高爐煤氣干法除塵PCS7控制系統(tǒng)介紹

供稿| 申世武，周 蕓，楊 春

高爐煤氣干法除塵PCS7控制系統(tǒng)介紹

供稿| 申世武，周 蕓，楊 春

內(nèi)容導(dǎo)讀

高爐干法除塵是在高溫條件下進(jìn)行的煤氣凈化技術(shù)，與濕法除塵相比，干法除塵可簡(jiǎn)化工藝系統(tǒng)，具有占地面少，無(wú)二次環(huán)境污染，無(wú)需對(duì)污水進(jìn)行處理，生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用低，合理利用煤氣余熱，提高煤氣熱效率，可配套建設(shè)高爐頂壓發(fā)電設(shè)備。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)中、小型高爐已具有成功的生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及干法除塵的優(yōu)勢(shì)等，本設(shè)計(jì)采用高爐煤氣干法除塵工藝系統(tǒng)進(jìn)行煤氣精除塵。

干法除塵控制系統(tǒng)采用“儀電”一體化（即儀表、電氣控制共用PLC和監(jiān)控站）的德國(guó)Siemens公司的PCS7控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用CPU 414-4H PLC控制器、CP443工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器、CP1613通訊卡、I/O模塊構(gòu)成以及WINCC 6.2 SP2系統(tǒng)。主要完成對(duì)干法除塵系統(tǒng)的操作以及數(shù)據(jù)采集、處理、記錄及報(bào)警，并且將監(jiān)控畫面的指令通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送給下位PLC。

控制系統(tǒng)硬件配置

PCS7控制系統(tǒng)CPU型號(hào)為6ES7 414-4HJ000AB0，組態(tài)軟件采用STEP7軟件包進(jìn)行軟件開發(fā)，操作和監(jiān)視界面采用SIMATIC WinCC系統(tǒng)軟件進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)，用于編制干法除塵過(guò)程檢測(cè)及控制流程圖，實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。控制系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的溫度、壓力、壓差、流量、含塵量等檢測(cè)、記錄、報(bào)警、連鎖、控制等，主要包括凈煤氣流量、高爐爐頂壓力、高爐爐頂溫度、除塵器進(jìn)出口溫度、箱體出口含塵量、箱體進(jìn)出口壓差等重要工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、報(bào)表打印等。對(duì)主要閥門設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)操作箱操作、操作室操作臺(tái)操作以及操作室計(jì)算機(jī)集中控制等多種操作方式。在計(jì)算機(jī)上可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障報(bào)警，布袋破袋報(bào)警，布袋反吹壓差控制，布袋反吹定時(shí)控制等等。控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配置

C1～ C3為機(jī)架，PS407為電源模板，CPU414-4H為CPU模板，CP443-1為工業(yè)以太網(wǎng)通訊模板，AI為模擬量輸入模板，AO為模擬量輸出模板，DI為數(shù)字量輸入模板，DO為數(shù)字量輸出模板，RI為熱電阻輸入模塊，CP1613為安裝在工控機(jī)內(nèi)的通訊卡，具有雙通道信號(hào)輸入。Switch為工業(yè)交換機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)總線為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)設(shè)一個(gè)控制站（同時(shí)兼操作站）、一個(gè)操作站。系統(tǒng)操作設(shè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)、軟手動(dòng)兩種方式。工業(yè)PC機(jī)采用美國(guó)DELL的高配置PC機(jī)。

控制系統(tǒng)I/O模塊型號(hào)：開關(guān)量輸入模塊型號(hào)為6ES7321-1BL01-0AA0，開關(guān)量輸出模塊型號(hào)為6ES7322-1BH00-0AB0，模擬量輸入模塊型號(hào)為6ES7331-7KF02-0AB0，熱電阻輸入模塊型號(hào)為6ES7331-7PF10-0AB0，模擬量輸出點(diǎn)模塊型號(hào)為6ES7332-5HF00-0AB0。PLC主站與遠(yuǎn)程I/O站之間的數(shù)據(jù)傳遞、信號(hào)聯(lián)絡(luò)采用MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳動(dòng)裝置之間的通訊采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。控制器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)人機(jī)接口（HMI）、編程器等設(shè)備之間采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交換、遠(yuǎn)程編程以及在線監(jiān)視。CP443通訊處理器實(shí)現(xiàn)PC與控制器之間的通訊。它采用工業(yè)Ethernet協(xié)議通訊，同時(shí)提供光纖接入的接口，可以方便的和外部交換數(shù)據(jù)。支持多種協(xié)議的通訊，工作穩(wěn)定可靠。CP1613用于將PC機(jī)連接到工業(yè)以太網(wǎng)。它支持全雙工/半雙工連接，10/100Mbit/s通訊速率自檢測(cè)。

儀表電氣設(shè)計(jì)

由于高爐煤氣干法除塵屬于Ⅱ類防爆區(qū)域，所有儀表電氣設(shè)備全部選用隔爆產(chǎn)品。儀表設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)儀表選型、儀表柜設(shè)計(jì)和儀控PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，儀表設(shè)計(jì)在選型上充分考慮其可靠性和先進(jìn)性，選用的自動(dòng)化儀表設(shè)備同時(shí)具備可靠、先進(jìn)、完善、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，同時(shí)這些設(shè)備都帶有總線通訊接口，為系統(tǒng)的升級(jí)和安全運(yùn)行提供了可靠保證。電氣設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電氣PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低壓配電柜設(shè)計(jì)、機(jī)旁操作箱設(shè)計(jì)以及操作室操作臺(tái)控制設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。電氣控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制采用“三電合一”，即電氣控制、儀表控制、計(jì)算機(jī)全部采用一套PLC控制系統(tǒng)。低壓配電部分設(shè)計(jì)有電源自動(dòng)切換柜，保證了PLC控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。為提高現(xiàn)場(chǎng)閥門控制和箱體控制的操作安全可靠以及減少控制系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)等，現(xiàn)場(chǎng)閥門和除塵箱體電氣控制設(shè)計(jì)有機(jī)旁操作箱控制、操作臺(tái)控制以及計(jì)算機(jī)操作控制“三地”控制模式，機(jī)旁操作箱控制和操作臺(tái)控制都屬于手動(dòng)控制方式，計(jì)算機(jī)操作控制屬于自動(dòng)控制方式，在自動(dòng)控制狀態(tài)下，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作控制由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行，機(jī)旁操作箱上和操作臺(tái)上的按鈕此時(shí)均不起作用。

PCS7系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)安裝有STEP7 5.3基本編程軟件、WINCC系統(tǒng)軟件、WINCC運(yùn)行軟件包、CP1613通訊軟件包。該組態(tài)軟件可動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖畫面，歷史曲線圖、實(shí)時(shí)曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示及實(shí)現(xiàn)各畫面之間自由切換。主要完成脈沖反吹控制系統(tǒng)、溫度控制、煤氣含塵量檢測(cè)報(bào)警、箱體過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)、卸灰系統(tǒng)和外管系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)和報(bào)警。

PLC系統(tǒng)通過(guò)采集干法除塵生產(chǎn)過(guò)程中的各種工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，并在操作畫面上上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄及報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干法除塵相關(guān)的工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印和事故報(bào)警打印，還可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖等參數(shù)查詢。相關(guān)的數(shù)據(jù)以ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的格式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)信息經(jīng)交換機(jī)及防火墻后以Web形式發(fā)布給權(quán)限用戶查看，以實(shí)現(xiàn)資源共享。高爐煤氣干法除塵控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高爐煤氣干法除塵自動(dòng)化的重要手段和方法，操作人員在計(jì)算機(jī)上輸入相關(guān)工藝設(shè)定參數(shù)，向PLC系統(tǒng)傳達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)在操作室對(duì)干法除塵系統(tǒng)的控制與操作。

系統(tǒng)控制功能

采用計(jì)算機(jī)控制，極大的提高了生產(chǎn)效率，通過(guò)遠(yuǎn)程控制，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，加快了生產(chǎn)節(jié)奏。干法除塵控制系統(tǒng)其主要控制功能有：箱體過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)、布袋反吹控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、卸灰系統(tǒng)等。自動(dòng)化控制系統(tǒng)是工程最重要核心組成部分，該系統(tǒng)設(shè)備包括1個(gè)電源柜，2個(gè)PLC柜，1個(gè)在線監(jiān)測(cè)柜，1個(gè)蝶閥控制柜，2個(gè)脈沖閥控制柜，8個(gè)機(jī)旁操作箱及各種檢測(cè)設(shè)備等。

箱體過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目包括：每個(gè)箱體的半凈煤氣、凈煤氣支管溫度，氮?dú)夥创禋獍鼔毫Σ⒂脡毫Ρ憩F(xiàn)場(chǎng)顯示，布袋除塵器半凈煤氣總管、凈煤氣總管壓差，布袋箱體進(jìn)出口（半凈煤氣、凈煤氣支管）壓差和布袋箱體出口凈煤氣支管、凈煤氣總管含塵量在線監(jiān)測(cè)及超高報(bào)警，除塵器前后煤氣溫度，氮?dú)鈨?chǔ)氣罐壓力，氮?dú)鉁p壓閥后氮?dú)鈮毫蛪嚎s空氣總管壓力，凈煤氣總管、氮?dú)饪偣芤约皦嚎s空氣總管壓力、流量等。所有儀表檢測(cè)信號(hào)送控制室計(jì)算機(jī)顯示、記錄及報(bào)警。

布袋反吹控制有定壓差反吹控制和定時(shí)反吹控制兩種方式。定壓差反吹控制信號(hào)有兩種，一種是以單個(gè)箱體進(jìn)出口管壓差值作為控制參數(shù)，壓差設(shè)定范圍在0～10kPa之間，當(dāng)壓差值到了設(shè)定值時(shí)，壓差控制器輸出壓差接點(diǎn)信號(hào)，從來(lái)帶動(dòng)脈沖閥啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單箱體定壓差控制；另一種是以除塵器進(jìn)出口總管壓差作為控制參數(shù)，壓差設(shè)定范圍在0～10kPa之間，當(dāng)壓差值到了設(shè)定值時(shí)，壓差控制器輸出壓差接點(diǎn)信號(hào)，從來(lái)帶動(dòng)脈沖閥啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)箱體定壓差順序控制。定時(shí)反吹控制按時(shí)間進(jìn)行控制，定時(shí)控制時(shí)間可根據(jù)用戶需要任意設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)順序反吹。無(wú)論那種反吹控制都是由PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，所有箱體按順序依次完成啟動(dòng)反吹、過(guò)濾、停止反吹操作，用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要人工選擇箱體進(jìn)行反吹控制。

布袋除塵器對(duì)煤氣溫度有一定要求，要求進(jìn)入箱體的半凈煤氣溫度控制在80～260℃之間。高爐實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于煤氣溫度較高，煤氣不必考慮加熱措施，也無(wú)須設(shè)降溫措施。在事故狀態(tài)下，如果煤氣溫度超高則需要采取爐頂噴水降溫，使煤氣溫度控制在合理的范圍；如果煤氣溫度過(guò)低，則需要采取爐頂煤氣放散措施，讓煤氣直接從高爐爐頂進(jìn)行緊急放散，不讓煤氣進(jìn)入布袋，確保煤氣干法除塵系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行安全和布袋的長(zhǎng)使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，高爐煤氣的溫度在100～200℃之間時(shí)除塵效果會(huì)比較好。溫度太低會(huì)使除塵布袋壽命大大降低，如果低于80℃則容易發(fā)生水汽凝結(jié)現(xiàn)象，潮濕的煤氣，使除塵布袋受潮，大量的高爐灰塵非常容易堆積在潮濕的布袋上進(jìn)而堵住布袋的通氣孔，從來(lái)降低除塵布袋的除塵能力，最終導(dǎo)致除塵布袋損壞。溫度太高也會(huì)使除塵布袋壽命大打折扣，如果煤氣溫度高于260℃，除塵布袋長(zhǎng)期在260℃以上的高溫下運(yùn)行，非常容易燒毀除塵布袋。為了延長(zhǎng)除塵布袋的使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)成本，建議將高爐爐頂溫度控制在150～250℃，這樣就可以將干法除塵箱體入口半凈煤氣溫度應(yīng)控制在100～200℃。

結(jié)束語(yǔ)

PCS7-400控制系統(tǒng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性、友好的人機(jī)界面、 開放的結(jié)構(gòu)、比較強(qiáng)大的控制功能、自診斷功能、易集成、規(guī)模靈活、緊湊等優(yōu)點(diǎn)。該控制系統(tǒng)自投入以來(lái)，性能穩(wěn)定、可靠性高、故障率低，為高爐生產(chǎn)提供了保障，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。應(yīng)用實(shí)踐表明，凈煤氣含塵量控制在2.0～3.5mg/m3左右，為干法除塵機(jī)組運(yùn)行提供了有效保障，該高爐干法除塵系統(tǒng)自2007年5月投運(yùn)至今，整個(gè)工藝系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高，操作強(qiáng)度低，故障率低，達(dá)到了節(jié)能降耗、生產(chǎn)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單的目的。

[1] 李長(zhǎng)連.干法除塵在高爐上的運(yùn)用. 冶金動(dòng)力.2010 (1)：28-29

[2] 李明,王嵐瀟. SIMATIC S7-400在100噸轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng).自動(dòng)化博覽.2009,9(9)：32-34

Introduction of PCS7 Control System in Blast Furnace Gas Dry Dust

SHEN Shi-wu, ZHOU Yun, YANG Chun

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廣西華銳鋼鐵工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 柳州 545002

申世武，(1978—),男,貴州金沙縣人，工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事DCS、PLC、自動(dòng)化、智能儀器儀表應(yīng)用。