自動(dòng)狀態(tài)下，備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行。投入運(yùn)行的水泵數(shù)量由PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制。設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)切換，當(dāng)切換至自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)出口壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速和自動(dòng)啟動(dòng)、停止備用泵，以維持出口壓力恒定，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可切換至手動(dòng)位置，使2臺(tái)水泵在工頻下運(yùn)行，保證正常供水。

變頻器的流量反饋值引自PLC的出水總管電磁流量計(jì)的變送輸出。當(dāng)流量到達(dá)定值持續(xù)時(shí)間大于180秒且變頻無法調(diào)節(jié)時(shí)，由氣壓補(bǔ)水罐向管網(wǎng)補(bǔ)水，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到波動(dòng)定值時(shí)，氣壓補(bǔ)水罐停止向管網(wǎng)補(bǔ)水。

壓力變頻調(diào)節(jié):采用PID調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。

采用變頻恒壓供水控制，不但能夠節(jié)水節(jié)能，而且提高了供水質(zhì)量，穩(wěn)定了管網(wǎng)壓力，保證了供水管網(wǎng)的安全運(yùn)行。

5 小結(jié)

本套控制系統(tǒng)于2007年9月底投入運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，是電爐水處理系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行的動(dòng)力和技術(shù)保障，具有數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確、節(jié)能效果顯著、控制性能良好且穩(wěn)定的特點(diǎn)，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。