高爐出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)探討

王宏偉

（山鋼集團(tuán)萊蕪分公司煉鐵廠，山東 濟(jì)南 271104）

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2020 年度我國(guó)的生鐵總產(chǎn)量達(dá)到88 752.4 萬t，同比增長(zhǎng)4.3%，在產(chǎn)量增長(zhǎng)的同時(shí)，煉鐵高爐也逐步向大型化方向發(fā)展。而對(duì)于大型煉鐵高爐來說，在出鐵與出渣過程中，鐵水流槽與鐵水罐表面散發(fā)大量煙塵，每噸鐵水約產(chǎn)生400～700 g煙塵，煙氣含塵質(zhì)量濃度在150～1 500 mg/m3之間，每噸鐵水中的w（SiO2）約為0.8%～1.2%，CO 含量為0.7～1.15 kg，這些煙塵不僅給周邊環(huán)境造成污染，而且也給高爐煉鐵設(shè)備、儀表等設(shè)施的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響[1]。因此，為了積極響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排”的號(hào)召，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)不斷對(duì)出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，旨在最大限度地降低煙塵排放量，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙豐收的美好愿景。

1 出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件配置

以國(guó)內(nèi)某煉鐵廠的3 號(hào)高爐除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的硬件配置情況進(jìn)行詳細(xì)說明。該控制系統(tǒng)主控室內(nèi)的西門子主站由以下硬件設(shè)施組成：PLC 可編程邏輯控制器、CPU 為317-2PN/DP、網(wǎng)卡為CP343-1、模擬量模塊為A18×16、數(shù)字量輸入輸出模塊為DIO16。除塵現(xiàn)場(chǎng)所采用的是吉諾的現(xiàn)場(chǎng)總線，其組成結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)關(guān)、DI、DO、AI 以及AO 模塊。其中，DI 即數(shù)字量輸入模塊，主要負(fù)責(zé)接收來自于各個(gè)閥門的開關(guān)位信號(hào)與設(shè)備的操作信號(hào)，并且只有0 和1 兩種輸入狀態(tài)。DO 即數(shù)字量輸出模塊，主要根據(jù)已經(jīng)采集的數(shù)字信號(hào)，專門來控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的各種動(dòng)作，或者直接驅(qū)動(dòng)外部的一些常用設(shè)備，比如設(shè)備啟動(dòng)、設(shè)備停止、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、變頻器啟停等。AI即模擬量輸入模塊，與數(shù)字量輸入模塊不同的是，該模塊會(huì)根據(jù)電流的大小，顯示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、振幅等參數(shù)的具體數(shù)值，其中4 輸入代表4 個(gè)通道，8 輸入則代表8 個(gè)通道。AO 即模擬量輸出模塊，主要用于風(fēng)門等調(diào)節(jié)閥輸出控制與管理。進(jìn)入21 世紀(jì)以后，PLC 技術(shù)日漸成熟，并且在主爐出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果也逐步突顯出來，在以PLC 為核心的運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)中，各個(gè)功能模塊能夠保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)除塵設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 除塵設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置

該煉鐵廠高爐出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置采用了PROFINET 工業(yè)通信協(xié)議。與其他協(xié)議相比，該協(xié)議主要具有以下特征：

1）系統(tǒng)運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間在進(jìn)行交換時(shí)，可通過該協(xié)議完成快速交換過程。如設(shè)備在運(yùn)行期間出現(xiàn)故障，會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，在這種情況下，利用PROFINET 工業(yè)通信協(xié)議，能夠讀取大量的故障診斷數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速確定故障的具體部位。

2）高傳輸速率給數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理節(jié)省了大量時(shí)間，與過去傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，利用該協(xié)議使其傳輸速率提升數(shù)十倍，且具有良好的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，也不會(huì)給I/O 數(shù)據(jù)的傳輸帶來絲毫影響。

3 出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件配置

3.1 人機(jī)交互界面

出于對(duì)畫面簡(jiǎn)潔、操作便捷的考慮，該控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面所應(yīng)用的軟件為WINCC7.4，相比于其他軟件，該軟件具有強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口，其中包括OLE 接口、Active X 接口以及OPC 接口。編程語言主要使用ANSI C 語言以及Visual Basic 語言，從技術(shù)層面看，ANSI C 語言屬于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制定的一種C 語言標(biāo)準(zhǔn)。而Visual Basic 語言則是Microsoft 公司開發(fā)的一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語言，其中，Visual 主要是指開發(fā)圖形用戶界面的方法，這種方法無需編寫大量的代碼，便可以準(zhǔn)確描述出界面元素的外觀與位置，因此，該腳本語言屬于一種結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)語言，且具有更好的通用性。在應(yīng)用這兩種語言編寫軟件程序時(shí)，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的組態(tài)工作，尤其在系統(tǒng)調(diào)試階段，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)程序進(jìn)行在線修改，這就使程序設(shè)計(jì)效率大幅提升。此外，WINCC7.4 軟件提供的人機(jī)交互界面，不僅能夠清晰直觀地觀察到每一個(gè)具體的操作項(xiàng)，而且在操作過程中不會(huì)出任何冗余的操作步驟，這就給系統(tǒng)終端操作人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的操作平臺(tái)。

比如在對(duì)除塵裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，系統(tǒng)反饋的信息可以直接生成曲線圖，終端操作人員只需要借助于人機(jī)交互界面，便可以及時(shí)了解到設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)信息，如果發(fā)現(xiàn)曲線圖存在異常情況，操作人員可以隨時(shí)啟動(dòng)預(yù)警裝置，進(jìn)而快速發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以此能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備故障的排除工作，這不僅給故障排除和設(shè)備檢修爭(zhēng)取了大量時(shí)間，而且也能夠確保除塵裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 除塵系統(tǒng)自動(dòng)化控制程序

該煉鐵廠的3 號(hào)高爐除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序主要采用梯形圖進(jìn)行編寫。這種編寫方法易于操作和掌握，并且程序執(zhí)行效果也較為明顯。結(jié)合高爐出鐵場(chǎng)的除塵需要，該系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程序主要包括高壓變頻控制程序、反吹控制程序、卸灰控制程序以及氣力輸送控制程序。

3.2.1 高壓變頻控制程序

為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，避免煉鐵煙塵給周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，該系統(tǒng)軟件控制程序中的高壓變頻控制程序主要包括自動(dòng)控制、手動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁控制[2]。顧名思義，自動(dòng)控制主要是利用系統(tǒng)中的PLC對(duì)除塵設(shè)備的煙塵吸附能力進(jìn)行智能化控制，當(dāng)排放出的煙塵量較小時(shí)，可以降低設(shè)備的運(yùn)行頻率，這樣可以節(jié)省大量的電力能源，當(dāng)排放出的煙塵量較大時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行頻率將自動(dòng)提高，這時(shí)，能夠?qū)焿m量進(jìn)行有效控制。手動(dòng)控制則是終端操作人員通過人機(jī)操作界面直接輸入設(shè)備的運(yùn)行頻率，如果需要下載硬件時(shí)，變頻控制程序?qū)⒆詣?dòng)切換至機(jī)旁控制程序。這時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以直接對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，進(jìn)而將煙塵量控制在一個(gè)合理的區(qū)間范圍之內(nèi)。

3.2.2 反吹控制程序

反吹控制程序啟動(dòng)后，煉鐵過程中產(chǎn)生的煙塵將由除塵器下部進(jìn)氣口進(jìn)入到除塵器內(nèi)部，經(jīng)過除塵器的過濾處理，一些大顆粒煙塵將下沉到除塵器底部，而小顆粒煙塵將直接被吸附到濾袋表面，然后由排氣室直接排出。反吹控制程序一般包括自動(dòng)反吹與手動(dòng)反吹兩種方式，由于濾袋在吸附煙塵顆粒時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力差，當(dāng)壓力差達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的限值以后，自動(dòng)反吹程序?qū)⒆孕虚_啟。如果壓力差未達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的限值，那么操作人員完全可以采取手動(dòng)操作的方式，對(duì)煉鐵煙塵進(jìn)行處理。為了避免出現(xiàn)噴吹壓力不足的情況，噴吹管打開的時(shí)間間隔應(yīng)當(dāng)盡量延長(zhǎng)，這樣能夠達(dá)到較好的煙塵吸附效果。

3.2.3 卸灰與氣力輸送控制程序

當(dāng)開啟卸灰程序后，系統(tǒng)中的刮板機(jī)、上卸灰閥、下卸灰閥將依次開啟，如果上下兩個(gè)卸灰閥的開啟次數(shù)達(dá)到限值，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入到下一階段的卸灰程序，直至各倉(cāng)室沒有多余的灰渣為止。而氣力輸送控制程序則分為待氣階段、進(jìn)料階段、進(jìn)氣階段以及輸送階段。在待氣階段，系統(tǒng)所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；在進(jìn)料階段，平衡閥與進(jìn)料閥將自動(dòng)開啟，如果倉(cāng)泵料滿信號(hào)出現(xiàn)以后，則表示進(jìn)料結(jié)束；在輸送階段，將依次開啟進(jìn)氣閥與出料閥，直至輸灰過程結(jié)束。

4 結(jié)語

通過對(duì)煉鐵廠高爐出鐵場(chǎng)除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平將直接決定煉鐵煙塵的排放效果，因此，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷對(duì)自動(dòng)化除塵系統(tǒng)性能予以優(yōu)化和改進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”目標(biāo)的同時(shí)，為企業(yè)贏得更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。