鋼鐵廠燒結工藝脫硝自動化控制系統設計

劉創，張曉思，魏國軍，甘濤

（重慶工業自動化儀表研究所，重慶 401121）

鋼鐵行業作為我國重工業產業中的支柱行業，常年產量占比世界第一，為我國經濟的快速發展做出過重要的貢獻。但正因為如此，我們更需要在鋼鐵企業的環保節能減排上下功夫，通過改進工藝加強自動化不斷改善不斷創新，以實現鋼鐵生產中把污染排放降至更低的要求。在鋼鐵生產過程中，燒結工藝是其非常重要的一項工藝，簡而言之，燒結就是在各種原物料（鐵礦粉、石灰、熔劑和無煙煤、焦粉）等按照一定的比例混合，然后，通過燒結形成具有一定強度和密度的燒結礦作為高爐煉鋼的“精料”。所謂燒結，就是粉狀物料加熱到熔點以下黏結成固體的現象，簡單來說，就是把品相滿足要求但粒度卻不滿足的精礦與其他輔助原料混合后在燒結機上通過熔劑和燃料輔助燃燒，使其重新生成塊狀和顆粒狀固體，以此來滿足高爐煉鋼的需求。利用燒結“精料”煉鋼鐵具有能提高高爐利用系數、降低焦比、提高高爐透氣性等優點。在鋼鐵廠中燒結工藝能達到提高產品質量降低高爐冶煉成本，提高高爐冶煉效率的目的。但鋼鐵生產中的燒結生產排放大量的氣體污染物與粉塵，如在燒結工藝中排放的氮氧化物就占整個鋼鐵冶煉工藝的48%左右，可見燒結工藝為鋼鐵企業生產中氮氧化物的主要來源，而這些污染物嚴重降低了城市空氣質量，對我國的環境保護工作造成了很大的影響。所以，引進鋼鐵廠脫銷工藝是現階段鋼鐵企業節能減排中的重要措施，而燒結脫銷自動化系統更是這一工藝措施重要組成部分。本文便以柳州鋼鐵廠110 ㎡脫硝自動化控制系統的介紹為切入點，來深入了解鋼鐵廠燒結工藝脫銷控制系統的設計。該系統對于目前鋼鐵企業需要減少污染物排放的迫切需求具有非常有效的實用參考價值。

1 系統特點與概述

1.1 系統特點

在鋼鐵企業生產過程中安全生產貫穿了整個流程，所以在系統設計中，保護生產過程中的安全是整個系統的重中之重，該系統在設計時便對所有設備的啟停加入了三級權限，分別為手動啟停、連鎖啟停與自動保護啟停，其中，最高級自動保護啟停為閉環控制，不需人為設置，以此作為系統的安全生產的保護措施。且選擇控制系統時以遵循系統的安全性、穩定可靠性、技術先進性、操作簡便性與后續開發可擴展性的原則，選用安全可靠的廠商，產品經過長時間多方面的考驗無重大質量問題，編程方式簡便易懂，預留點位足夠今后的新增設備使用。

1.2 系統概述

本系統由硬件與軟件兩部分組成，硬件部分主要為PLC控制柜以及各種被控制儀表，PLC 控制柜主要由可編輯邏輯控制器與各種電器組成，自動化控制系統選擇施耐德M580作為該系統的可編程控制器。施耐德M580 PLC 具有性價比高、性能可靠穩定以及可擴展的優點，CPU 模塊自帶內存容量大處理器運行快速穩定，且施耐德M580PLC 抗干擾性強，可以適應各種惡劣環境，能實現大多數過程自動化控制。在設計時，預留約25%I/O 點和插槽供后續擴展使用，使該系統具有可擴展性。軟件部分與M580 搭配的Unity Pro 下位機編程軟件，擁有FBD、LD、ST、SFC、IL 五種編程語言，且功能庫齊全，具有仿真與在線修改功能，在線修改功能中系統只需向下位機下載修改的一部分程序而不用重新下載整個程序，所以可在整套系統運行途中進行在線編程且不會影響系統的正常運作。上位機采用Intouch HMI 作為上位機控制軟件InTouch 軟件是一個開放且可擴展的組態軟件，擁有尖端的繪圖功能易用的開發環境，支持ActiveX、OPC(OLE for Process Contro1)、開放數據庫互連(ODBC)及標準的動態數據交換(DDE)。目前主流的通信協議(例如，以太網MODBUS、串口MODBUS)都有現成的I/O 通信驅動，且擁有豐富的圖形用戶界面、靈活的腳本支持、分布式的歷史數據系統以及便捷的測點遠程引用等優點。

2 自動控制介紹

2.1 設備啟停

為保障整個生產過程的安全以及降低人員的誤操作帶來的危險，所有設備啟停按鈕都具有二次確認彈框，重要設備的啟動或者停止具有允許條件。并在二次彈框中加入啟停允許條件文字描述，當允許條件滿足時文字則變色。在設備操作彈窗中設置禁止操作按鈕，操作禁止按鈕后，所有的啟動停止兩個按鈕將無法操作，這樣編寫操作界面既能防止大部分的誤操作，也能使操作人員及時了解設備未能及時啟停的原因。系統中設備的啟停一共分為三級，而保護啟停為其中的最高級，下位機編程設置自動保護啟停的條件，當條件滿足時，操作人員無須任何操作設備即可自動啟停。并在上位機中對應的設備圖標旁設置彈出式紅色文字提醒該設備滿足何條件啟停，使操作人員能在第一時間得知設備情況，并在報警列表中體現出具體信息，以供操作人員查詢。

2.2 吹灰系統

脫硝系統中整個蒸汽吹灰子系統共有12 個耙式吹灰器組成，每個吹灰器在啟動時會按機械設置速度向前運行到達末端后再向后退回原點，以兩端的限位開關為基點由設備電控系統向PLC 反饋原點、前進、后退三個DI 信號。由于吹灰器電控系統設計不能讓兩個吹灰器同時運行，所以在系統中，每個吹灰器一個接一個運行直達所有吹灰器都運行完畢算作整個吹灰流程完。在系統中運用了順序控制的方式，在下位機中實現了該子系統。具體方法為，設置一個標志變量，此變量為順序控制中每一步的數字標志為實數變量，如標志變量為1 時，代表這個子系統運行到第一步；標志變量為2 時，代表此子系統運行到第二步。在每一步的結束條件滿足后，該標志變量加1，得以讓蒸汽吹灰系統程序進入下一步，下一步開始的條件即當標志變量等于上一步標志變量加一后的數值。八個吹灰器在運行過程中可能出現設備故障或者操作人員想跳過該設備的要求，所以該系統在子程序中添加旁路功能，12 個吹灰器都具有對應的旁路按鈕，當旁路按鈕置位時，對應的吹灰器不會啟動且標志變量加一程序跳到下一步。啟動整個蒸汽吹灰系統的條件為吹灰氣源母管溫度達到工藝要求的設定值，當溫度的設定值未達到要求時候標志變量一直為0 也就是程序不進行下一步驟，界面有紅色文字彈出示警。整個系統有13 個步驟，為了讓吹灰系統每個步驟都更加清晰地呈現給操作人員，在組態中將蒸汽吹灰系統所有步驟以文字且字體變色形式來描述，系統運行到哪一步該步驟文字即由白色變為紅色顯示，當吹灰系統完成后最后一步，吹灰完成文字變紅表示系統結束。

2.3 補燃系統

補燃系統的控制為整套控制系統中最復雜的系統，其主要作用是給煙氣加熱達到催化劑工作溫度。補燃系統共有三套補燃燃燒器，每套燃燒器主要由點火槍、火檢裝置以及煤氣管道上的各類閥門組成，自動控制系統主要分為點火、關火及監控等。由于點火系統中煤氣管道較為危險，因此，其控制系統中保護措施較多，管道中四個排空氣動閥全為失電失氣自動打開，以達到停電或空氣壓力罐中無氣等緊急時刻排空管道內存留煤氣的要求。當燃氣母管氣動閥在補燃風機、增壓風機停止、GGH 停轉或任一燃燒器燃氣快關閥1 和燃氣快關閥2 開啟且燃氣壓力報警時，都有保護關閉動作達到切斷母管煤氣的作用。點火前，應先做好準備工作如將點火槍插入到位；點火時，先關閉排空閥在排空閥關到位信號點亮后啟動點火槍，同時打開對應的兩個快關閥，火檢傳感器在設定的點火槍運行時間內檢測到有火信號后則表示點火成功，這時需要人工將點火槍退出，直到下次點火再將點火槍插入。在點火啟動過程中，任何一個設備沒有動作到位或在設定的點火槍啟動時間結束以后火檢無火，系統則做出“點火失敗”的判斷，點火失敗則系統關閉燃氣快關閥1 和燃氣快關閥2，切斷管道內的煤氣，排空閥自動打開排掉管道剩余的廢氣。若要將燃燒器停火，則直接關閉快關閥1 和快關閥2 切斷掉管道內的煤氣，火焰即可在短時間內熄滅。

2.4 GGH 系統

GGH 氣氣換熱器，是煙氣脫硝系統中的主要裝置之一。它的作用是利用原煙氣將脫硝后的凈煙氣進行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對凈煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴散度，同時，降低進入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內對防腐的工藝技術要求。GGH 氣氣換熱器由兩臺電機推動轉動，兩臺電機一用一備，當軸承溫度高于80 攝氏度時設置保護強制關閉電機。GGH 稀油站由兩個導向軸承油站油泵電機和兩個支撐軸承油站油泵電機組成，主要為導向軸承與支撐軸承提供循環潤滑系統，使GGH 氣氣換熱器工作更加順利。兩個一組的油泵電機聯鎖一用一備，在推動GGH 煙氣換熱器電機啟動后，且對應軸承溫度大于55℃且一臺油泵電機未啟動，那么，另一臺油泵電機則保護啟動。油泵電機的正常工作，是GGH 能順暢運行的重要條件，因此，兩臺電機都不使用或者兩個軸承中任意一個溫度過高，推動GGH 的主輔電機都應保護關閉或不能開啟。

2.5 MGGH 系統

MGGH 水媒介氣氣換熱器分為降溫段和升溫段，降溫段是先用冷卻水給煙氣降溫，進入脫硝或者除塵系統（脫硝或者除塵系統溫度不能太高），當到達煙囪處時，再用之前被加熱的熱媒水把煙氣溫度加熱，這樣可以使煙氣遠離水的露點溫度，配合煙囪內壁防腐，使煙囪安全可靠運行，延長煙囪使用壽命。另一方面，起到了一定的烘干作用，減少水分排出降低煙羽的形成。整個系統中主要控制有兩臺變頻循環補水泵兩臺補水泵出口電動閥分為兩組，每組中泵與閥門聯鎖啟停，兩臺補水泵一用一備，且當主變頻循環補水泵跳閘使備用變頻泵啟動時，備用變頻泵中的手動頻率設置值和PID參數與主變頻循環補水泵數據要相同，以此達到保證降溫段工藝的要求，變頻循環補水泵工作頻率隨降溫段出口煙氣溫度變化而變化。

3 系統通迅

在下位機軟件Unity Pro 中，硬件設置可以更改其CPU或者通信模塊的IP 地址，更改地址應與上位機IP 地址網斷相同。在上位機SMC（System Management Console）添加新的TCP/IP設置，把IP地址設置的和下位機Unity Pro 一致，并設置掃描周期時間完成后既可以實現上下位機通訊，且在SMC中可以監測每個組態變量的狀態以及系統錯誤信息監測，上位機系統出現錯誤時可以及時查閱錯誤信息。

4 結語

本文以柳鋼燒結廠110 ㎡脫硝系統為研究對象，詳細介紹了基于Intouch 與施耐德M580 位平臺的脫硝PLC 自控系統。對各個子系統的上下位程序設計、編寫進行了深入的描述，對后來者學習以及了解鋼鐵廠中的脫硝系統運用有著積極的作用。