基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈國(guó)華

（國(guó)能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

在煤氣化生產(chǎn)過(guò)程中，鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，可滿足氣化爐生產(chǎn)工藝過(guò)程控制的要求，使化工生產(chǎn)更安全、可靠，有效防止人工操作出現(xiàn)生產(chǎn)錯(cuò)誤[1]。但大多數(shù)煤化工生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)都存在很多問(wèn)題，如檢測(cè)的真實(shí)性、顯示的準(zhǔn)確性、調(diào)節(jié)的及時(shí)性較差，邏輯控制時(shí)間較長(zhǎng)，鎖斗出現(xiàn)堵渣、泄壓慢、充壓慢、無(wú)法自動(dòng)排渣、積渣嚴(yán)重等，若不能及時(shí)解決這些生產(chǎn)控制問(wèn)題，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，我國(guó)在有關(guān)工業(yè)控制系統(tǒng)方面的技術(shù)正以較快的速度發(fā)展，但其整體自動(dòng)化水平還是不能和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，普遍停留在單機(jī)自動(dòng)化水平?；跁r(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)能夠根據(jù)化工生產(chǎn)單位的具體要求按需生產(chǎn)、調(diào)節(jié)，采用工控機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)，能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性，且操作比較簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了勞動(dòng)力，減少了系統(tǒng)故障的發(fā)生。因此，本文設(shè)計(jì)了基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)[2-3]進(jìn)行了邏輯控制時(shí)間對(duì)比，在神華包頭煤化工有限責(zé)任公司的德士古氣化爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)介紹如下。

1 基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、采集器、處理器、控制器等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 單片機(jī)

基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的單片機(jī)采用TI 公司生產(chǎn)的16 位系列單片機(jī)，該單片機(jī)的第一系列最開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在LED 顯示方面，此系統(tǒng)采用的單片機(jī)為第二系列，該系列單片機(jī)目前在化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

單片機(jī)的核心芯片為T(mén)MS230，采用了TI 公司的低功耗技術(shù)，其工作電壓控制在1.8 V～3.3 V，電流控制在0.1 A～2.8 A，具有4 種低功耗工作模式，每種工作模式對(duì)應(yīng)邏輯控制系統(tǒng)中的鎖斗泄壓、鎖斗沖洗、鎖斗排渣、鎖斗積渣環(huán)節(jié)，該單片機(jī)可以在4 種模式之間自由切換，以配合工人的操作。該單片機(jī)集成度較高，具有8 位A/D 轉(zhuǎn)換、多個(gè)定時(shí)器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、精密定時(shí)器、振蕩器，除此之外還有大量I/O 端口，方便精密比較器與之連接，可以基本滿足鎖斗充壓的應(yīng)用需要，與此同時(shí)，該單片機(jī)能夠提供2 種晶振方案、4 種時(shí)鐘輸入方式、8 MHz 高頻晶振，大量的I/O 端口能有效控制電平，片內(nèi)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)大量的鎖斗泄壓與充壓數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)保存[4-5]。

1.2 采集器

基于時(shí)間序列的邏輯控制系統(tǒng)的采集器包含CPU 模塊、RS232 通信模塊、報(bào)警模塊。CPU 模塊是采集器的核心，芯片采用三星公司生產(chǎn)的SDM43GI04C7T2，其工作頻率最高可達(dá)144 MHz，在CPU 內(nèi)部集成了40 kB的SRAM，并設(shè)置了128 kB 的大容量高速存儲(chǔ)器系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)鎖斗閥門(mén)的系統(tǒng)代碼[6-7]。鎖斗在泄壓后再進(jìn)行充壓操作，充壓完成后，氣化爐和鎖斗相通，氣化爐內(nèi)的原料經(jīng)過(guò)燃燒后產(chǎn)生粗渣，這些粗渣排至鎖斗內(nèi)形成鎖斗積渣，鎖斗的積渣數(shù)據(jù)將通過(guò)I/O 端口發(fā)送出去，信號(hào)電平為RS232。在采集器中，采用了集成度較高的全雙工串行接口，通過(guò)該接口可以傳輸由采集器采集到的鎖斗充壓數(shù)值、鎖斗閥門(mén)型號(hào)，當(dāng)鎖斗積渣數(shù)據(jù)異常、鎖斗排渣出現(xiàn)問(wèn)題、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)超容量以及工人操作不規(guī)范時(shí)，采集器的報(bào)警模塊將完成報(bào)警功能[8-9]。

1.3 處理器

邏輯控制系統(tǒng)的處理器芯片選擇三星公司生產(chǎn)的ST4220A 系列芯片。該芯片具有16 位的RISC 以及標(biāo)準(zhǔn)的宏單元結(jié)構(gòu)，其功耗較低、集成度較高、數(shù)據(jù)處理性能較好、體積較小，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可采用片上調(diào)試技術(shù)協(xié)同處理器處理鎖斗積渣和鎖斗排渣數(shù)據(jù)。

處理器的主頻為350 MHz，在正常工作時(shí)主頻最高可達(dá)580 MHz，工作電壓控制在1.8 V～3.3 V，采用1.8 V 內(nèi)核進(jìn)行供電，由于氣化爐在鎖斗充壓和泄壓時(shí)所需要的功耗較低，所以該處理器可以在較低的功耗下工作。處理器采用了AMBA 總線結(jié)構(gòu)，能夠高效處理海量數(shù)據(jù)并進(jìn)行緩存，采用的AMBA 總線結(jié)構(gòu)具有32 kB 指令和32 kB 數(shù)據(jù)緩存，具有8 個(gè)字長(zhǎng)的行[10-12]。此外，該處理器還具有豐富的外設(shè)接口和連接通道，通道上具有較多的外部請(qǐng)求引腳，通道外部設(shè)有程序編碼接口以及USB 設(shè)備，通道內(nèi)部設(shè)置了內(nèi)部定時(shí)器和8 位觸摸屏接口[13]。處理器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。該處理器內(nèi)部設(shè)有LCD 控制器，可與MMC 卡協(xié)議兼容，具有4 個(gè)解碼器接口、40 個(gè)中斷源和時(shí)鐘發(fā)生器，采用普通、空閑及掉電3 種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理器的外圍電路電壓為6.0 V，其中3.3 V 電壓供給處理器，2.4 V 電壓供給處理器的芯片以及外部I/O 接口，剩下的電壓供給處理器的內(nèi)核和核心板。

圖2 處理器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 控制器

邏輯控制系統(tǒng)的控制器采用TI 公司生產(chǎn)的SI700G，該款控制器是一種全能綜合性的控制器，可支持現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，具有較好的靈活性和擴(kuò)展性。德士古氣化爐工藝生產(chǎn)裝置較大，該款控制器可以對(duì)其進(jìn)行較快的控制，可以連接常規(guī)的I/O 接口，也可以連接其他總線設(shè)備，具有較好的順序控制能力和回路調(diào)節(jié)能力。該控制器的CPU 通常配置為冗余系統(tǒng)，為I/O接口與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互相連接提供連接接口。設(shè)計(jì)的控制器有3 個(gè)，分別對(duì)3 臺(tái)德士古氣化爐進(jìn)行控制。

控制器包括電源電路、以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，內(nèi)部設(shè)有小型存儲(chǔ)器，控制器控制的系統(tǒng)環(huán)境溫度設(shè)定在0～70 ℃，生產(chǎn)控制過(guò)程中不需要風(fēng)扇，控制器內(nèi)部的器件溫度設(shè)定在0～50 ℃，若溫度出現(xiàn)異常，會(huì)由控制器的CPU 進(jìn)行預(yù)警。控制器采用分布式的I/O 接口，為方便與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備連接，需要I/O 接口具有較好的靈活性和可靠性，并且能夠支持電源冗余?？刂破鞯腃PU 具有以太網(wǎng)協(xié)處理功能，可以在控制器的槽位安裝以太網(wǎng)通訊器件，這樣可以方便與操作工人進(jìn)行通信，以實(shí)時(shí)控制德士古氣化爐的工作狀態(tài)[14]。

2 基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

德士古氣化爐設(shè)備能夠產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，采用的氣化爐爐型為兩相并流氣化，將氧氣和水煤漿放入工藝燒嘴設(shè)備內(nèi)，經(jīng)過(guò)處理后噴入氣化爐中，在氣化爐中發(fā)生不完全氧化作用，從而產(chǎn)生水煤氣。

將煤灰反應(yīng)溫度控制在1400 ℃～1500 ℃，以保證各種煤灰都可以進(jìn)行氣化反應(yīng)；氣化壓力控制在7.5 MPa 左右，這樣可以使氣化反應(yīng)更徹底，并能有效提升氣化反應(yīng)的速度，水、煤、氧氣經(jīng)過(guò)氣化反應(yīng)后，煤塊會(huì)轉(zhuǎn)化成煤粒，由于高溫作用，煤粒只能在氣化爐內(nèi)停留1 s。在德士古氣化爐工藝生產(chǎn)過(guò)程中，氣化爐內(nèi)不斷發(fā)生著氣化反應(yīng)，并產(chǎn)生較多的粗渣，在德士古氣化爐設(shè)備中專門(mén)設(shè)置了一種裝置用來(lái)積渣，該裝置被稱為鎖斗積渣排渣裝置，用來(lái)積渣排渣的設(shè)備稱為鎖斗。在鎖斗排渣過(guò)程中，先進(jìn)行30 min 積渣，再進(jìn)行排渣，然后再進(jìn)行積渣，排渣積渣循環(huán)往復(fù)，使德士古氣化爐中多余的粗渣排出。

基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件流程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件流程示意圖

首先將德士古氣化爐內(nèi)的粗渣放入鎖斗中。由于氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)在不斷發(fā)生，因此會(huì)不斷產(chǎn)生粗渣，當(dāng)氣化反應(yīng)進(jìn)行30 min 后，將氣化爐中的所有粗渣統(tǒng)一收集起來(lái)并全部放入鎖斗中，關(guān)閉鎖斗入口閥門(mén)。然后打開(kāi)鎖斗泄壓閥進(jìn)行鎖斗泄壓，當(dāng)鎖斗內(nèi)的壓力小于0.18 MPa 后，關(guān)閉鎖斗泄壓閥，接著進(jìn)行鎖斗沖洗，在沖洗之前，打開(kāi)鎖斗沖洗入口閥門(mén)和鎖斗出口閥門(mén)，然后對(duì)鎖斗內(nèi)的剩余粗渣進(jìn)行沖洗，將剩余粗渣沖到渣池內(nèi)，待鎖斗內(nèi)沒(méi)有粗渣并沖洗干凈后，關(guān)閉鎖斗出口閥門(mén)和鎖斗內(nèi)的沖洗閥門(mén)。最后進(jìn)行鎖斗充壓，充壓之前打開(kāi)鎖斗充壓閥門(mén)，然后將鎖斗充壓到能夠發(fā)生氣化反應(yīng)的壓力，充壓完成后，將鎖斗充壓閥門(mén)關(guān)閉，再將鎖斗入口閥門(mén)打開(kāi)，這時(shí)完成了鎖斗排渣，之后鎖斗會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)積渣排渣過(guò)程。正常需要積渣30 min，然后進(jìn)行一次排渣，積渣排渣循環(huán)往復(fù)。需要注意的是，在鎖斗排渣時(shí)，鎖斗內(nèi)循環(huán)泵需要進(jìn)行自身循環(huán)，在發(fā)生氣化反應(yīng)時(shí)，激冷室底部可能會(huì)由于氣化反應(yīng)不完全而留下少量煤渣，這些煤渣通過(guò)激冷室底部的入口閥門(mén)留在鎖斗內(nèi)，為提高粗渣的收集率，采用鎖斗循環(huán)泵抽出鎖斗內(nèi)的廢水，對(duì)鎖斗充壓后再將廢水倒入氣化爐激冷室，加壓后的黑水被稱作鎖斗循環(huán)水。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的有效性，將其與文獻(xiàn)[2]中的底板錨固孔深孔強(qiáng)力排渣系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]中的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹供氣強(qiáng)度控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制時(shí)間的對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 邏輯控制時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，基于時(shí)間序列的系統(tǒng)的邏輯控制時(shí)間僅需3 s～4 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)的登錄情況，鎖斗泄壓、排渣、沖洗、充壓、積渣環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：首先登錄邏輯控制系統(tǒng)，之后進(jìn)行鎖斗順控排渣。在鎖斗順控排渣前，需要把閥門(mén)調(diào)節(jié)成順控狀態(tài)，進(jìn)行初始化操作后，程序會(huì)自動(dòng)執(zhí)行打開(kāi)動(dòng)作；再將鎖斗順控恢復(fù)初始化狀態(tài)，系統(tǒng)程序自動(dòng)完成鎖斗沖洗；鎖斗泄壓和鎖斗沖洗操作完成后，控制系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行鎖斗排渣，在鎖斗沖洗水罐內(nèi)，水位達(dá)到6.0 m時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)整為順控狀態(tài)，根據(jù)軟件程序，出口閥門(mén)自動(dòng)執(zhí)行打開(kāi)程序，等鎖斗沖洗水罐的水位變化到1.8 m 時(shí)，程序關(guān)閉，鎖斗排渣順利完成，依次執(zhí)行其他相關(guān)程序。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的可行性，且與其他鎖斗順控積渣排渣控制系統(tǒng)相比，可靠性更高，操作簡(jiǎn)單。

4 結(jié)論

基于時(shí)間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)利用單片機(jī)存儲(chǔ)鎖斗泄壓與充壓數(shù)據(jù)，通過(guò)采集器傳輸存儲(chǔ)和保存的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)啟動(dòng)報(bào)警功能，可以確保生產(chǎn)安全，選擇低功耗處理器和綜合性控制器提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低邏輯控制時(shí)間。通過(guò)在神華包頭煤化工有限責(zé)任公司的德士古氣化爐上進(jìn)行的測(cè)試可知，其邏輯控制時(shí)間僅需3 s～4 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的邏輯控制時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。