焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)工藝淺析與功能實現(xiàn)

郭亮亮

（山西省自動化研究所，山西太原 030012）

1 系統(tǒng)概述

隨著山西省轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展步伐的持續(xù)推進，近年來新建和改擴建多個大型焦化廠，焦爐容量設(shè)計較之前擴大，冶煉強度和質(zhì)量也有很大提高，產(chǎn)生大量的附加產(chǎn)品——焦爐煤氣。焦爐煤氣，是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。焦爐煤氣放散到空氣中，不僅會造成嚴重的大氣污染，而且會造成極大的能源浪費。

建設(shè)焦爐煤氣柜，可以用來存儲焦爐煤氣。煤氣柜是貯存工業(yè)及民用煤氣的鋼制容器，有濕式煤氣柜和干式煤氣柜兩種。濕式煤氣柜為用水密封的套筒式圓柱形結(jié)構(gòu);干式煤氣柜為用?。ǜ桑┯突蛉崮っ芊獾幕钊浇Y(jié)構(gòu)。

煤氣柜的工作原理簡言之就是吞吐煤氣。當煤氣管網(wǎng)壓力高于煤氣柜的設(shè)計壓力，煤氣就進入煤氣柜儲存;當煤氣管網(wǎng)壓力降低時，煤氣柜中的煤氣就補入管網(wǎng)，起到以余補欠的作用。

焦爐煤氣柜的作用如下:

（1）可以有效回收放散煤氣;

（2）可充分合理地使用企業(yè)內(nèi)部的副產(chǎn)煤氣;

（3）穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，改善軋鋼加熱爐等的熱工制度。

焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和功能實現(xiàn)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到焦爐煤氣能否高效地輸出利用，用于再生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計步驟

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本安全控制系統(tǒng)上位機采用西門子WINCC 6.0 SP2軟件，下位機由西門子S7-300系列PLC組成，兩者同屬西門子自動化驅(qū)動集團公司產(chǎn)品，系統(tǒng)完全兼容。通訊方式為:工控機內(nèi)置西門子CP 5611控制卡通過PROFIBUS-DP總線與PLC連接。這種方式通過通訊程序把PLC和組態(tài)軟件組合成一個完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運行。控制室內(nèi)裝配兩臺工控機，可互為冗余。

PLC系統(tǒng)配置3個機架，CPU選用315-2 DP，分別配置數(shù)字量、模擬量輸入和輸出模塊，機架之間通過IM 360、IM 361連接。工控機選用主流配置即可。本系統(tǒng)配置為標準配置，完全滿足工藝及現(xiàn)場實際需求。S7-300 PLC的硬件組態(tài)如圖1。

圖1 硬件組態(tài)

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟

根據(jù)以下流程，設(shè)計本系統(tǒng)，此流程也是一般控制系統(tǒng)的設(shè)計流程，具有舉一反三的作用。

（1）分析工藝流程和控制要求。根據(jù)焦爐煤氣柜工藝流程，選擇合適的控制設(shè)備，包括PLC，人機界面，控制柜內(nèi)元件，以及線路的設(shè)計等。

（2）確定輸入/輸出（I/O）設(shè)備。本項目選用S7-300系列PLC，根據(jù)需要控制設(shè)備的信號，進行PLC輸入/輸出（I/O）設(shè)備數(shù)量和型號的選擇。

（3）PLC型號選擇。本系統(tǒng)選擇的CPU型號為315-2 DP。

（4）I/O地址分配。這是編寫程序之前需要做的一項重要工作，合理的I/O地址分配可以提高編程效率，對今后的程序維護也提供了便利。

（5）PLC系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)焦爐煤氣柜工藝要求，在程序中，分別使用不同的功能塊實現(xiàn)各部分的功能。這樣編寫的程序結(jié)構(gòu)合理，易于修改和維護。

（6）離線模擬調(diào)試。在進行帶負載調(diào)試前，必須先對分部分離線進行模擬測試，這對于及早發(fā)現(xiàn)程序存在的問題很有幫助，也是一個完整程序編寫好所必經(jīng)的過程。

（7）現(xiàn)場調(diào)試及技術(shù)資料整理。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，對線路和程序進行完善，反復修改直到滿足用戶需求，最終將技術(shù)資料歸檔并交工。

3 工藝淺析

焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，主要包括以下的控制要求。

3.1 焦爐煤氣柜活塞高低位報警及聯(lián)鎖

3.1.1 高限位確定

本系統(tǒng)中，煤氣柜活塞最大行程為26.1 m，當活塞升至H1=22.968 m（88%）時，發(fā)出報警;當活塞升至H2=23.49 m（90%）時，發(fā)出高位報警，關(guān)閉煤氣柜進口電動蝶閥;當活塞升至H3=24.795 m（95%）時，打開煤氣柜放散管道的電動蝶閥;當活塞降至H2=23.49 m（90%）時，關(guān)閉煤氣柜放散管道的電動蝶閥;當活塞降至H4=22.185 m（85%）時，打開煤氣柜進口電動蝶閥。

3.1.2 低限位確定

當活塞降至H7=2.610 m（10%）時，發(fā)出低柜位報警;當活塞降至H5=2.088 m（8%）時，發(fā)出低低柜位報警，關(guān)閉煤氣柜出口電動蝶閥，并停止加壓機;當活塞升至H6=3.915 m時，打開煤氣出口電動蝶閥并啟動加壓機。

3.2 CO檢測報警及聯(lián)鎖［1］

（1）當煤氣柜內(nèi)CO濃度≥24 ppm時報警。

（2）當油泵房及加壓機室CO濃度≥24 ppm時報警，并啟動軸流風機通風。

（3）加壓機機后冷卻水壓力＜0.3 MP時報警并停止加壓機。

3.3 畫面要求

（1）所有儀表檢測的4～20 mA輸入信號進入PLC控制及工控機畫面顯示。

（2）煤氣柜進出口管道、加壓機進出口管道電動閥門及煤氣放散管道電動閥門進PLC控制及畫面操作。

（3）顯示活塞行程，油泵運行狀態(tài)，壓縮機運行狀態(tài)。（4）加壓機總出口管道流量要求記錄。（5）所有電動蝶閥的開關(guān)狀態(tài)顯示。

3.4 包括活塞高度及CO濃度等所有報警均為聲光報警

3.5 采用雷達料位計與角位移雙設(shè)備測控活塞高度

4 功能實現(xiàn)

經(jīng)過研究設(shè)計院的圖紙和與甲方根據(jù)現(xiàn)場的需求，最終調(diào)試完畢的焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)包括如下的功能。

4.1 上位機畫面實現(xiàn)的功能

4.1.1 畫面功能

煤氣柜控制系統(tǒng)具有8部分畫面:

P1:系統(tǒng)流程;P2:儀表數(shù)據(jù);P3:蝶閥控制;P4:油泵控制;P5:柜容趨勢;P6:設(shè)備狀態(tài);P7:趨勢畫面;P8:報警畫面。

進入系統(tǒng)后，顯示畫面為系統(tǒng)流程畫面。畫面的下部提供了畫面轉(zhuǎn)換按鈕，用鼠標左鍵單擊即可進入相應畫面。如圖2。

圖2 控制系統(tǒng)總覽

4.1.2 綜合報警功能

從現(xiàn)場采集的各種模擬量數(shù)據(jù)報警有2種方式:顏色變化、事故音響報警。

4.1.3 歷史趨勢記錄功能

焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)對柜容、各種壓力、油槽液位、油泵啟停狀態(tài)、活塞高度、溫度趨勢、CO濃度均進行歷史曲線記錄。

4.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

工控機通過PLC的輸入模塊采用配電型隔離柵從現(xiàn)場采集各種信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，PLC再發(fā)出輸出信號，通過輸出模塊控制繼電器、交流接觸器等設(shè)備來控制現(xiàn)場［2］。其功能如下:

（1）根據(jù)焦爐煤氣柜內(nèi)活塞高度，控制煤氣柜進出口閥門，并發(fā)出相應報警。

（2）1#、2#、3#油泵房油泵根據(jù)相應油槽液位自動控制，并可通過畫面選擇A、B方案切換主電機與備用電機。

（3）角位移和雷達物位計均可顯示柜內(nèi)活塞高度，并計算出柜容。

（4）所有閥門和油泵電機均可通過畫面選擇，進行自動控制或手動控制。

（5）1#-6#油泵記錄啟動次數(shù)、停止次數(shù)、運行時間，并設(shè)置清零復位按鈕。

（6）設(shè)置報警功能強制解除按鈕。

（7）各報警值均可進行手動設(shè)置，方便操作人員調(diào)整。如圖3。

圖3 油泵及活塞高度聯(lián)鎖設(shè)置

（8）焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)所有的模擬量數(shù)據(jù)均在畫面上顯示，重要的數(shù)值作出相關(guān)趨勢記錄，方便查看。

（9）煤氣柜活塞高低位報警設(shè)置值均可手動單獨設(shè)置。

（10）所有信號均通過配電隔離式安全柵傳輸，將來自危險區(qū)的電流信號，經(jīng)隔離變送輸出單路或互相獨立的雙路電流電壓信號到安全區(qū)，并可對現(xiàn)場二三線制變送器提供配電功能，通過配置的通訊接口在安全區(qū)進行串行通訊聯(lián)網(wǎng)。

5 總結(jié)

焦爐煤氣柜過去采用儀表顯示加人工控制的方式，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，安全性不高。現(xiàn)在采用PLC和上位機結(jié)合的安全控制系統(tǒng)，大幅度提高了焦爐煤氣柜的控制效率和穩(wěn)定性，生產(chǎn)安全性也得到了加強。

焦爐煤氣柜安全控制系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，現(xiàn)已正常運行。經(jīng)過長期運行，證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制強大、安全可靠、工作效率高，輸出氣源壓力完全滿足用戶需求，對環(huán)境保護作出了很大貢獻。本安全控制系統(tǒng)應用了最新的控制技術(shù)，是煤焦化自動系統(tǒng)控制領(lǐng)域的范例。

［1］朱翔宇.鞍鋼燃氣廠150 000 m3焦爐煤氣柜PLC控制系統(tǒng)操作說明書［Z］.2007.10.

［2］徐蕾，湯濤，潘忠民，等.煤氣柜自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］.山西冶金，2011，33（4）:52-53.