高爐環(huán)保型渣處理PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫 虎

（中冶南方工程技術(shù)有限公司智能制造事業(yè)部，湖北 武漢 430223）

環(huán)保型渣處理系統(tǒng)是一種先進的爐渣處理技術(shù)，其技術(shù)成熟，具有連續(xù)沖渣、水渣質(zhì)量高和環(huán)境條件好等優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到較快推廣。目前國內(nèi)外有很多鋼鐵企業(yè)采用該技術(shù)處理高爐爐渣。以國內(nèi)某高爐環(huán)保型渣處理系統(tǒng)為例，本文對該套渣處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了全面的分析論述。

1 工藝流程

環(huán)保渣處理的工藝流程：高爐爐渣經(jīng)渣溝送入?；?，?；弁鈧?cè)的粒化箱噴射冷卻水快速冷卻水淬爐渣，并使之跌落入粒化槽的水中進一步冷卻，渣水混合物沿渣水管溝進入脫水轉(zhuǎn)鼓的分配器，并被裝有篩板的脫水器旋轉(zhuǎn)提升過濾。當轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)到最高點時，水渣落入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的皮帶運輸機上，再轉(zhuǎn)運到水渣倉，汽車外運；濾過的水被收集到熱水槽中[1]。

爐渣?；^程中產(chǎn)生的蒸汽進入粒化槽上部的冷凝塔中，內(nèi)設(shè)冷凝噴嘴噴水冷凝蒸汽，冷凝水經(jīng)接水盤后收集入熱水槽；冷凝水和熱水槽中的水合并后，再由冷卻回水泵將混合后的水送入冷卻塔循環(huán)使用。熱水槽中的粉渣由循環(huán)泵抽出送入脫水器再過濾，防止水渣粉粒在熱水槽中沉積。

由于采用封閉的冷凝塔對?；a(chǎn)生的蒸汽進行噴水冷卻，裝置基本無蒸汽和其他有害氣體排入大氣中；沖渣水循環(huán)使用，補充設(shè)置集水槽，收集熱水槽等處的溢流水，生產(chǎn)過程無污水排出，有利于環(huán)境保護。

整個環(huán)保型渣處理系統(tǒng)工藝流程可以分為兩個子流程：水渣從轉(zhuǎn)鼓分離落入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)皮帶上之前的流程稱為渣制備流程；水渣落入皮帶然后轉(zhuǎn)運至渣倉的流程稱為渣儲運流程。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件設(shè)計與實現(xiàn)、軟件設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 硬件配置設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件配置主要工控機、PLC、交換機等。工控機與PLC系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)通訊方式進行數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計采用兩套控制系統(tǒng)分別對兩套渣處理系統(tǒng)進行控制，兩套系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)通訊進行數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC采用西門子公司的S7-400系列CPU以及S7-300系列的IO模塊。西門子S7-400 PLC有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量。S7-400 PLC采用模塊化無風扇的設(shè)計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或升級時，只要適當?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要[2-3]。

PLC硬件配置：PLC部分包括CPU單元、電源模塊、IO模塊等，配置表如下頁表1所示。

表1 PLC硬件配置表

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括人機界面設(shè)計和程序設(shè)計。人機界面軟件采用Siemens WINCC 7.3軟件制作，編程軟件采用Siemens step7 V5.6軟件對PLC進行編程和組態(tài)。Step7中提供了功能模塊圖、梯形圖、指令表和順序功能圖等圖形化組態(tài)手段，使編程調(diào)試的過程變得更加簡單[4]。工控機操作系統(tǒng)采用Windows7操作系統(tǒng)，WINCC和Step7都是在Windows操作系統(tǒng)平臺上工作。

2.2.1 程序設(shè)計

程序設(shè)計分為單體設(shè)備程序設(shè)計和流程邏輯控制設(shè)計。

渣處理的設(shè)備主要包括轉(zhuǎn)鼓、泵、閥、皮帶等，設(shè)備類別少，同類設(shè)備數(shù)量多。針對這一特點，可以采用模塊化設(shè)計。對于電氣功能相似的設(shè)備，比如泵類，設(shè)計統(tǒng)一的公共模塊，所有泵類都可以調(diào)用該模塊。簡化了程序設(shè)計過程，使設(shè)計思路更加清洗明了，對于程序的修改、調(diào)試和維護都更加方便。這部分主要是單體設(shè)備的程序設(shè)計，可以用Step7中的FB功能塊編寫單體設(shè)備程序模塊，方便反復(fù)調(diào)用[5]。

另外，根據(jù)渣處理系統(tǒng)的運行特點，整個系統(tǒng)分為兩個子流程：渣制備系統(tǒng)流程和渣儲運系統(tǒng)流程。

渣制備系統(tǒng)流程啟動流程依次為：啟動轉(zhuǎn)鼓—粒化泵—回水泵—冷凝泵—內(nèi)循環(huán)泵—冷卻塔風機—啟動完畢。

渣制備系統(tǒng)流程停止流程依次為：停止?；谩厮谩淠谩獌?nèi)循環(huán)泵—冷卻塔風機—轉(zhuǎn)鼓—停止完畢。

渣儲運系統(tǒng)流程啟動流程依次為：啟動Z03皮帶—Z02皮帶—Z01皮帶—啟動完畢。

渣儲運系統(tǒng)流程停止流程依次為：停止Z01皮帶—Z02皮帶—Z03皮帶—停止完畢。

2.2.2 人機界面設(shè)計

人機界面的設(shè)計包括工藝流程畫面、控制面板畫面、歷史趨勢畫面、報警畫面。

工藝流程畫面包括整個渣處理工藝流程概貌，直觀顯示各種數(shù)據(jù)及信號信息。它將復(fù)雜工藝流程變?yōu)橐粋€人機交互的總界面。

單體設(shè)備控制面板，實現(xiàn)對單體設(shè)備的控制功能。控制面板也是模塊化設(shè)計，同類設(shè)備使用同一控制面板，可反復(fù)調(diào)用，方便修改和調(diào)試。

歷史趨勢畫面：為了保證生產(chǎn)過程的順利進行，并以高生產(chǎn)率、小事故率生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，在任何時刻都能準確地了解工藝過程的全貌是十分必要的。測量值趨勢曲線正是了解和控制工業(yè)生產(chǎn)的基本手段。本系統(tǒng)主要記錄了轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、泵出水壓力、流量、水池液位、水溫等等參數(shù)的數(shù)據(jù)，繪制了相應(yīng)的歷史趨勢曲線。

人機界面中設(shè)計了功能完善的故障報警畫面，在生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)了某些故障，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號的畫面，并且輸出聲音報警。操作人員發(fā)現(xiàn)報警信號后，可以在人機界面上查看報警信息，并且可以通過故障處理界面查看該故障的相應(yīng)處理措施。有些故障通過人機界面可以直接處理，有些故障需要到現(xiàn)場處理，針對所有故障報警都提供了完善的故障處理方案，使故障處理更加準確、高效。

3 控制功能實現(xiàn)

整個渣處理系統(tǒng)的控制方式分：集中自動、集中手動和機旁手動三種操作方式。

機旁操作：各個設(shè)備在機旁操作箱上無聯(lián)鎖操作，主要用于設(shè)備安裝、檢修和調(diào)試。機旁箱上的操作不進PLC控制。

在每臺設(shè)備的機旁操作箱上都有機旁與集中的選擇開關(guān)。當選擇機旁操作時，通過機旁操作箱按鈕可啟停設(shè)備；選擇集中操作時，HMI上有集中手動和自動的選擇來決定集中的操作方式。

集中手動：各個設(shè)備在畫面上進行手動操作，保留有基本的聯(lián)鎖關(guān)系。

集中自動：由本機按照預(yù)先設(shè)定的程序進行自動控制。

系統(tǒng)設(shè)備處于集中自動狀態(tài)下，渣處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)一鍵啟停?！耙绘I啟?！卑▋刹糠郑涸苽湎到y(tǒng)和渣儲運系統(tǒng)。

對于渣制備系統(tǒng)，點擊“一鍵啟動聯(lián)鎖”按鈕，按鈕變?yōu)榫G色，如果各設(shè)備滿足啟動條件，則“可以啟動系統(tǒng)”按鈕前面的方框變?yōu)榫G色。點擊“啟動”按鈕，則各設(shè)備按照順序依次啟動，設(shè)備啟動過程中，啟動按鈕前的方框處于綠閃狀態(tài)，直至應(yīng)該啟動的所有設(shè)備啟動。系統(tǒng)運行起來后，“渣制備系統(tǒng)運行”前的方框變?yōu)榫G色。點擊“停止”按鈕，則各設(shè)備按照順序依次停止，停止按鈕前的方框處于藍閃狀態(tài)，直至所有設(shè)備停止。

對于渣運輸系統(tǒng)，點擊“一鍵啟動聯(lián)鎖”按鈕，按鈕變?yōu)榫G色，如果各設(shè)備滿足啟動條件，則“可以啟動系統(tǒng)”按鈕前面的方框變?yōu)榫G色。點擊“啟動”按鈕，則各設(shè)備按照順序依次啟動，設(shè)備啟動過程中，啟動按鈕前的方框處于綠閃狀態(tài)，直至應(yīng)該啟動的所有設(shè)備啟動。系統(tǒng)運行起來后，“渣制備系統(tǒng)運行”前的方框變?yōu)榫G色。點擊“停止”按鈕，則各設(shè)備按照順序依次停止，停止按鈕前的方框處于藍閃狀態(tài)，直至所有設(shè)備停止。

4 結(jié)論

本文針對環(huán)保型渣處理系統(tǒng)，設(shè)計了基于Siemens Simatic S7-400 PLC的控制系統(tǒng)，介紹了該控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制功能，實現(xiàn)了渣處理系統(tǒng)的自動控制，提高了工作效率，減少了故障率。并建立了完善的故障處理機制，是故障處理更加準確及時。操作簡單，極大地降低了運營成本。經(jīng)過幾年的運行測試，該系統(tǒng)控制效果良好，達到了預(yù)期設(shè)計要求，很值得進一步運用和推廣。