煉鋼路干法布袋除塵自動化系統的研究與設計

劉 偉

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

在我國鋼鐵行業的環保技術中，比較成熟的除塵技術主要有干法布袋除塵、電除塵以及濕法壓迫洗滌除塵等，其中布袋除塵尤其適合應用于鋼鐵廠上料、出鐵等場合，具有工作效率高、運行成本低、工作安全、除塵效果好等優點，是目前國內外鋼鐵行業的首選。但該除塵系統一直存在著控制工藝復雜、自動化程度要求高等因素，采用傳統控制方式，已經很難達到控制要求。

影響布袋除塵器性能的主要因素有清灰方式、濾料特性、過濾風速、差壓、風壓等，這些參數對干法布袋除塵器的結構、性能以及使用壽命等起到了決定性的作用，本文將對工藝中的難點問題及解決方案進行研究和設計，最終實現高質量、科技智能化的除塵控制系統。

1 控制系統概述

煉鋼路干法布袋除塵自動化系統采用矩陣式脈沖閥控制，安全可靠、準確快捷。根據干法除塵工藝要求，設計出定時、差壓、混合和遠程手動、自動連鎖、就地操作六種清灰方式；通過復雜連鎖關系實現“一鍵卸灰”，最終實現系統集中控制、統一管理、規范操作、高效除塵，保證系統安全穩定運行，實現無人值守等功能，解決了行業內的布袋除塵控制難、過程復雜等難題，徹底改善了煉鋼路區域環境。

2 系統設計構成

2.1 系統硬件集成

系統采用施耐德M340系列PLC，CPU采用BMX P34 2020。DI/DO模塊采用16通道，AI/AO模塊使用8通道。采用專用的熱電阻RTD模塊并配套專用飛線連接，保證模擬量檢測精度和信號穩定性。輸入輸出信號采用繼電器或安全柵進行信號隔離轉換，從而對系統進行區域性的安全防爆處理，保證系統穩定可靠。

2.2 軟件系統配置

本控制系統開發基于win 7平臺，HMI軟件采用施耐德Vijeo Citect 7.2，PLC軟件采用Unity Pro XL。Vijeo Citect 支持完全的熱備組態，支持 Cicode 和 VBA 兩種腳本語言，提供完整的 I/O 設備冗余，可以指定主備設備，在主機出現故障時自動地切換到備機，實現無縫切換，避免CPU停機導致生產事故。

2.3 網絡架構

PLC主站和從站之間采用專用擴展機架套件及通訊電纜XBE 1000。外部網絡基于TCP/IP 通訊協議，通過光電交換機構建星型網絡結構，采用單模光纖通訊，實現高速數據交換共享。系統網絡構架如圖1所示。

圖1 系統網絡框架

3 系統設計及功能實現

通過分析和研究PLC控制系統對工藝控制中的難點和重點問題，最終設計出符合工藝要求、滿足生產需要、安全穩定、科學創新的自動化系統。

3.1 脈沖閥控制設計與實現

3.1.1 傳統脈沖閥控制方案

一般的布袋除塵器脈沖閥是由邏輯順序控制元件和時間繼電器組成的，自動化程度不高，可靠性低。焦線除塵系統有16個除塵箱，每個除塵箱有10個脈沖閥，即需要16×10=160個數字量輸出控制點，對所有的脈沖閥一一控制，輸出控制點數多且浪費控制電纜，故障點增多，維護成本高，系統穩定性降低。

除塵過程中，如果不能準確及時開啟相應的脈沖閥，將會對煙氣粉塵差壓影響較大，降低除塵效率。另外，不能準確把握干法除塵各箱體噴吹清灰的頻率，也會影響除塵布袋的壽命。隨著對控制成本要求越來越高，此種方式已經逐步被淘汰。

3.1.2 矩陣脈沖閥控制方案實現

針對傳統脈沖閥控制問題，根據干法布袋除塵器的工作特點，160只脈沖閥同一時刻只有1只在工作，若將160只脈沖閥按清灰倉分為16組，每組10個，便可搭建16×10的虛擬矩陣方式，將每個除塵器箱體各脈沖閥的位置關系一一確定，從而實現對每個脈沖閥的精確控制。

利用虛擬矩陣原理，設計出矩陣式脈沖閥控制電路(如圖2所示)。

圖2 矩陣式脈沖閥控制電路

圖2中脈沖電磁閥通過PLC的數字量輸出模塊驅動。當選擇1#倉清灰時，驅動Q0.0中間繼電器輸出，需要控制A-J 中其中任意一個脈沖閥時，只需驅動該脈沖閥相對應的中間繼電器。這樣只需(16+10)個PLC輸出點便完成了對160個脈沖電磁閥精確控制。

3.1.3 傳統與矩陣式脈沖閥控制方案成本比較

以焦線轉運站除塵系統來說，16個除塵箱體，每個箱體10個脈沖閥，平均每個脈沖閥到PLC控制模塊的距離為120 m，矩陣式與常規脈沖電磁閥控制參數對比見表1。

表1 傳統電磁閥控制與矩陣電磁閥控制參數對比表

3.2 清灰系統設計與實現

3.2.1 清灰原理

除塵系統中，當含塵氣體從進氣總管進入布袋除塵器后,首先與進氣總管中的斜隔板相碰撞,氣流轉向流入灰斗,此時氣流擴散,速度變慢,在慣性作用下,氣流中的粗顆粒粉塵直接落入灰斗底部,這種在線狀態是通過布袋對粗顆粒的初步過濾，起到預除塵作用，在線狀態時清灰原理如圖3(a)所示。

進入灰斗的氣流折而向上,通過內部裝有的袋籠濾袋,粉塵被捕集在濾袋的外表面；凈化后的氣體進入收塵室上部的凈氣室,匯集到排氣總管排出。隨著過濾時間的延長，濾袋上的粉塵層不斷增厚，除塵設備的阻力不斷上升，當設備阻力上升到設定值時，清灰裝置開始進行清灰。灰箱氣缸關閉，處于離線狀態，將過濾氣流截斷，然后脈沖電磁閥開啟，壓縮空氣以極短促的時間在上箱體內迅速膨脹，涌入濾袋，使濾袋膨脹變形產生振動，并在逆向氣流沖刷的作用下，附著在濾袋表面的粉塵被剝離落入灰斗中，離線狀態時清灰原理如圖3(b)所示。在線和離線除塵時，除塵布袋的受力及工作情況不同，除塵原理也不同，在線和離線狀態除塵布袋的截面圖如圖3(c)所示。

(a) 在線狀態 (b) 離線狀態 (c) 除塵布袋截面圖

圖3清灰原理

3.2.2 清灰方式

系統根據工藝需求，設置現場操作箱、遠程手動、單箱體自動、差壓自動循環、定時自動循環、混合自動循環六種清灰方式。下面著重介紹差壓、定時和混合自動清灰方式如圖4所示。

圖4 清灰方式選擇及參數設置

3.2.2.1 差壓自動循環清灰

差壓自動循環清灰方式是全自動清灰的一種，要求氣缸和脈沖閥處于遠程狀態，設定脈沖閥噴吹時間、噴吹間隔時間、噴吹差壓、箱體停歇時間、清灰循環時間、清灰差壓設定等。差壓值設定為700 Pa、1 000 Pa、1 500 Pa分別對應慢速清灰、正常清灰和快速清灰模式。

在差壓吹掃模式下，箱體差壓大于設定值時清灰系統自動啟動清灰，系統按照邏輯程序進行吹掃清灰。以南頭焦線轉運站為例，共2排16個清灰箱，清灰順序為1#箱—2#箱……16#箱依次進行。本次過程結束后程序檢查當時差壓值，如差壓值大于設定值時則繼續清灰，若差壓值小于設定值則停止清灰。

3.2.2.2 定時自動循環清灰

定時自動清灰和差壓自動清灰類似，操作人員設定清灰循環間隔，由清灰系統定時自動清灰。

3.2.2.3 混合自動循環清灰

混合清灰的實質是將差壓和定時清灰方式一起激活，無論除塵器當前工況滿足哪一種清灰條件都將進行清灰。

3.3 卸灰系統設計研究與實現

3.3.1 卸灰流程

系統根據灰倉料位進行判斷，料位高報警時，系統自動執行卸灰程序，進行自動卸灰控制，卸灰控制流程如圖5所示。

圖5 卸灰控制流程

3.3.2 卸灰控制

3.3.2.1 控制方式

卸灰控制方式分為就地控制、遠程手動、單箱體自動、“一鍵卸灰”全自動卸灰控制。這里著重介紹“一鍵卸灰”控制方式和全自動卸灰控制。焦線轉運站除塵系統控制畫面如圖6所示。

圖6 焦線轉運站除塵系統控制畫面

3.3.3.2 “一鍵卸灰”啟動控制

首先設定好卸灰閥運行時間、箱體間隔時間、斗式提升機延時停止時間、刮板輸灰機延時停止時間等，作為連鎖條件需要根據工況條件設定。選擇“連鎖自動”模式，點下“連鎖啟動”啟動卸灰系統。卸灰設備依次打開斗式提升機、刮板輸灰機，啟動1#螺旋輸灰機開啟1#箱和9#箱卸灰，開啟相應的星型卸灰閥(1#和9#)并開始計時，運行時間到后關閉卸灰閥，延時10 s關閉氣動球閥，關到位后延時20 s停止1#螺旋輸灰機，此時完成1#箱體和9#箱體的卸灰控制。箱體卸灰間隔時間計時到后開始2#箱和10#箱的卸灰控制，邏輯順序同1#和9#箱。依次完成剩下箱體卸灰后，延時停刮板輸灰機和斗式提升機，完成整個卸灰控制任務，實現無人值守控制。

3.3.3.3 故障停車、智能等待

卸灰控制過程為順序啟動、逆序停車。在卸灰過程中兩個箱體同時卸灰，其中一個卸灰故障時不能影響對應箱體卸灰，要“智能等待”，等對應箱體卸灰結束后，同時進入下一對箱體卸灰，針對此情況程序設置以下連鎖關系：(1)如果氣動球閥故障時，延時關閉星型卸灰閥；(2)當本箱體星型卸灰閥故障時，立即關閉氣動球閥，等待對應箱體卸灰結束后，延時停止螺旋輸灰機；(3)如果本箱體螺旋輸灰機故障時，立即關閉兩個箱體的卸灰設備，同時進入后續箱體卸灰工作；(4)如果刮板輸灰機故障時，立即停所有箱體的卸灰工作，延時停斗提；(5)如果斗提故障時，立即停止上游所有卸灰設備。

這樣復雜的連鎖關系，更好的保護了現場設備，保證了生產的正常運轉，提高了系統穩定性和安全性，同時降低了操作人員的危險系數和操作強度。

3.4 除塵風機風門自動調節控制實現

干法布袋除塵系統核心動力是除塵風機，采用離心風機，采用電動執行機構對風門調節，分為就地手動調節、遠程手動調節、遠程自動調節等方式，操作人員根據工藝需求進行選擇。

在自動調節模式，系統根據設定的風機出口壓力值，利用PID高級算法自行調節風門開度，根據風門位置反饋信號，分析判斷壓力設定值和實際值，不斷跟蹤調節縮小差值，始終保持風機出口壓力保持穩定，實現智能化控制、無人值守操作。

4 除塵自動化系統特點

4.1 先進性和實用性

根據工藝要求，科學的配置系統及網絡構架，加強了前后工序之間的有效聯鎖，實現工作現場的無人值守，提高生產效能和產品質量，提升了生產的自動化程度，節約了大量的人力物力。

4.2 科學性和創新性

自動化技術發展迅速，新技術、新科技層出不窮，本系統采用先進技術、前沿科技，對落伍方式方法進行革新，創新思維、精益求精，降本增效保安全。

5 結語

基于PLC系統對煉鋼路干法布袋除塵系統的控制方式方法、控制過程中的難點和工藝控制理論重點進行了研究和分析，并提出先進的解決方案，具有安全穩定、先進科學、高效可靠等特點，最終實現了布袋除塵控制系統的無人值守控制。

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