不停車焦?fàn)t地下室交換機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

夏 巍

（西山煤電集團(tuán) 西山煤氣化公司，山西 古交 030200）

1 課題的背景和意義

焦?fàn)t地下室屬于防爆Ⅰ區(qū)，西山煤電集團(tuán)西山煤氣化公司現(xiàn)使用的交換機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用西門子可編程序控制器PLC-300及大量的中間繼電器進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)配電柜安裝在防爆區(qū)域內(nèi)，由于PLC內(nèi)部程序較繁瑣，且在安裝后有部分原始資料已遺失，很多程序無法通過上位機(jī)（PC）進(jìn)行監(jiān)控、查找，在設(shè)備出現(xiàn)故障后，不能快速排除故障；電氣控制回路為交流220V，防爆等級(jí)低，在檢修時(shí)會(huì)造成失爆現(xiàn)象，存在著重大的安全隱患。

在機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，現(xiàn)場(chǎng)使用的是機(jī)械碰撞式限位開關(guān)，無法滿足工業(yè)自動(dòng)化要求，時(shí)常會(huì)誤動(dòng)作，無法實(shí)現(xiàn)精確定位。且限位開關(guān)的故障率較高，在更換時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)，每次更換1個(gè)限位開關(guān)就需40min左右，而交換機(jī)的交換時(shí)間間隔是30min，至少會(huì)造成交換機(jī)無法工作2次以上。因此，采用接近式開關(guān)，以便于維護(hù)和更換。

在PLC內(nèi)部程序中，包含大量繁瑣的無用程序，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，自行編輯簡(jiǎn)單明了的控制和保護(hù)停機(jī)程序，達(dá)到便于檢修的目的。可編程序控制器在邏輯控制、順序控制、聯(lián)鎖防護(hù)等方面顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。特別是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散、運(yùn)算能力增強(qiáng)、通訊網(wǎng)絡(luò)完善的情況下，其以開關(guān)量為主，擴(kuò)展到聯(lián)鎖控制的范圍，開始進(jìn)入批量控制和過程控制。其集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電氣控制于一體，可靠性高、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、監(jiān)控清晰、維修方便，因此，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

該公司研究決定采用西門子可編程序控制器S7-300對(duì)地下室煤氣交換機(jī)自控系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 主要控制、工作原理

2.1 煤氣交換機(jī)工藝要求

工藝要求煤氣交換機(jī)正、反向換向的時(shí)間間隔是30min，換向時(shí)間為30s，具體運(yùn)行框圖見圖1.

圖1 交換機(jī)換向運(yùn)行示意圖

圖1中，焦?fàn)t加熱用洗苯后的回爐煤氣，由外管送至焦?fàn)t，經(jīng)煤氣總管、主管、煤氣支管進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與經(jīng)過蓄熱室預(yù)熱的空氣混合后燃燒，燃燒煙氣溫度可達(dá)1200℃，產(chǎn)生的熱量經(jīng)爐墻傳至碳化室焦餅，燃燒后的廢氣經(jīng)跨越孔、立火道、斜道，在蓄熱室與格子磚換熱后經(jīng)小煙道、廢氣開閉器、分煙道、總煙道，最后從煙囪排出。

煤氣交換機(jī)在焦?fàn)t生產(chǎn)過程中用于改變焦?fàn)t加熱系統(tǒng)內(nèi)煤氣、空氣和廢氣的流動(dòng)方向，以保證焦?fàn)t燃燒室各部位溫度的均勻，是煉焦過程的心臟部位，交換機(jī)運(yùn)行正常與否直接影響焦?fàn)t產(chǎn)品產(chǎn)量和安全生產(chǎn)。交換原理：先關(guān)煤氣，然后進(jìn)行空廢氣交換，最后開煤氣。

2.2 自動(dòng)換向原理

交換機(jī)限位開關(guān)具體位置設(shè)計(jì)見圖2.

圖2 限位開關(guān)位置示意圖

圖2中，起點(diǎn)4SQ、1SQ為正向，終點(diǎn)7SQ、3SQ為反向，SQ為限位開關(guān)。

現(xiàn)以交換機(jī)一次正常交換工作為例進(jìn)行說明：

設(shè)原始位置煤氣缸、空廢氣缸、均在0mm處。交換機(jī)開始正向換向。其正向交換準(zhǔn)備就緒，煤氣缸限位開關(guān)在1SQ起點(diǎn)位置。當(dāng)接到交換機(jī)定時(shí)裝置的信號(hào)（延時(shí)600s）或人工再交換信號(hào)后，交換機(jī)油泵運(yùn)行，當(dāng)油壓達(dá)到45kPa，煤氣缸正向電磁閥導(dǎo)通，開始正向換向，當(dāng)行至正向終點(diǎn)位置3SQ時(shí)，因正向限位開關(guān)閉合，通過內(nèi)部程序認(rèn)定后，通過程序執(zhí)行下一步動(dòng)作，即煤氣缸停止移動(dòng)，接通中間繼電器T1，延時(shí)1s后，反向到位位置開關(guān)限位6SQ繼電器吸合，廢氣缸電磁閥得電，空廢氣缸正向移動(dòng)，至廢棄缸位置終點(diǎn)，廢棄缸終點(diǎn)位置開關(guān)7SQ閉合，廢氣缸停止移動(dòng)。又接通中間繼電器T2延時(shí)1s后，煤氣缸起點(diǎn)位置繼電器又接通，煤氣缸移動(dòng)，至煤氣缸終點(diǎn)位置開關(guān)3SQ閉合，正向換向結(jié)束。交換機(jī)始終進(jìn)行正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，工作過程往復(fù)運(yùn)行。

3 硬件設(shè)計(jì)

1）選用西門子PLC-300的可編程序控制器作為控制中心，CPU型號(hào)為6ES7-315-2AH14-0AB0，體積為40mm×125mm×130mm，該機(jī)可安裝16點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出模塊，有豐富的功能指令，能滿足系統(tǒng)的控制要求。輸入繼電器采用自供DC24 V，輸出繼電器采用AC220V電源。

2）光電式接近開關(guān)是利用光電耦合的原理構(gòu)成（光電開關(guān)是由發(fā)光元件和受光元件組成，以光為傳導(dǎo)、耦合媒介來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸，其特點(diǎn)是控制靈活、電路功率小、抗干擾能力強(qiáng)、隔爆、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)），選用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的E3JK-DS70M1型紅外線光電開關(guān)來進(jìn)行位置控制。

3）煤氣低壓報(bào)警用煤氣壓力傳感器利用原有變送器，二次表利用原有XMG5000光柱數(shù)字顯示儀表，其可設(shè)定報(bào)警上限、下限，并且有相應(yīng)的繼電器輸出，可滿足控制要求使用。

4）為保證正常工作，需增加油壓傳感器選防爆型WP-1151GP，油泵正常工作油壓為45kPa，二次表新裝1塊XMG5000光柱數(shù)字顯示儀表，其可設(shè)定報(bào)警上限、下限，并且有相應(yīng)的繼電器輸出。

5）新制作1個(gè)配電柜（1500mm×600mm×400 mm），內(nèi)部安裝PLC、空氣開關(guān)、油泵交流接觸器、端子牌等控制元件。

4 交換機(jī)電氣控制原理

電氣設(shè)計(jì)示意圖見圖3.

圖3 電氣設(shè)計(jì)示意圖

圖3中，1）正常工作時(shí)，只用1臺(tái)油泵，考慮油泵電機(jī)工作壽命，可在PLC內(nèi)部程序設(shè)置延遲啟動(dòng)，待油壓正常后，開啟油泵工作。正常交換煤氣、廢氣后，延遲停機(jī)。這樣會(huì)保護(hù)油泵電機(jī)不會(huì)因頻繁啟動(dòng)，造成溫度升高，避免絕緣老化問題，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。2）二次回路加裝了1臺(tái)交-直流電源，將AC220V變?yōu)镈C24V，提高了防爆等級(jí)，檢修更加安全，且配電柜移出防爆區(qū)，在操作室內(nèi)重新裝配，便于操作。

5 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制回路的要求，進(jìn)行PLC內(nèi)部程序的編程控制設(shè)計(jì)，按生產(chǎn)運(yùn)行情況實(shí)際要求，進(jìn)行編程。程序原則上要簡(jiǎn)單明了，交換機(jī)所要求的一切準(zhǔn)備條件，包括油缸、電磁閥組、壓力、溫度、交換機(jī)的換向、位置開關(guān)、內(nèi)部二次回路、報(bào)警信息等全部在內(nèi)，通過在線監(jiān)視程序，可迅速判斷故障發(fā)生點(diǎn)，在有限的時(shí)間內(nèi)排除故障，保證交換機(jī)的正常運(yùn)行。不僅檢修方便和排除故障快，而且降低了故障發(fā)生率，保證了該公司地下室交換機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

主要的內(nèi)部程序有：

1）油泵控制程序。當(dāng)換向信號(hào)就緒后，延遲啟動(dòng)油泵，出現(xiàn)油泵過熱故障后，可通過程序自動(dòng)切斷油泵，保護(hù)油泵和電機(jī)的正常工作。2）換向控制程序。避免機(jī)械式限位開關(guān)限位不到位，無法實(shí)現(xiàn)換向功能，程序中加了一段自動(dòng)認(rèn)定限位到位的延遲程序，當(dāng)光電開關(guān)到位后，到位信號(hào)會(huì)一直保持2s鎖定，由于現(xiàn)場(chǎng)有煤氣缸鏈條牽引，限位開關(guān)會(huì)由于慣性左右擺動(dòng)，原有程序只能認(rèn)定一次，解決了限位不到位無法換向的問題。3）信號(hào)及故障報(bào)警程序。當(dāng)限位到位或某一故障出現(xiàn)時(shí)，配電柜上的相應(yīng)指示燈會(huì)亮紅燈，提示操作人員排除故障。故障現(xiàn)象簡(jiǎn)單明了，便于檢修和處理問題。

在程序編寫好后，將程序通過上位機(jī)（PC）植入PLC的CPU模塊，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。

6 遇到的問題

1）手動(dòng)換向。當(dāng)出現(xiàn)限位開關(guān)位置不到位，無法進(jìn)行自動(dòng)交換時(shí)，用手動(dòng)換向按鈕進(jìn)行正、反向交換，工作情況與自動(dòng)相同，但它連續(xù)運(yùn)行與否需要崗位操作人員進(jìn)行位置判斷后，再?zèng)Q定是否人工操作。

2）煤氣低壓情況。運(yùn)行中，煤氣壓力突然降低，煤氣低壓繼電器吸合，笛響、指示燈閃爍，提醒工作人員判斷情況、迅速處理。

3）交換超時(shí)情況。煤氣交換機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過60s時(shí)，內(nèi)部繼電器動(dòng)作，電笛響，紅燈閃，發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員查清原因，盡快處理。

4）施工問題。施工的主要難題在工期，為不影響正常生產(chǎn)，都是利用檢修時(shí)間進(jìn)行安裝和調(diào)試工作，這就要求該配電柜的安裝，電纜的敷設(shè)，光電開關(guān)的安裝，以及線路接線，后期調(diào)試等工作必須一次成功。因此，在施工前應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，材料的儲(chǔ)備及PLC內(nèi)部程序的編寫等都完成后，按照施工進(jìn)度計(jì)劃，進(jìn)行硬件、軟件安裝調(diào)試，確保無誤。

7 總 結(jié)

改造后的調(diào)試工作一次成功，現(xiàn)場(chǎng)反饋，便于巡檢和操作，故障發(fā)生時(shí)易于快速判斷處理。經(jīng)過后期的巡檢發(fā)現(xiàn)，該改造獲得了良好效果。1）限位開關(guān)的故障完全消除，沒有出現(xiàn)一次因限位損壞或不到位情況造成交換機(jī)不工作的故障發(fā)生。2）油泵電機(jī)運(yùn)行良好，無過熱現(xiàn)象。檢修時(shí)不會(huì)造成失爆現(xiàn)象，PLC程序穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)軟件及硬件故障。此改造方式簡(jiǎn)單，投資少，工期短，效果好，值得推廣。

PLC控制器改造過程中也存在一些問題：如在過熱保護(hù)裝置選型時(shí)由于考慮不周，經(jīng)常燒毀油泵接觸器。當(dāng)交換電笛報(bào)警后，有時(shí)會(huì)因程序的問題及進(jìn)行在線監(jiān)控及通過后臺(tái)DCS系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作等。

通過對(duì)煤氣交換機(jī)進(jìn)行PLC控制技術(shù)改造，使得控制電路體積大大減小，消除了由中間繼電器和時(shí)間繼電器觸點(diǎn)不良引起的系統(tǒng)故障，解決了失爆的安全隱患，且限位開關(guān)計(jì)位精準(zhǔn)，穩(wěn)定了煤氣交換機(jī)的工作程序，保證了加熱系統(tǒng)內(nèi)的正常換向，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，為該公司的正常生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

［1］ 廖常初.S7-300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：181-197.

［2］ 周 敏.焦化工藝學(xué)［M］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：83-87.