基于PLC的銅冶煉陽極爐煙氣冷卻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯曉勇， 許名熠， 楊永波

(1.北京中大萬聯(lián)科技有限公司， 北京 100085； 2.中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

列管式煙氣冷卻器是在管外用空氣冷卻流經(jīng)管內(nèi)的流體的換熱設(shè)備?？绽淦髟诤艽蟪潭壬辖鉀Q了由于工業(yè)迅速發(fā)展使工業(yè)用水大幅度增加而出現(xiàn)的供水不足的問題，同時(shí)還減少了工業(yè)地區(qū)水的污染，因此得到了廣泛應(yīng)用。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)及要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)

1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

煙氣冷卻器自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由出口溫度控制系統(tǒng)、灰斗料位報(bào)警及振動(dòng)卸灰控制系統(tǒng)組成。銅冶煉陽極爐運(yùn)行一個(gè)循環(huán)周期會(huì)經(jīng)過加料期、氧化期、倒渣期、還原期、澆注期、保溫期六個(gè)階段，每個(gè)階段的煙氣量、煙氣溫度不同，即煙氣的熱容量不同，且煙氣冷卻器布置在室外，還會(huì)受到外部環(huán)境(溫度、風(fēng)、雨、雪等)的影響，煙氣出口溫度不可避免的會(huì)發(fā)生變化，出口溫度控制系統(tǒng)旨在控制出口溫度在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)(140～150 ℃)；灰斗料位報(bào)警及振動(dòng)卸灰控制系統(tǒng)旨在根據(jù)灰斗料位情況進(jìn)行反饋及卸料，以免堵塞煙氣流動(dòng)通道?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)

(1)對(duì)煙氣冷卻器煙氣出口溫度的控制。PLC對(duì)出口溫度進(jìn)行采集并與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，通過開啟冷卻裝置軸流風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)及變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣出口溫度進(jìn)行控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)對(duì)灰斗料位高低的控制與報(bào)警。阻選料位計(jì)作為料位傳感器，當(dāng)灰斗料位到達(dá)料位計(jì)的設(shè)定處高度時(shí)，料位計(jì)給出反饋信號(hào)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)開啟倉壁振動(dòng)器與卸灰閥進(jìn)行卸灰。

(3)對(duì)重要數(shù)據(jù)指標(biāo)(入口溫度、出口溫度)具有歷史數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警的功能。觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄，報(bào)警功能通過觸摸屏的組態(tài)實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程。

(4)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本地或遠(yuǎn)程DCS(Distributed Control System)控制切換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程控制器(PLC)及觸摸屏(HMI)

根據(jù)控制系統(tǒng)需求，選擇德國(guó)西門子公司S7- 1200系列PLC(CPU1215C)，S7- 1200 系列是一款可編程邏輯控制器(PLC, Programmable Logic Controller)，可以控制各種自動(dòng)化應(yīng)用， S7- 1200設(shè)計(jì)緊湊、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些特點(diǎn)使它成為控制各種應(yīng)用的完美解決方案。CPU1215C實(shí)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算執(zhí)行速度2.3 μs/指令，布爾運(yùn)算執(zhí)行速度0.08 μs/指令，工作存儲(chǔ)器125 KB，集成2個(gè)以太網(wǎng)端口，支持 PROFINET通信。

德國(guó)西門子公司SIMATIC HMI 面板在各行業(yè)的大多數(shù)應(yīng)用中已脫穎而出，這些面板不僅具有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和卓越的性能，而且還可通過TIA博途中的 SIMATIC WinCC 進(jìn)行組態(tài)，工程組態(tài)效率高，大大縮短工程設(shè)計(jì)時(shí)間，方便系統(tǒng)調(diào)試。KTP900 Basic PN，TFT 真彩液晶屏，64k色，分辨率800×480，用戶內(nèi)存10 MB。

PLC與HMI之間采用PROFINET通信。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)

根據(jù)煙氣冷卻的換熱工藝計(jì)算，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向U型布置6臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，從入口至出口編號(hào)為NO.1～NO.6，其中NO.1由變頻器控制，其余風(fēng)機(jī)由接觸器直接驅(qū)動(dòng)。軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)：T35- 11N010#，葉片角度/數(shù)量：35°/4，風(fēng)量：48 350 m3/h，全壓：310 Pa，主軸轉(zhuǎn)速：960 r/min，配套電機(jī)功率：5.5 kW。此系列軸流風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)加單、效率高、振動(dòng)小、噪音低等特點(diǎn)。

2.3 變頻器

變頻器采用ABB公司ACS510系列，ACS510 傳動(dòng)應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，適用各類型負(fù)載，ACS510還針對(duì)風(fēng)機(jī)應(yīng)用做了特別的優(yōu)化，SPFC控制宏，本宏用于泵和風(fēng)機(jī)的循環(huán)軟起控制(SPFC)應(yīng)用。

2.4 溫度傳感器

溫度傳感器采用熱電阻，熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器，它是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。本文采用重慶川儀SBWZ系列鉑熱電阻Pt100，插入深度400 mm，保護(hù)管材質(zhì)316 L，套管材質(zhì)0Cr18Ni9Ti，4～20 mA兩線制輸出。

2.5 阻選料位計(jì)

阻旋料位計(jì)是利用永磁電機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)被檢測(cè)的物料上升至葉片位置時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，將該阻力傳給接線盒內(nèi)的檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置則向外輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，并切斷電源使葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)物料下降時(shí)，葉片阻力消失，檢測(cè)裝置便依靠彈簧的拉力恢復(fù)到原始狀態(tài)，針對(duì)不同比重的物料可調(diào)整彈簧的拉力，比重大時(shí)彈簧的拉力調(diào)整至最強(qiáng)，反之則調(diào)整至弱。阻旋料位計(jì)具有密封好、過載能力強(qiáng)、輕便易裝、輸出接點(diǎn)容量大等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)煙氣冷卻器自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制任務(wù)。

煙氣冷卻器控制系統(tǒng)采用西門子S7- 1200 PLC作為核心控制部件。PLC包含1個(gè)通信模塊、1個(gè)CPU模塊、3個(gè)DI16/DO16數(shù)字量輸入/輸出模塊、1個(gè)DI16數(shù)字量輸入模塊、1個(gè)AI4模擬量輸入模塊以及2個(gè)AQ4模擬量輸出模塊。

3.1.1 溫度控制程序設(shè)計(jì)

如圖2所示為風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制流程圖，該流程圖的主體思路是控制系統(tǒng)根據(jù)不同的煙氣出口溫度實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)，使得煙氣出口溫度控制在一個(gè)規(guī)定的區(qū)間內(nèi)。

圖2 風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制流程圖

煙氣冷卻器6臺(tái)風(fēng)機(jī)的布置方式是以煙氣的流動(dòng)路徑(U型路徑)來擺放，以煙氣入口到煙氣出口為擺放順序依次擺放第1#風(fēng)機(jī)至第6#風(fēng)機(jī)。第1#風(fēng)機(jī)由變頻器控制，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，從而風(fēng)量可調(diào)節(jié)，即可以對(duì)被控對(duì)象(煙氣溫度)實(shí)現(xiàn)微調(diào)控制。

將每臺(tái)風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)數(shù)字化，即以變量X表示，如圖2左上角框圖部分注釋。X取值只能為0、1、2、3、4、5、6，分別代表7種狀態(tài)。X=0，表示沒有風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；X=1，表示1#風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，2#～6#風(fēng)機(jī)關(guān)閉；X=2，表示1#風(fēng)機(jī)、2#風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，3#～6#風(fēng)機(jī)關(guān)閉；依次類推，X=6，表示所有風(fēng)機(jī)都啟動(dòng)。

在程序中將變量X的取值與控制的風(fēng)機(jī)開關(guān)一一對(duì)應(yīng)，因此只需對(duì)變量X賦予不同的值，便可改變風(fēng)機(jī)的開啟狀態(tài)。結(jié)合系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制要求，風(fēng)機(jī)的啟停是按順序依次進(jìn)行的，也即X的取值不能跳變，因此將變量設(shè)置為累加器的形式，累加數(shù)值設(shè)為1，即X的取值只能進(jìn)行加1或減1運(yùn)算，這樣就可實(shí)現(xiàn)X的取值不發(fā)生跳變。

如圖中所示，程序在運(yùn)行之前需進(jìn)行初始化，即對(duì)變量X賦予0值，同時(shí)對(duì)PLC輸送給變頻器的頻率賦予25 Hz(該值為PLC的最低輸出頻率，在觸摸屏上可修改)。初始化完成后，讀取煙氣出口實(shí)時(shí)溫度T，對(duì)T進(jìn)行區(qū)間判斷，將T的取值范圍分為T<140 ℃、140 ℃≤T≤150 ℃、T>150 ℃三個(gè)區(qū)間。下面將分別講述溫度T落入三個(gè)不同區(qū)間的程序執(zhí)行過程。

(1)T<140 ℃

當(dāng)程序檢測(cè)到煙氣出口溫度T<140 ℃時(shí)，對(duì)變量X的當(dāng)前值進(jìn)行讀取，將X的當(dāng)前值分為兩個(gè)區(qū)間，區(qū)間1：X=0，區(qū)間2：1≤X≤6。

當(dāng)X的值落入?yún)^(qū)間1時(shí)，再對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行判斷，若溫度T<138 ℃，則給噴霧冷卻器發(fā)送低溫報(bào)警信號(hào)，若138 ℃≤T<140 ℃，程序不做任何處理，處于等待狀態(tài)。

當(dāng)X的值落入?yún)^(qū)間2時(shí)，對(duì)變頻器當(dāng)前頻率進(jìn)行判斷，若為最低頻率25 Hz，則執(zhí)行X-1，即關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)，若不為最低頻率25 Hz，則變頻器在原頻率的基礎(chǔ)上以5 Hz/s的步長(zhǎng)進(jìn)行降頻(步長(zhǎng)可在觸摸屏上修改)。

(2)140 ℃≤T≤150 ℃

當(dāng)程序檢測(cè)到煙氣出口溫度在140 ℃≤T≤150 ℃范圍內(nèi)時(shí)，說明煙氣出口溫度在正常范圍內(nèi)，程序無需改變執(zhí)行動(dòng)作，即保持變量X的值不變即可。同時(shí)變頻器的頻率也保持不變。

(3)T>150 ℃

當(dāng)程序檢測(cè)到煙氣出口溫度T>150 ℃時(shí)，對(duì)變量X的當(dāng)前值進(jìn)行讀取，將X的當(dāng)前值分為三個(gè)區(qū)間，區(qū)間1：X=0，區(qū)間2：1≤X≤5，區(qū)間3：X=6。

當(dāng)X的值落入?yún)^(qū)間1時(shí)，執(zhí)行X+1運(yùn)算。

當(dāng)X的值落入?yún)^(qū)間2時(shí)，對(duì)變頻器當(dāng)前頻率進(jìn)行判斷，若為最高頻率50 Hz,則執(zhí)行X+1，即啟動(dòng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，若不為最高頻率50 Hz，則變頻器在原頻率的基礎(chǔ)上以5 Hz/s的步長(zhǎng)進(jìn)行升頻。

當(dāng)X的值落入?yún)^(qū)間3時(shí)，對(duì)變頻器當(dāng)前頻率進(jìn)行判斷，若為最高頻率50 Hz，再對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行判斷，若不為最高頻率50 Hz，則變頻器在原頻率的基礎(chǔ)上以5 Hz/s的步長(zhǎng)進(jìn)行升頻；若最高頻率為50 Hz且當(dāng)前溫度T>152 ℃，則給噴霧冷卻器發(fā)送高溫報(bào)警信號(hào)，若150 ℃

3.1.2 料位控制程序設(shè)計(jì)

當(dāng)灰斗料位到達(dá)料位計(jì)的設(shè)定處高度時(shí)，料位計(jì)給出反饋信號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)開啟倉壁振動(dòng)器與卸灰閥進(jìn)行卸灰。星型卸料器與倉壁振動(dòng)器還設(shè)置了手動(dòng)操作模式，啟動(dòng)與停止采用一個(gè)旋鈕控制。倉壁振動(dòng)器分為1#倉壁振動(dòng)器和2#倉壁振動(dòng)器，分別有各自對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)/停止按鈕。以1#倉壁振動(dòng)器為例說明手動(dòng)操控方式：按下1#倉壁振動(dòng)器啟動(dòng)按鈕，按下后不松手，1#倉壁振動(dòng)器開始運(yùn)行，當(dāng)需關(guān)閉1#倉壁振動(dòng)器時(shí)，松手按鈕即可關(guān)閉。2#倉壁振動(dòng)器的手動(dòng)操控方式與1#倉壁振動(dòng)器相同，不再贅述。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互采用觸摸屏的方式，觸摸屏主界面如圖3所示。主界面用于顯示煙氣冷卻器出口溫度，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以及煙氣冷卻器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息。

圖3 觸摸屏主界面

3.3 與DCS的通信設(shè)計(jì)

DCS系統(tǒng)可以通過DP通訊與煙氣冷卻器控制系統(tǒng)的CPU模塊DP接口進(jìn)行通訊。需要做下列操作：(1)DCS主站系統(tǒng)插入CM1242- 5PROFIBUS DP從站模塊對(duì)應(yīng)GSD文檔；(2)Profibus DP從站子站號(hào)出廠設(shè)定為22(十進(jìn)制)；(3)設(shè)置輸入輸出數(shù)據(jù)，通過GSD文檔導(dǎo)入設(shè)置1個(gè)8字(16字節(jié))輸入1個(gè)8字(16字節(jié))輸出。

PLC接收DCS發(fā)送的控制信號(hào)詳解如表1所示，DCS接收PLC發(fā)送的狀態(tài)信號(hào)詳解如表2所示。

表1 PLC接收DCS控制信號(hào)

表2 DCS接收PLC狀態(tài)信號(hào)

續(xù)表2

4 結(jié)語

文中介紹了煙氣冷卻器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用PLC、觸摸屏及DCS聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)就地與遠(yuǎn)程控制，簡(jiǎn)化了操作步驟，提高了系統(tǒng)的靈活性。此套控制系統(tǒng)已經(jīng)在白銀有色集團(tuán)投入使用，獲得了良好的控制效果。隨著有色冶煉行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)煙氣冷卻的要求也在提高，列管式煙氣冷卻器操作方便，性能可靠，將會(huì)被越來越多的冶煉廠所應(yīng)用。