淺談PCS7 控制系統(tǒng)在高爐噴煤中的應(yīng)用分析

韓書(shū)峰

（南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司，江蘇 南京 474550）

高爐噴煤工藝系統(tǒng)能夠有效降低入爐焦比，繼而對(duì)生產(chǎn)成本、進(jìn)度等進(jìn)行控制優(yōu)化，高爐噴煤系統(tǒng)也存在較為嚴(yán)重的粉塵污染，這需要引起技術(shù)人員的重視，在高爐噴煤工藝流程中，如果噴煤量控制在較小的水平，則往往需要使用常規(guī)儀表系統(tǒng)進(jìn)行控制。

當(dāng)前，隨著信息化技術(shù)的普遍化應(yīng)用，高爐噴煤系統(tǒng)的自動(dòng)化也越來(lái)越復(fù)雜、大型化，一般采取穩(wěn)定性較高的集散控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下高爐噴煤工作的關(guān)鍵，其中西門(mén)子PC7S 控制系統(tǒng)在高爐噴煤中的應(yīng)用能夠很好地滿足工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 高爐噴煤工藝及要求

1.1 工藝簡(jiǎn)介

南陽(yáng)漢冶特鋼二期噴煤制粉項(xiàng)目為3#高爐配套項(xiàng)目，項(xiàng)目規(guī)模為日產(chǎn)1500T 煤粉，該高爐噴煤制粉工藝主要有三大子系統(tǒng)構(gòu)成，即制粉、收粉、噴吹，主要生產(chǎn)工藝如圖1 所示，包括廢氣加壓、加熱爐、磨煤機(jī)及公輔系統(tǒng)、給煤機(jī)、布袋收粉器、主引風(fēng)機(jī)等組成。其中，控制系統(tǒng)采用了西門(mén)子的PCS7V9.2 系統(tǒng)，使用效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有推廣使用價(jià)值。

圖1 高爐噴煤工藝圖

1.2 工藝要求

加熱爐：加熱爐利用天燃?xì)庾鳛辄c(diǎn)火氣源，利用高壓電子點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，有火焰檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)火及燃燒情況，點(diǎn)火后通煤氣與助燃風(fēng)進(jìn)行加熱，煤氣與助燃風(fēng)按一定比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，控制熱風(fēng)爐的溫度，控制策略采用雙限幅交叉PID 控制理論進(jìn)行調(diào)節(jié)，加熱爐控制由一套獨(dú)立的S71200CPU 進(jìn)行控制，與制粉S7414-5PLC 進(jìn)行通訊，以進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和監(jiān)控。廢氣加壓：利用10kV200kW 高壓電壓驅(qū)動(dòng)的離心風(fēng)機(jī)對(duì)高爐熱風(fēng)廢氣進(jìn)行加壓送入加熱爐進(jìn)行換熱后送入磨煤機(jī)，對(duì)磨煤機(jī)中的煤粉進(jìn)行加熱以利于研磨。換熱后的熱風(fēng)廢氣溫度與氧含量利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，廢氣溫度與氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，以防止煤粉在磨煤氣內(nèi)著火，甚至產(chǎn)生爆炸。

磨煤機(jī)由磨輥與磨盤(pán)組成，磨盤(pán)在磨機(jī)主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與磨輥產(chǎn)生研磨效果，磨輥可以進(jìn)行升降操作，以調(diào)節(jié)磨盤(pán)與磨輥之間的間隙，磨輥升降采用液壓比例溢流閥進(jìn)行控制，有桿腔與無(wú)桿腔分別進(jìn)行控制，可以達(dá)到磨輥懸浮與壓力配合調(diào)節(jié)的目的，具體實(shí)現(xiàn)由PLC 進(jìn)行編程控制?？梢允謩?dòng)調(diào)節(jié)比例溢流閥的開(kāi)度，也可以采用壓力設(shè)定PID自動(dòng)調(diào)節(jié)比例溢流閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)三個(gè)油缸的有桿腔與無(wú)桿腔的壓力，以達(dá)到升輥與落輥調(diào)節(jié)研磨效果與抬輥啟機(jī)的需要。煤粉在研磨作用下變成細(xì)小的顆粒，通過(guò)引風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)作用吸附到布袋收粉器上，然后進(jìn)行反吹收集。

布袋收粉器的主要作用是在引風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下收集磨機(jī)中的煤粉，進(jìn)而在氮?dú)夥创迪侣淙胧辗燮飨潴w下部的粉倉(cāng)，并通過(guò)雙層卸灰閥及振動(dòng)篩送入煤粉倉(cāng)中。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了6個(gè)箱體，每個(gè)箱體設(shè)計(jì)了14 個(gè)脈沖閥，箱體間輪流進(jìn)行反吹，每個(gè)箱體中14 個(gè)脈沖閥每次反吹200ms，由一套獨(dú)立的S7200SMART PLC 進(jìn)行控制，并且箱體反吹的啟動(dòng)與停止，箱體及脈沖閥的反吹狀態(tài)引入制粉PCS7 系統(tǒng)，并在操作畫(huà)面上進(jìn)行顯示，如圖2 所示。布袋收粉器上每個(gè)箱體的上部與下部安裝兩支熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，以防煤粉堆積及溫度過(guò)高形成陰燃。系統(tǒng)在箱體內(nèi)設(shè)有保安氮?dú)獯祾吖δ埽跍囟冗^(guò)高時(shí)進(jìn)行降溫及降低氧氣濃度，以達(dá)到滅火的目的。主引風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到調(diào)節(jié)引風(fēng)管道負(fù)壓與節(jié)能的目的，在引風(fēng)前安裝流量計(jì)及負(fù)壓表，以檢測(cè)引風(fēng)主管道流量及負(fù)壓情況，以防出現(xiàn)堵塞情況。

圖2 布袋收粉器、主引風(fēng)機(jī)工藝示意圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文所采取的西門(mén)子PCS7 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)層次可以分為兩層，第一層是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)輸出等工作的控制器和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)裝置；第二層則為工程師站，主要為系統(tǒng)組態(tài)等的開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不同關(guān)鍵性工藝參數(shù)記錄、預(yù)警、修改、顯示等，并且能夠?yàn)楹笃诘娜斯げ僮魈峁┤嫘缘牟僮鹘缑?。其中，工業(yè)以太網(wǎng)則進(jìn)行該兩個(gè)層次之間的數(shù)據(jù)通訊。第一層次的控制器為主從結(jié)構(gòu)，主控制器采用西門(mén)414-5HCPU，帶DP/MPI 接口及PN(以太網(wǎng))接口，背板采用9 槽背板，帶電源模塊，MPI/DP 接口組態(tài)為DP 總線連接方式，外掛四個(gè)IM153 擴(kuò)展站。每個(gè)站下掛SM321，SM322 模塊采集現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。項(xiàng)目中所有的DO 輸出均由中間繼電器進(jìn)行了隔離，以達(dá)到保護(hù)模塊的目的。不同控制機(jī)架之間主要采取PROFIBUS 系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，該系統(tǒng)總線可以實(shí)現(xiàn)多站次的連接，且數(shù)據(jù)傳輸速度能夠控制在10kb/s ～2Mb/s。項(xiàng)目中37kW 以上電機(jī)采用了馬達(dá)保護(hù)器進(jìn)行綜合保護(hù)，并具備MODBUS RTU 接口，系統(tǒng)中配置了CP341 串口通訊模塊采集馬達(dá)保護(hù)器里的電機(jī)電流等信息。第二層次的工程師站則主要包括安裝Windows 10 LT2015 企業(yè)版操作系統(tǒng)的工業(yè)電腦，并且配備了相關(guān)系統(tǒng)組態(tài)軟件，不同工程師站都可以通過(guò)獨(dú)立接口實(shí)現(xiàn)終端總線的連接，完成以太網(wǎng)的接入工作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，PCS7 系統(tǒng)具備多類(lèi)型的編程模式（LAD、STL、CFC、SFC、SCL 等），并且該控制系統(tǒng)程序組織執(zhí)行使用較為簡(jiǎn)便，控制系統(tǒng)內(nèi)置的組織塊能夠充當(dāng)用戶(hù)程序和系統(tǒng)之間的接口，通過(guò)操作系統(tǒng)的調(diào)用進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的中斷和循環(huán)以及程序控制器的動(dòng)態(tài)化啟動(dòng)，也可以進(jìn)行錯(cuò)誤響應(yīng)的處理。一般而言，PCS7 控制系統(tǒng)具備以下三個(gè)方面的軟件要求，首先，是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工藝參數(shù)的報(bào)警、檢測(cè)功能，CFC 變成模式的采取主要考慮到內(nèi)置功能模塊的通用性，如閥門(mén)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、PID 調(diào)節(jié)等，可以進(jìn)行極為簡(jiǎn)潔方便的參數(shù)預(yù)警監(jiān)測(cè)分析，且程序的設(shè)置一般在OB35（中斷時(shí)間循環(huán)組織塊），可以在0.1s 時(shí)間間隔進(jìn)行單次循環(huán)；其次，對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)回路則主要采取CFC 編程模式，串級(jí)調(diào)節(jié)模式為噴吹速度控制主要模式，內(nèi)外環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)形式不一致，煤粉噴吹工藝主要與濕度、溫度、煤粉品種具有重要關(guān)聯(lián)，實(shí)施噴吹速度一般只能夠選取為特定時(shí)間段的平均值，時(shí)間間隔則要適當(dāng)選取，實(shí)際生產(chǎn)階段，一般選取為50 秒；對(duì)于自動(dòng)倒罐作業(yè)，則需要考慮井罐噴煤閥門(mén)的自動(dòng)化順序工作，一般在下一個(gè)動(dòng)作命令發(fā)出之前，上一個(gè)閥門(mén)需要進(jìn)那個(gè)開(kāi)關(guān)到位工作，順序控制特征也是軟件設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的，為此，需要采取SFC 模式進(jìn)行編程處理，軟件程序則設(shè)置在0B35 內(nèi)。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)采取的人機(jī)界面主要為WinCC 軟件開(kāi)發(fā)，該應(yīng)用軟件能夠進(jìn)行不同工業(yè)化圖形的展示、數(shù)據(jù)信息的存檔和相關(guān)報(bào)表等功能的提供，過(guò)程耦合、畫(huà)面更新及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等具備高效穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。人機(jī)界面主要具備動(dòng)態(tài)工藝流程圖、工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)截面、控制查詢(xún)子圖、報(bào)警歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析圖、自動(dòng)倒罐聯(lián)鎖控制圖等，人機(jī)界面具備較明顯的簡(jiǎn)潔、方便等特性。

4 結(jié)語(yǔ)

高爐噴煤自動(dòng)控制系統(tǒng)投入使用后，能夠在有效降低高爐入爐焦比的同時(shí)，不僅提升了工藝操作的自動(dòng)化程度，而且能夠在不同工藝環(huán)節(jié)減少人工操作失誤率，該控制系統(tǒng)的長(zhǎng)周期使用經(jīng)驗(yàn)表明，高爐噴煤工藝流程運(yùn)行較為穩(wěn)定，極少出現(xiàn)故障引發(fā)的中斷現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)滿負(fù)荷、高效的生產(chǎn)，基于西門(mén)子PCS7 的控制系統(tǒng)值得在同類(lèi)型鋼鐵企業(yè)中推廣應(yīng)用，從而促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。