高爐環保型渣處理PLC控制系統的設計與實現

孫 虎

（中冶南方工程技術有限公司智能制造事業部，湖北 武漢 430223）

環保型渣處理系統是一種先進的爐渣處理技術，其技術成熟，具有連續沖渣、水渣質量高和環境條件好等優勢，在國內外得到較快推廣。目前國內外有很多鋼鐵企業采用該技術處理高爐爐渣。以國內某高爐環保型渣處理系統為例，本文對該套渣處理系統的控制系統的設計與實現進行了全面的分析論述。

1 工藝流程

環保渣處理的工藝流程：高爐爐渣經渣溝送入粒化槽，粒化槽外側的粒化箱噴射冷卻水快速冷卻水淬爐渣，并使之跌落入粒化槽的水中進一步冷卻，渣水混合物沿渣水管溝進入脫水轉鼓的分配器，并被裝有篩板的脫水器旋轉提升過濾。當轉鼓轉到最高點時，水渣落入轉鼓內的皮帶運輸機上，再轉運到水渣倉，汽車外運；濾過的水被收集到熱水槽中[1]。

爐渣粒化過程中產生的蒸汽進入粒化槽上部的冷凝塔中，內設冷凝噴嘴噴水冷凝蒸汽，冷凝水經接水盤后收集入熱水槽；冷凝水和熱水槽中的水合并后，再由冷卻回水泵將混合后的水送入冷卻塔循環使用。熱水槽中的粉渣由循環泵抽出送入脫水器再過濾，防止水渣粉粒在熱水槽中沉積。

由于采用封閉的冷凝塔對粒化產生的蒸汽進行噴水冷卻，裝置基本無蒸汽和其他有害氣體排入大氣中；沖渣水循環使用，補充設置集水槽，收集熱水槽等處的溢流水，生產過程無污水排出，有利于環境保護。

整個環保型渣處理系統工藝流程可以分為兩個子流程：水渣從轉鼓分離落入轉鼓內皮帶上之前的流程稱為渣制備流程；水渣落入皮帶然后轉運至渣倉的流程稱為渣儲運流程。

2 控制系統構成

控制系統設計主要包括硬件設計與實現、軟件設計與實現。

2.1 硬件配置設計

控制系統的硬件配置主要工控機、PLC、交換機等。工控機與PLC系統之間通過以太網通訊方式進行數據交換。本設計采用兩套控制系統分別對兩套渣處理系統進行控制，兩套系統間通過以太網通訊進行數據交換。控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

PLC采用西門子公司的S7-400系列CPU以及S7-300系列的IO模塊。西門子S7-400 PLC有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量。S7-400 PLC采用模塊化無風扇的設計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據需要組合成不同的專用系統。當控制系統規模擴大或升級時，只要適當地增加一些模板，便能使系統升級和充分滿足需要[2-3]。

PLC硬件配置：PLC部分包括CPU單元、電源模塊、IO模塊等，配置表如下頁表1所示。

表1 PLC硬件配置表

2.2 軟件設計

軟件設計包括人機界面設計和程序設計。人機界面軟件采用Siemens WINCC 7.3軟件制作，編程軟件采用Siemens step7 V5.6軟件對PLC進行編程和組態。Step7中提供了功能模塊圖、梯形圖、指令表和順序功能圖等圖形化組態手段，使編程調試的過程變得更加簡單[4]。工控機操作系統采用Windows7操作系統，WINCC和Step7都是在Windows操作系統平臺上工作。

2.2.1 程序設計

程序設計分為單體設備程序設計和流程邏輯控制設計。

渣處理的設備主要包括轉鼓、泵、閥、皮帶等，設備類別少，同類設備數量多。針對這一特點，可以采用模塊化設計。對于電氣功能相似的設備，比如泵類，設計統一的公共模塊，所有泵類都可以調用該模塊。簡化了程序設計過程，使設計思路更加清洗明了，對于程序的修改、調試和維護都更加方便。這部分主要是單體設備的程序設計，可以用Step7中的FB功能塊編寫單體設備程序模塊，方便反復調用[5]。

另外，根據渣處理系統的運行特點，整個系統分為兩個子流程：渣制備系統流程和渣儲運系統流程。

渣制備系統流程啟動流程依次為：啟動轉鼓—粒化泵—回水泵—冷凝泵—內循環泵—冷卻塔風機—啟動完畢。

渣制備系統流程停止流程依次為：停止粒化泵—回水泵—冷凝泵—內循環泵—冷卻塔風機—轉鼓—停止完畢。

渣儲運系統流程啟動流程依次為：啟動Z03皮帶—Z02皮帶—Z01皮帶—啟動完畢。

渣儲運系統流程停止流程依次為：停止Z01皮帶—Z02皮帶—Z03皮帶—停止完畢。

2.2.2 人機界面設計

人機界面的設計包括工藝流程畫面、控制面板畫面、歷史趨勢畫面、報警畫面。

工藝流程畫面包括整個渣處理工藝流程概貌，直觀顯示各種數據及信號信息。它將復雜工藝流程變為一個人機交互的總界面。

單體設備控制面板，實現對單體設備的控制功能。控制面板也是模塊化設計，同類設備使用同一控制面板，可反復調用，方便修改和調試。

歷史趨勢畫面：為了保證生產過程的順利進行，并以高生產率、小事故率生產出合格的產品，在任何時刻都能準確地了解工藝過程的全貌是十分必要的。測量值趨勢曲線正是了解和控制工業生產的基本手段。本系統主要記錄了轉鼓轉速、泵出水壓力、流量、水池液位、水溫等等參數的數據，繪制了相應的歷史趨勢曲線。

人機界面中設計了功能完善的故障報警畫面，在生產過程中如果出現了某些故障，系統自動發出報警信號的畫面，并且輸出聲音報警。操作人員發現報警信號后，可以在人機界面上查看報警信息，并且可以通過故障處理界面查看該故障的相應處理措施。有些故障通過人機界面可以直接處理，有些故障需要到現場處理，針對所有故障報警都提供了完善的故障處理方案，使故障處理更加準確、高效。

3 控制功能實現

整個渣處理系統的控制方式分：集中自動、集中手動和機旁手動三種操作方式。

機旁操作：各個設備在機旁操作箱上無聯鎖操作，主要用于設備安裝、檢修和調試。機旁箱上的操作不進PLC控制。

在每臺設備的機旁操作箱上都有機旁與集中的選擇開關。當選擇機旁操作時，通過機旁操作箱按鈕可啟停設備；選擇集中操作時，HMI上有集中手動和自動的選擇來決定集中的操作方式。

集中手動：各個設備在畫面上進行手動操作，保留有基本的聯鎖關系。

集中自動：由本機按照預先設定的程序進行自動控制。

系統設備處于集中自動狀態下，渣處理系統可以實現一鍵啟停。“一鍵啟停”包括兩部分：渣制備系統和渣儲運系統。

對于渣制備系統，點擊“一鍵啟動聯鎖”按鈕，按鈕變為綠色，如果各設備滿足啟動條件，則“可以啟動系統”按鈕前面的方框變為綠色。點擊“啟動”按鈕，則各設備按照順序依次啟動，設備啟動過程中，啟動按鈕前的方框處于綠閃狀態，直至應該啟動的所有設備啟動。系統運行起來后，“渣制備系統運行”前的方框變為綠色。點擊“停止”按鈕，則各設備按照順序依次停止，停止按鈕前的方框處于藍閃狀態，直至所有設備停止。

對于渣運輸系統，點擊“一鍵啟動聯鎖”按鈕，按鈕變為綠色，如果各設備滿足啟動條件，則“可以啟動系統”按鈕前面的方框變為綠色。點擊“啟動”按鈕，則各設備按照順序依次啟動，設備啟動過程中，啟動按鈕前的方框處于綠閃狀態，直至應該啟動的所有設備啟動。系統運行起來后，“渣制備系統運行”前的方框變為綠色。點擊“停止”按鈕，則各設備按照順序依次停止，停止按鈕前的方框處于藍閃狀態，直至所有設備停止。

4 結論

本文針對環保型渣處理系統，設計了基于Siemens Simatic S7-400 PLC的控制系統，介紹了該控制系統的構成及控制功能，實現了渣處理系統的自動控制，提高了工作效率，減少了故障率。并建立了完善的故障處理機制，是故障處理更加準確及時。操作簡單，極大地降低了運營成本。經過幾年的運行測試，該系統控制效果良好，達到了預期設計要求，很值得進一步運用和推廣。