淺談PCS7 控制系統在高爐噴煤中的應用分析

韓書峰

（南陽漢冶特鋼有限公司，江蘇 南京 474550）

高爐噴煤工藝系統能夠有效降低入爐焦比，繼而對生產成本、進度等進行控制優化，高爐噴煤系統也存在較為嚴重的粉塵污染，這需要引起技術人員的重視，在高爐噴煤工藝流程中，如果噴煤量控制在較小的水平，則往往需要使用常規儀表系統進行控制。

當前，隨著信息化技術的普遍化應用，高爐噴煤系統的自動化也越來越復雜、大型化，一般采取穩定性較高的集散控制系統是實現惡劣環境下高爐噴煤工作的關鍵，其中西門子PC7S 控制系統在高爐噴煤中的應用能夠很好地滿足工藝技術標準要求。

1 高爐噴煤工藝及要求

1.1 工藝簡介

南陽漢冶特鋼二期噴煤制粉項目為3#高爐配套項目，項目規模為日產1500T 煤粉，該高爐噴煤制粉工藝主要有三大子系統構成，即制粉、收粉、噴吹，主要生產工藝如圖1 所示，包括廢氣加壓、加熱爐、磨煤機及公輔系統、給煤機、布袋收粉器、主引風機等組成。其中，控制系統采用了西門子的PCS7V9.2 系統，使用效果良好，取得了較好的經濟效益和社會效益，具有推廣使用價值。

圖1 高爐噴煤工藝圖

1.2 工藝要求

加熱爐：加熱爐利用天燃氣作為點火氣源，利用高壓電子點火器進行點火，有火焰檢測裝置進行檢測點火及燃燒情況，點火后通煤氣與助燃風進行加熱，煤氣與助燃風按一定比例進行調節，同時，控制熱風爐的溫度，控制策略采用雙限幅交叉PID 控制理論進行調節，加熱爐控制由一套獨立的S71200CPU 進行控制，與制粉S7414-5PLC 進行通訊，以進行數據集成和監控。廢氣加壓：利用10kV200kW 高壓電壓驅動的離心風機對高爐熱風廢氣進行加壓送入加熱爐進行換熱后送入磨煤機，對磨煤機中的煤粉進行加熱以利于研磨。換熱后的熱風廢氣溫度與氧含量利用電動調節閥進行控制，廢氣溫度與氧含量進行實時檢測，超標時進行報警提醒，以防止煤粉在磨煤氣內著火，甚至產生爆炸。

磨煤機由磨輥與磨盤組成，磨盤在磨機主電機的驅動下進行轉動，與磨輥產生研磨效果，磨輥可以進行升降操作，以調節磨盤與磨輥之間的間隙，磨輥升降采用液壓比例溢流閥進行控制，有桿腔與無桿腔分別進行控制，可以達到磨輥懸浮與壓力配合調節的目的，具體實現由PLC 進行編程控制。可以手動調節比例溢流閥的開度，也可以采用壓力設定PID自動調節比例溢流閥的開度，進而調節三個油缸的有桿腔與無桿腔的壓力，以達到升輥與落輥調節研磨效果與抬輥啟機的需要。煤粉在研磨作用下變成細小的顆粒，通過引風機的抽風作用吸附到布袋收粉器上，然后進行反吹收集。

布袋收粉器的主要作用是在引風機負壓作用下收集磨機中的煤粉，進而在氮氣反吹下落入收粉器箱體下部的粉倉，并通過雙層卸灰閥及振動篩送入煤粉倉中。本項目設計了6個箱體，每個箱體設計了14 個脈沖閥，箱體間輪流進行反吹，每個箱體中14 個脈沖閥每次反吹200ms，由一套獨立的S7200SMART PLC 進行控制，并且箱體反吹的啟動與停止，箱體及脈沖閥的反吹狀態引入制粉PCS7 系統，并在操作畫面上進行顯示，如圖2 所示。布袋收粉器上每個箱體的上部與下部安裝兩支熱電阻進行測溫，以防煤粉堆積及溫度過高形成陰燃。系統在箱體內設有保安氮氣吹掃功能，在溫度過高時進行降溫及降低氧氣濃度，以達到滅火的目的。主引風機通過變頻驅動，以達到調節引風管道負壓與節能的目的，在引風前安裝流量計及負壓表，以檢測引風主管道流量及負壓情況，以防出現堵塞情況。

圖2 布袋收粉器、主引風機工藝示意圖

2 控制系統的設計

2.1 硬件設計

本文所采取的西門子PCS7 控制系統總體設計層次可以分為兩層，第一層是實現現場數據采集和信號輸出等工作的控制器和現場信號裝置；第二層則為工程師站，主要為系統組態等的開發及系統運行過程中不同關鍵性工藝參數記錄、預警、修改、顯示等，并且能夠為后期的人工操作提供全面性的操作界面。其中，工業以太網則進行該兩個層次之間的數據通訊。第一層次的控制器為主從結構，主控制器采用西門414-5HCPU，帶DP/MPI 接口及PN(以太網)接口，背板采用9 槽背板，帶電源模塊，MPI/DP 接口組態為DP 總線連接方式，外掛四個IM153 擴展站。每個站下掛SM321，SM322 模塊采集現場狀態數據以及對現場設備進行控制。項目中所有的DO 輸出均由中間繼電器進行了隔離，以達到保護模塊的目的。不同控制機架之間主要采取PROFIBUS 系統總線實現數據通信，該系統總線可以實現多站次的連接，且數據傳輸速度能夠控制在10kb/s ～2Mb/s。項目中37kW 以上電機采用了馬達保護器進行綜合保護，并具備MODBUS RTU 接口，系統中配置了CP341 串口通訊模塊采集馬達保護器里的電機電流等信息。第二層次的工程師站則主要包括安裝Windows 10 LT2015 企業版操作系統的工業電腦，并且配備了相關系統組態軟件，不同工程師站都可以通過獨立接口實現終端總線的連接，完成以太網的接入工作。

2.2 軟件設計

對于系統軟件設計，PCS7 系統具備多類型的編程模式（LAD、STL、CFC、SFC、SCL 等），并且該控制系統程序組織執行使用較為簡便，控制系統內置的組織塊能夠充當用戶程序和系統之間的接口，通過操作系統的調用進行驅動程序的中斷和循環以及程序控制器的動態化啟動，也可以進行錯誤響應的處理。一般而言，PCS7 控制系統具備以下三個方面的軟件要求，首先，是能夠實現對傳統工藝參數的報警、檢測功能，CFC 變成模式的采取主要考慮到內置功能模塊的通用性，如閥門控制、數據監測、PID 調節等，可以進行極為簡潔方便的參數預警監測分析，且程序的設置一般在OB35（中斷時間循環組織塊），可以在0.1s 時間間隔進行單次循環；其次，對于自動調節回路則主要采取CFC 編程模式，串級調節模式為噴吹速度控制主要模式，內外環的自動調節形式不一致，煤粉噴吹工藝主要與濕度、溫度、煤粉品種具有重要關聯，實施噴吹速度一般只能夠選取為特定時間段的平均值，時間間隔則要適當選取，實際生產階段，一般選取為50 秒；對于自動倒罐作業，則需要考慮井罐噴煤閥門的自動化順序工作，一般在下一個動作命令發出之前，上一個閥門需要進那個開關到位工作，順序控制特征也是軟件設計需要重點考慮的，為此，需要采取SFC 模式進行編程處理，軟件程序則設置在0B35 內。

3 人機界面設計

該控制系統采取的人機界面主要為WinCC 軟件開發，該應用軟件能夠進行不同工業化圖形的展示、數據信息的存檔和相關報表等功能的提供，過程耦合、畫面更新及數據存儲等具備高效穩定的優點。人機界面主要具備動態工藝流程圖、工藝參數動態調節截面、控制查詢子圖、報警歷史數據趨勢分析圖、自動倒罐聯鎖控制圖等，人機界面具備較明顯的簡潔、方便等特性。

4 結語

高爐噴煤自動控制系統投入使用后，能夠在有效降低高爐入爐焦比的同時，不僅提升了工藝操作的自動化程度，而且能夠在不同工藝環節減少人工操作失誤率，該控制系統的長周期使用經驗表明，高爐噴煤工藝流程運行較為穩定，極少出現故障引發的中斷現象，能夠實現滿負荷、高效的生產，基于西門子PCS7 的控制系統值得在同類型鋼鐵企業中推廣應用，從而促進鋼鐵行業的發展。