煤氣柜ESD控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

苗 青 李國柱 宣月茜

（濟南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250200）

0 前言

近年來，冶金行業(yè)屢次出現(xiàn)氣柜爆炸事故，不僅給企業(yè)生產(chǎn)帶來損失，而且也嚴(yán)重影響環(huán)境和人身安全，因此安全有效地控制好煤氣柜的各項運行指標(biāo)，保障其穩(wěn)定運行、保障生產(chǎn)管網(wǎng)的補充供應(yīng)，是每個企業(yè)近年來的頭等大事。煤氣柜是貯存工業(yè)及民用煤氣的鋼制容器，包括濕式煤氣柜和干式煤氣柜2種。濕式煤氣柜為用水密封的套簡式圓柱形結(jié)構(gòu)；干式煤氣柜為用稀（干）油或柔膜密封的活塞式結(jié)構(gòu)。安裝干式煤氣柜有稀油密封的曼恩型柜、干油密封的克隆型柜和橡膠膜密封的威金斯柜等。威金斯煤氣柜又稱橡膠膜密封式干式氣柜，它和曼恩型柜是石化、冶金、鋼鐵等行業(yè)的1種常用儲氣容器，特別是近年來被煤化工及冶金行業(yè)普遍采用[1]。按氣柜在煤氣系統(tǒng)中的作用，煤氣柜又分為管網(wǎng)柜和回收柜，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣（管網(wǎng)柜）有2個作用，即儲存和穩(wěn)壓[2]。轉(zhuǎn)爐煤氣柜（回收柜）有3個作用緩沖、調(diào)質(zhì)、儲存，即回收柜只是在煉鋼生產(chǎn)過程中，不定期回收轉(zhuǎn)爐煤氣，鑒于煉鋼間斷性生產(chǎn)的特性，必須配置氣柜進行緩沖、混合，才能連續(xù)穩(wěn)定地供給用戶使用。

1 ESD控制系統(tǒng)

煤氣柜控制系統(tǒng)硬件部分目前多采用單/雙控制器、單網(wǎng)絡(luò)、單供電電源、單檢測儀表檢測，冗余部分僅限于控制器部分。軟件部分也僅能進行日常的控制過程的操作需求，不具備冗余、容錯和復(fù)雜邏輯判斷及緊急安全停車等功能，當(dāng)控制器、供電電源、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場儀表出現(xiàn)某個明顯的故障時，不具備異常狀況下邏輯判斷能力，極易造成工藝事故，存在重大的安全隱患。

煤氣柜控制系統(tǒng)主要包括2個部分：第1個部分主要是煤氣柜系統(tǒng)的工藝設(shè)備的控制，如煤氣柜柜體活塞位置檢測與控制、活塞傾斜度檢測與控制、柜容檢測與控制、密封稀油液位檢測與控制以及煤氣壓力，溫度，濃度的檢測控制、煤氣柜進出氣口的各種閥門控制，稀油加壓站油泵控制，煤氣加壓站設(shè)備的控制等。第2個部分是控制這些設(shè)備按邏輯運轉(zhuǎn)的PLC系統(tǒng)[3]。

該文根據(jù)上述煤氣柜安全控制的重要性，設(shè)計了一種安全、可靠煤氣柜安全控制方法，即煤氣柜緊急停車Emergency Shutdown Device（簡稱煤氣柜ESD）控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過2個方面實現(xiàn)了煤氣柜安全高效控制：1）硬件設(shè)計方面。PLC控制系統(tǒng)采用全冗余方式，即冗余CPU中央處理器、冗余現(xiàn)場總線、冗余供電電源、冗余工業(yè)以太網(wǎng)傳輸控制、多重冗余控制檢測點及檢測設(shè)備。2）軟件設(shè)計方面。設(shè)計多個控制模型，結(jié)構(gòu)化編程：將氣柜高度、活塞上升和下降速度、氣柜壓力、CO濃度的控制與連鎖、進、出口閥門進行一系列安全有效地控制，很好地實現(xiàn)了煤氣柜各個設(shè)備地快速響應(yīng)控制，系統(tǒng)投運后，至今零故障運行，保證了煤氣柜安全正常運轉(zhuǎn)。

2 具體實施策略

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成要素

煤氣柜ESD控制系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備設(shè)計組成和軟件模型控制2個部分組成[4]。硬件設(shè)備設(shè)計包括PLC可編程控制器、冗余電源設(shè)計、冗余I/O點采集和信號安全隔離設(shè)計等，系統(tǒng)硬件配置圖如圖1所示。軟件模型控制包括一般的信號邏輯控制，重要控制信號的模型控制等，兩者相結(jié)合，缺一不可。

圖1 煤氣柜ESD控制系統(tǒng)硬件配置圖

2.2 系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計

針對氣柜安全、穩(wěn)定、快速響應(yīng)的控制要求及新一代PLC控制器特有的功能，以下采用了5個方面的可靠性設(shè)計與控制：1）采用高效PLC系列冗余控制器，系統(tǒng)設(shè)置了控制器心跳信號，用于檢測控制器CPU的正常運轉(zhuǎn)與否，采用以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、供電電源雙重冗余的配置方式，保證系統(tǒng)安全可靠運行。ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求，在正常情況下，ESD系統(tǒng)不需要人為干預(yù)，ESD控制系統(tǒng)CPU的掃描周期一般為幾十毫秒，根據(jù)控制系統(tǒng)所掃描的控制點的數(shù)量，一般為50 ms左右，所以ESD的響應(yīng)時間是極為迅速的，一旦檢測到主控制器心跳信號異常，系統(tǒng)自動切換到副控制器。2）對于輸入、輸出模擬量信號通過加裝防爆安全柵（一入兩出）進行現(xiàn)場與控制系統(tǒng)的安全有效隔離，現(xiàn)場檢測信號一分為二，一路進原有系統(tǒng)顯示報警，另一路進ESD系統(tǒng)參與連鎖控制，雙重保證檢測信號的穩(wěn)定性和安全性。3）ESD系統(tǒng)所有開關(guān)量輸入、輸出信號都通過隔離繼電器隔離，保證測點的干接點輸入和輸出。安全柵、繼電器全部采用進口品牌，保證設(shè)備質(zhì)量與安全穩(wěn)定性。4）設(shè)計安全有效的控制邏輯方式，對活塞高度、氣柜壓力三重檢測，對氣柜頂部的CO濃度六重檢測，并對連鎖信號首先進行濾波處理，分別采用三取二、六取四的信號處理方式參與控制連鎖，保證了重點信號的測量的有效性和準(zhǔn)確性。5）ESD控制系統(tǒng)設(shè)計了7個主要控制模型：氣柜高度-活塞速度轉(zhuǎn)換模型、活塞上升超速高限連鎖控制模型、活塞上升超速高高限連鎖控制模型、活塞下降超速高限連鎖控制模型、活塞下降超速高高限連鎖控制模型、氣柜壓力控制連鎖模型、氣柜頂部CO濃度連鎖控制模型，以保證氣柜氣柜及輸入輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并且以上控制方式為全自動控制方式，在手動控制下各控制均可解列，由操作人員手動控制電動閥門開啟和關(guān)閉、進出口調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)置等[5]。

3 關(guān)鍵控制模型設(shè)計

3.1 活塞高度——速度轉(zhuǎn)換模型

模型概述：該模型設(shè)置了活塞高度的三重檢測，通過三取二判斷，有效選取測量值，并將活塞在每秒的位移變化轉(zhuǎn)換成活塞上升和下降的速度，實現(xiàn)了活塞高度的精準(zhǔn)選擇和活塞速度的精確轉(zhuǎn)換。具體邏輯圖如圖2所示。

圖2 氣柜高度-活塞速度轉(zhuǎn)換模型

3.2 活塞上升超速高限及高高限聯(lián)鎖模型

模型概述：該模型調(diào)用活塞高度-速度轉(zhuǎn)換模型，只截取活塞的上升速度，然后和活塞的高度實時測量值相并聯(lián)，作為判斷氣柜入口閥關(guān)閉的連鎖條件，當(dāng)活塞的上升速度超過2.5 m/min或者活塞高度大于32 m且小于38.5 m時，入口調(diào)節(jié)閥按每秒1%的梯度關(guān)閉，當(dāng)活塞的上升速度小于1.0 m/min時，停止關(guān)閉入口調(diào)節(jié)閥。當(dāng)活塞上升速度超過3.0 m/min或者活塞高度超過40 m時（該氣柜的總量程高度為55 m），緊急關(guān)閉入口電動閥，再關(guān)閉入口調(diào)節(jié)閥，并進行聲光報警。該模型實現(xiàn)了活塞高度及上升超速度高高限連鎖的精準(zhǔn)控制，并對入口調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉速度作了一定的速率限制，避免了入口調(diào)節(jié)閥因關(guān)閉速度過快造成氣柜內(nèi)部的壓力波動。具體邏輯圖參如圖3所示。

圖3 活塞上升超速高限聯(lián)鎖模型

3.3 活塞下降超速高限及高高限聯(lián)鎖模型

模型概述：該模型的控制邏輯同上，截取活塞的下降速度，然后和活塞的高度測量值相并聯(lián)，作為判斷氣柜出口閥關(guān)閉的連鎖條件，當(dāng)活塞的下降速度超過2.5 m/min或者活塞高度大于12 m且小于18 m時，出口調(diào)節(jié)閥按每秒1%的梯度關(guān)閉，當(dāng)活塞的下降速度小于1.0 m/min時，停止關(guān)閉出口調(diào)節(jié)閥。當(dāng)活塞下降速度超過3.0 m/min或者活塞高度低于8 m時，緊急關(guān)閉出口電動閥，再關(guān)閉出口調(diào)節(jié)閥，并進行聲光報警。該模型實現(xiàn)了活塞高度及下降超速高限及高高限聯(lián)鎖的精準(zhǔn)控制。

4 控制效果

系統(tǒng)投用后，完全能夠滿足氣柜正常的控制運轉(zhuǎn)，風(fēng)險系數(shù)大大降低，保證了煤氣柜的各項運行指標(biāo)正常運行，保證了生產(chǎn)管網(wǎng)中煤氣的補充供應(yīng)，并在緊急情況下實現(xiàn)了氣柜連鎖電氣設(shè)備的快速關(guān)斷，自動化控制水平大幅度提升，避免了操作人員緊急情況下的誤操作，保障其穩(wěn)定運行，極大地降低了氣柜爆炸風(fēng)險。減少了煤氣放散，減少大氣污染，減少了工業(yè)活動產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境造成的破壞，意義重大[6]。