不停車焦爐地下室交換機自動控制系統研究

夏 巍

（西山煤電集團 西山煤氣化公司，山西 古交 030200）

1 課題的背景和意義

焦爐地下室屬于防爆Ⅰ區，西山煤電集團西山煤氣化公司現使用的交換機電氣控制系統采用西門子可編程序控制器PLC-300及大量的中間繼電器進行控制，現場配電柜安裝在防爆區域內，由于PLC內部程序較繁瑣，且在安裝后有部分原始資料已遺失，很多程序無法通過上位機（PC）進行監控、查找，在設備出現故障后，不能快速排除故障；電氣控制回路為交流220V，防爆等級低，在檢修時會造成失爆現象，存在著重大的安全隱患。

在機械執行機構方面，現場使用的是機械碰撞式限位開關，無法滿足工業自動化要求，時常會誤動作，無法實現精確定位。且限位開關的故障率較高，在更換時耗時較長，每次更換1個限位開關就需40min左右，而交換機的交換時間間隔是30min，至少會造成交換機無法工作2次以上。因此，采用接近式開關，以便于維護和更換。

在PLC內部程序中，包含大量繁瑣的無用程序，可以根據現場實際運行情況，自行編輯簡單明了的控制和保護停機程序，達到便于檢修的目的。可編程序控制器在邏輯控制、順序控制、聯鎖防護等方面顯示了其獨特的優勢。特別是在系統結構分散、運算能力增強、通訊網絡完善的情況下，其以開關量為主，擴展到聯鎖控制的范圍，開始進入批量控制和過程控制。其集計算機、儀器儀表、電氣控制于一體，可靠性高、組合靈活、編程簡單、監控清晰、維修方便，因此，在工業自動化領域得到廣泛應用。

該公司研究決定采用西門子可編程序控制器S7-300對地下室煤氣交換機自控系統進行改造。

2 主要控制、工作原理

2.1 煤氣交換機工藝要求

工藝要求煤氣交換機正、反向換向的時間間隔是30min，換向時間為30s，具體運行框圖見圖1.

圖1 交換機換向運行示意圖

圖1中，焦爐加熱用洗苯后的回爐煤氣，由外管送至焦爐，經煤氣總管、主管、煤氣支管進入燃燒室，在燃燒室內與經過蓄熱室預熱的空氣混合后燃燒，燃燒煙氣溫度可達1200℃，產生的熱量經爐墻傳至碳化室焦餅，燃燒后的廢氣經跨越孔、立火道、斜道，在蓄熱室與格子磚換熱后經小煙道、廢氣開閉器、分煙道、總煙道，最后從煙囪排出。

煤氣交換機在焦爐生產過程中用于改變焦爐加熱系統內煤氣、空氣和廢氣的流動方向，以保證焦爐燃燒室各部位溫度的均勻，是煉焦過程的心臟部位，交換機運行正常與否直接影響焦爐產品產量和安全生產。交換原理：先關煤氣，然后進行空廢氣交換，最后開煤氣。

2.2 自動換向原理

交換機限位開關具體位置設計見圖2.

圖2 限位開關位置示意圖

圖2中，起點4SQ、1SQ為正向，終點7SQ、3SQ為反向，SQ為限位開關。

現以交換機一次正常交換工作為例進行說明：

設原始位置煤氣缸、空廢氣缸、均在0mm處。交換機開始正向換向。其正向交換準備就緒，煤氣缸限位開關在1SQ起點位置。當接到交換機定時裝置的信號（延時600s）或人工再交換信號后，交換機油泵運行，當油壓達到45kPa，煤氣缸正向電磁閥導通，開始正向換向，當行至正向終點位置3SQ時，因正向限位開關閉合，通過內部程序認定后，通過程序執行下一步動作，即煤氣缸停止移動，接通中間繼電器T1，延時1s后，反向到位位置開關限位6SQ繼電器吸合，廢氣缸電磁閥得電，空廢氣缸正向移動，至廢棄缸位置終點，廢棄缸終點位置開關7SQ閉合，廢氣缸停止移動。又接通中間繼電器T2延時1s后，煤氣缸起點位置繼電器又接通，煤氣缸移動，至煤氣缸終點位置開關3SQ閉合，正向換向結束。交換機始終進行正反兩個方向運動，工作過程往復運行。

3 硬件設計

1）選用西門子PLC-300的可編程序控制器作為控制中心，CPU型號為6ES7-315-2AH14-0AB0，體積為40mm×125mm×130mm，該機可安裝16點輸入，16點輸出模塊，有豐富的功能指令，能滿足系統的控制要求。輸入繼電器采用自供DC24 V，輸出繼電器采用AC220V電源。

2）光電式接近開關是利用光電耦合的原理構成（光電開關是由發光元件和受光元件組成，以光為傳導、耦合媒介來實現電信號傳輸，其特點是控制靈活、電路功率小、抗干擾能力強、隔爆、響應快、壽命長），選用日本歐姆龍公司生產的E3JK-DS70M1型紅外線光電開關來進行位置控制。

3）煤氣低壓報警用煤氣壓力傳感器利用原有變送器，二次表利用原有XMG5000光柱數字顯示儀表，其可設定報警上限、下限，并且有相應的繼電器輸出，可滿足控制要求使用。

4）為保證正常工作，需增加油壓傳感器選防爆型WP-1151GP，油泵正常工作油壓為45kPa，二次表新裝1塊XMG5000光柱數字顯示儀表，其可設定報警上限、下限，并且有相應的繼電器輸出。

5）新制作1個配電柜（1500mm×600mm×400 mm），內部安裝PLC、空氣開關、油泵交流接觸器、端子牌等控制元件。

4 交換機電氣控制原理

電氣設計示意圖見圖3.

圖3 電氣設計示意圖

圖3中，1）正常工作時，只用1臺油泵，考慮油泵電機工作壽命，可在PLC內部程序設置延遲啟動，待油壓正常后，開啟油泵工作。正常交換煤氣、廢氣后，延遲停機。這樣會保護油泵電機不會因頻繁啟動，造成溫度升高，避免絕緣老化問題，延長了電機的使用壽命。2）二次回路加裝了1臺交-直流電源，將AC220V變為DC24V，提高了防爆等級，檢修更加安全，且配電柜移出防爆區，在操作室內重新裝配，便于操作。

5 軟件設計

根據控制回路的要求，進行PLC內部程序的編程控制設計，按生產運行情況實際要求，進行編程。程序原則上要簡單明了，交換機所要求的一切準備條件，包括油缸、電磁閥組、壓力、溫度、交換機的換向、位置開關、內部二次回路、報警信息等全部在內，通過在線監視程序，可迅速判斷故障發生點，在有限的時間內排除故障，保證交換機的正常運行。不僅檢修方便和排除故障快，而且降低了故障發生率，保證了該公司地下室交換機穩定運行。

主要的內部程序有：

1）油泵控制程序。當換向信號就緒后，延遲啟動油泵，出現油泵過熱故障后，可通過程序自動切斷油泵，保護油泵和電機的正常工作。2）換向控制程序。避免機械式限位開關限位不到位，無法實現換向功能，程序中加了一段自動認定限位到位的延遲程序，當光電開關到位后，到位信號會一直保持2s鎖定，由于現場有煤氣缸鏈條牽引，限位開關會由于慣性左右擺動，原有程序只能認定一次，解決了限位不到位無法換向的問題。3）信號及故障報警程序。當限位到位或某一故障出現時，配電柜上的相應指示燈會亮紅燈，提示操作人員排除故障。故障現象簡單明了，便于檢修和處理問題。

在程序編寫好后，將程序通過上位機（PC）植入PLC的CPU模塊，進行現場調試工作。

6 遇到的問題

1）手動換向。當出現限位開關位置不到位，無法進行自動交換時，用手動換向按鈕進行正、反向交換，工作情況與自動相同，但它連續運行與否需要崗位操作人員進行位置判斷后，再決定是否人工操作。

2）煤氣低壓情況。運行中，煤氣壓力突然降低，煤氣低壓繼電器吸合，笛響、指示燈閃爍，提醒工作人員判斷情況、迅速處理。

3）交換超時情況。煤氣交換機運行時間超過60s時，內部繼電器動作，電笛響，紅燈閃，發出警報，提醒工作人員查清原因，盡快處理。

4）施工問題。施工的主要難題在工期，為不影響正常生產，都是利用檢修時間進行安裝和調試工作，這就要求該配電柜的安裝，電纜的敷設，光電開關的安裝，以及線路接線，后期調試等工作必須一次成功。因此，在施工前應做好充分準備，材料的儲備及PLC內部程序的編寫等都完成后，按照施工進度計劃，進行硬件、軟件安裝調試，確保無誤。

7 總 結

改造后的調試工作一次成功，現場反饋，便于巡檢和操作，故障發生時易于快速判斷處理。經過后期的巡檢發現，該改造獲得了良好效果。1）限位開關的故障完全消除，沒有出現一次因限位損壞或不到位情況造成交換機不工作的故障發生。2）油泵電機運行良好，無過熱現象。檢修時不會造成失爆現象，PLC程序穩定可靠，沒有出現軟件及硬件故障。此改造方式簡單，投資少，工期短，效果好，值得推廣。

PLC控制器改造過程中也存在一些問題：如在過熱保護裝置選型時由于考慮不周，經常燒毀油泵接觸器。當交換電笛報警后，有時會因程序的問題及進行在線監控及通過后臺DCS系統進行復位操作等。

通過對煤氣交換機進行PLC控制技術改造，使得控制電路體積大大減小，消除了由中間繼電器和時間繼電器觸點不良引起的系統故障，解決了失爆的安全隱患，且限位開關計位精準，穩定了煤氣交換機的工作程序，保證了加熱系統內的正常換向，穩定了產品質量，為該公司的正常生產打下了基礎。

［1］ 廖常初.S7-300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005：181-197.

［2］ 周 敏.焦化工藝學［M］.北京：中國礦業大學出版社，2011：83-87.