高爐煤氣干法除塵PCS7控制系統(tǒng)介紹

供稿| 申世武，周 蕓，楊 春

高爐煤氣干法除塵PCS7控制系統(tǒng)介紹

供稿| 申世武，周 蕓，楊 春

內容導讀

高爐干法除塵是在高溫條件下進行的煤氣凈化技術，與濕法除塵相比，干法除塵可簡化工藝系統(tǒng)，具有占地面少，無二次環(huán)境污染，無需對污水進行處理，生產(chǎn)運行費用低，合理利用煤氣余熱，提高煤氣熱效率，可配套建設高爐頂壓發(fā)電設備。根據(jù)目前國內中、小型高爐已具有成功的生產(chǎn)運行經(jīng)驗以及干法除塵的優(yōu)勢等，本設計采用高爐煤氣干法除塵工藝系統(tǒng)進行煤氣精除塵。

干法除塵控制系統(tǒng)采用“儀電”一體化（即儀表、電氣控制共用PLC和監(jiān)控站）的德國Siemens公司的PCS7控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用CPU 414-4H PLC控制器、CP443工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器、CP1613通訊卡、I/O模塊構成以及WINCC 6.2 SP2系統(tǒng)。主要完成對干法除塵系統(tǒng)的操作以及數(shù)據(jù)采集、處理、記錄及報警，并且將監(jiān)控畫面的指令通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給下位PLC。

控制系統(tǒng)硬件配置

PCS7控制系統(tǒng)CPU型號為6ES7 414-4HJ000AB0，組態(tài)軟件采用STEP7軟件包進行軟件開發(fā)，操作和監(jiān)視界面采用SIMATIC WinCC系統(tǒng)軟件進行人機界面開發(fā)，用于編制干法除塵過程檢測及控制流程圖，實時顯示工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，監(jiān)視設備運行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)設置相應的溫度、壓力、壓差、流量、含塵量等檢測、記錄、報警、連鎖、控制等，主要包括凈煤氣流量、高爐爐頂壓力、高爐爐頂溫度、除塵器進出口溫度、箱體出口含塵量、箱體進出口壓差等重要工藝參數(shù)進行實時顯示、記錄、報表打印等。對主要閥門設置現(xiàn)場操作箱操作、操作室操作臺操作以及操作室計算機集中控制等多種操作方式。在計算機上可實現(xiàn)設備故障報警，布袋破袋報警，布袋反吹壓差控制，布袋反吹定時控制等等。控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配置

C1～ C3為機架，PS407為電源模板，CPU414-4H為CPU模板，CP443-1為工業(yè)以太網(wǎng)通訊模板，AI為模擬量輸入模板，AO為模擬量輸出模板，DI為數(shù)字量輸入模板，DO為數(shù)字量輸出模板，RI為熱電阻輸入模塊，CP1613為安裝在工控機內的通訊卡，具有雙通道信號輸入。Switch為工業(yè)交換機，現(xiàn)場總線為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡?？刂葡到y(tǒng)設一個控制站（同時兼操作站）、一個操作站。系統(tǒng)操作設計算機自動、軟手動兩種方式。工業(yè)PC機采用美國DELL的高配置PC機。

控制系統(tǒng)I/O模塊型號：開關量輸入模塊型號為6ES7321-1BL01-0AA0，開關量輸出模塊型號為6ES7322-1BH00-0AB0，模擬量輸入模塊型號為6ES7331-7KF02-0AB0，熱電阻輸入模塊型號為6ES7331-7PF10-0AB0，模擬量輸出點模塊型號為6ES7332-5HF00-0AB0。PLC主站與遠程I/O站之間的數(shù)據(jù)傳遞、信號聯(lián)絡采用MODBUS通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。PLC與現(xiàn)場設備、傳動裝置之間的通訊采用Profibus-DP現(xiàn)場總線?？刂破髋c監(jiān)控計算機人機接口（HMI）、編程器等設備之間采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)進行信息交換、遠程編程以及在線監(jiān)視。CP443通訊處理器實現(xiàn)PC與控制器之間的通訊。它采用工業(yè)Ethernet協(xié)議通訊，同時提供光纖接入的接口，可以方便的和外部交換數(shù)據(jù)。支持多種協(xié)議的通訊，工作穩(wěn)定可靠。CP1613用于將PC機連接到工業(yè)以太網(wǎng)。它支持全雙工/半雙工連接，10/100Mbit/s通訊速率自檢測。

儀表電氣設計

由于高爐煤氣干法除塵屬于Ⅱ類防爆區(qū)域，所有儀表電氣設備全部選用隔爆產(chǎn)品。儀表設計包括現(xiàn)場儀表選型、儀表柜設計和儀控PLC控制系統(tǒng)設計，儀表設計在選型上充分考慮其可靠性和先進性，選用的自動化儀表設備同時具備可靠、先進、完善、經(jīng)濟、實用，同時這些設備都帶有總線通訊接口，為系統(tǒng)的升級和安全運行提供了可靠保證。電氣設計內容包括電氣PLC控制系統(tǒng)設計、低壓配電柜設計、機旁操作箱設計以及操作室操作臺控制設計等幾個部分。電氣控制、儀表控制和計算機控制采用“三電合一”，即電氣控制、儀表控制、計算機全部采用一套PLC控制系統(tǒng)。低壓配電部分設計有電源自動切換柜，保證了PLC控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。為提高現(xiàn)場閥門控制和箱體控制的操作安全可靠以及減少控制系統(tǒng)帶來的風險等，現(xiàn)場閥門和除塵箱體電氣控制設計有機旁操作箱控制、操作臺控制以及計算機操作控制“三地”控制模式，機旁操作箱控制和操作臺控制都屬于手動控制方式，計算機操作控制屬于自動控制方式，在自動控制狀態(tài)下，所有現(xiàn)場設備操作控制由計算機系統(tǒng)進行，機旁操作箱上和操作臺上的按鈕此時均不起作用。

PCS7系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)安裝有STEP7 5.3基本編程軟件、WINCC系統(tǒng)軟件、WINCC運行軟件包、CP1613通訊軟件包。該組態(tài)軟件可動態(tài)顯示工藝流程圖畫面，歷史曲線圖、實時曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示及實現(xiàn)各畫面之間自由切換。主要完成脈沖反吹控制系統(tǒng)、溫度控制、煤氣含塵量檢測報警、箱體過程檢測系統(tǒng)、卸灰系統(tǒng)和外管系統(tǒng)的參數(shù)檢測和報警。

PLC系統(tǒng)通過采集干法除塵生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，并在操作畫面上上進行實時顯示、記錄及報警，實時監(jiān)測干法除塵相關的工藝參數(shù)和設備運行狀態(tài)，并對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行報表打印和事故報警打印，還可以進行歷史數(shù)據(jù)、趨勢圖等參數(shù)查詢。相關的數(shù)據(jù)以ACCESS數(shù)據(jù)庫的格式存儲，數(shù)據(jù)信息經(jīng)交換機及防火墻后以Web形式發(fā)布給權限用戶查看，以實現(xiàn)資源共享。高爐煤氣干法除塵控制系統(tǒng)是實現(xiàn)高爐煤氣干法除塵自動化的重要手段和方法，操作人員在計算機上輸入相關工藝設定參數(shù)，向PLC系統(tǒng)傳達控制指令，實現(xiàn)在操作室對干法除塵系統(tǒng)的控制與操作。

系統(tǒng)控制功能

采用計算機控制，極大的提高了生產(chǎn)效率，通過遠程控制，節(jié)約生產(chǎn)時間，加快了生產(chǎn)節(jié)奏。干法除塵控制系統(tǒng)其主要控制功能有：箱體過程檢測系統(tǒng)、布袋反吹控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、卸灰系統(tǒng)等。自動化控制系統(tǒng)是工程最重要核心組成部分，該系統(tǒng)設備包括1個電源柜，2個PLC柜，1個在線監(jiān)測柜，1個蝶閥控制柜，2個脈沖閥控制柜，8個機旁操作箱及各種檢測設備等。

箱體過程檢測系統(tǒng)項目包括：每個箱體的半凈煤氣、凈煤氣支管溫度，氮氣反吹氣包壓力并用壓力表現(xiàn)場顯示，布袋除塵器半凈煤氣總管、凈煤氣總管壓差，布袋箱體進出口（半凈煤氣、凈煤氣支管）壓差和布袋箱體出口凈煤氣支管、凈煤氣總管含塵量在線監(jiān)測及超高報警，除塵器前后煤氣溫度，氮氣儲氣罐壓力，氮氣減壓閥后氮氣壓力和壓縮空氣總管壓力，凈煤氣總管、氮氣總管以及壓縮空氣總管壓力、流量等。所有儀表檢測信號送控制室計算機顯示、記錄及報警。

布袋反吹控制有定壓差反吹控制和定時反吹控制兩種方式。定壓差反吹控制信號有兩種，一種是以單個箱體進出口管壓差值作為控制參數(shù)，壓差設定范圍在0～10kPa之間，當壓差值到了設定值時，壓差控制器輸出壓差接點信號，從來帶動脈沖閥啟動，實現(xiàn)單箱體定壓差控制；另一種是以除塵器進出口總管壓差作為控制參數(shù)，壓差設定范圍在0～10kPa之間，當壓差值到了設定值時，壓差控制器輸出壓差接點信號，從來帶動脈沖閥啟動，實現(xiàn)多個箱體定壓差順序控制。定時反吹控制按時間進行控制，定時控制時間可根據(jù)用戶需要任意設定，從而實現(xiàn)在一定時間內連續(xù)順序反吹。無論那種反吹控制都是由PLC控制系統(tǒng)自動完成，所有箱體按順序依次完成啟動反吹、過濾、停止反吹操作，用戶也可以根據(jù)實際需要人工選擇箱體進行反吹控制。

布袋除塵器對煤氣溫度有一定要求，要求進入箱體的半凈煤氣溫度控制在80～260℃之間。高爐實際生產(chǎn)過程中，由于煤氣溫度較高，煤氣不必考慮加熱措施，也無須設降溫措施。在事故狀態(tài)下，如果煤氣溫度超高則需要采取爐頂噴水降溫，使煤氣溫度控制在合理的范圍；如果煤氣溫度過低，則需要采取爐頂煤氣放散措施，讓煤氣直接從高爐爐頂進行緊急放散，不讓煤氣進入布袋，確保煤氣干法除塵系統(tǒng)生產(chǎn)運行安全和布袋的長使用壽命。在實際生產(chǎn)運行過程中，高爐煤氣的溫度在100～200℃之間時除塵效果會比較好。溫度太低會使除塵布袋壽命大大降低，如果低于80℃則容易發(fā)生水汽凝結現(xiàn)象，潮濕的煤氣，使除塵布袋受潮，大量的高爐灰塵非常容易堆積在潮濕的布袋上進而堵住布袋的通氣孔，從來降低除塵布袋的除塵能力，最終導致除塵布袋損壞。溫度太高也會使除塵布袋壽命大打折扣，如果煤氣溫度高于260℃，除塵布袋長期在260℃以上的高溫下運行，非常容易燒毀除塵布袋。為了延長除塵布袋的使用壽命，降低設備維護成本，建議將高爐爐頂溫度控制在150～250℃，這樣就可以將干法除塵箱體入口半凈煤氣溫度應控制在100～200℃。

結束語

PCS7-400控制系統(tǒng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性、友好的人機界面、 開放的結構、比較強大的控制功能、自診斷功能、易集成、規(guī)模靈活、緊湊等優(yōu)點。該控制系統(tǒng)自投入以來，性能穩(wěn)定、可靠性高、故障率低，為高爐生產(chǎn)提供了保障，達到了預期設計的效果。應用實踐表明，凈煤氣含塵量控制在2.0～3.5mg/m3左右，為干法除塵機組運行提供了有效保障，該高爐干法除塵系統(tǒng)自2007年5月投運至今，整個工藝系統(tǒng)運行平穩(wěn)，控制精度高，操作強度低，故障率低，達到了節(jié)能降耗、生產(chǎn)穩(wěn)定、操作簡單的目的。

[1] 李長連.干法除塵在高爐上的運用. 冶金動力.2010 (1)：28-29

[2] 李明,王嵐瀟. SIMATIC S7-400在100噸轉爐自動化系統(tǒng)中的應.自動化博覽.2009,9(9)：32-34

Introduction of PCS7 Control System in Blast Furnace Gas Dry Dust

SHEN Shi-wu, ZHOU Yun, YANG Chun

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廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限公司，廣西 柳州 545002

申世武，(1978—),男,貴州金沙縣人，工程師，學士學位，主要從事DCS、PLC、自動化、智能儀器儀表應用。