高爐出鐵場除塵自動控制系統探討

王宏偉

（山鋼集團萊蕪分公司煉鐵廠，山東 濟南 271104）

據統計數據表明，2020 年度我國的生鐵總產量達到88 752.4 萬t，同比增長4.3%，在產量增長的同時，煉鐵高爐也逐步向大型化方向發展。而對于大型煉鐵高爐來說，在出鐵與出渣過程中，鐵水流槽與鐵水罐表面散發大量煙塵，每噸鐵水約產生400～700 g煙塵，煙氣含塵質量濃度在150～1 500 mg/m3之間，每噸鐵水中的w（SiO2）約為0.8%～1.2%，CO 含量為0.7～1.15 kg，這些煙塵不僅給周邊環境造成污染，而且也給高爐煉鐵設備、儀表等設施的正常運行帶來嚴重影響[1]。因此，為了積極響應國家“節能減排”的號召，國內鋼鐵企業不斷對出鐵場除塵自動控制系統性能進行優化，旨在最大限度地降低煙塵排放量，助力企業實現經濟效益與社會效益雙豐收的美好愿景。

1 出鐵場除塵自動控制系統的硬件配置

以國內某煉鐵廠的3 號高爐除塵自動控制系統為例，對系統內部的硬件配置情況進行詳細說明。該控制系統主控室內的西門子主站由以下硬件設施組成：PLC 可編程邏輯控制器、CPU 為317-2PN/DP、網卡為CP343-1、模擬量模塊為A18×16、數字量輸入輸出模塊為DIO16。除塵現場所采用的是吉諾的現場總線，其組成結構包括網關、DI、DO、AI 以及AO 模塊。其中，DI 即數字量輸入模塊，主要負責接收來自于各個閥門的開關位信號與設備的操作信號，并且只有0 和1 兩種輸入狀態。DO 即數字量輸出模塊，主要根據已經采集的數字信號，專門來控制現場電磁閥的各種動作，或者直接驅動外部的一些常用設備，比如設備啟動、設備停止、電機正反轉、變頻器啟停等。AI即模擬量輸入模塊，與數字量輸入模塊不同的是，該模塊會根據電流的大小，顯示現場生產過程中的溫度、壓力、流量、振幅等參數的具體數值，其中4 輸入代表4 個通道，8 輸入則代表8 個通道。AO 即模擬量輸出模塊，主要用于風門等調節閥輸出控制與管理。進入21 世紀以后，PLC 技術日漸成熟，并且在主爐出鐵場除塵自動控制系統中的應用效果也逐步突顯出來，在以PLC 為核心的運行系統當中，各個功能模塊能夠保障系統安全穩定運行。除塵自動控制系統除塵設備的相關技術參數如表1 所示。

表1 除塵設備的相關技術參數

2 出鐵場除塵自動控制系統的網絡配置

該煉鐵廠高爐出鐵場除塵自動控制系統的網絡配置采用了PROFINET 工業通信協議。與其他協議相比，該協議主要具有以下特征：

1）系統運行過程中將產生大量數據，這些數據之間在進行交換時，可通過該協議完成快速交換過程。如設備在運行期間出現故障，會嚴重影響生產進度，在這種情況下，利用PROFINET 工業通信協議，能夠讀取大量的故障診斷數據，進而快速確定故障的具體部位。

2）高傳輸速率給數據傳送與數據處理節省了大量時間，與過去傳統的現場總線相比，利用該協議使其傳輸速率提升數十倍，且具有良好的抗干擾能力，在數據傳輸過程中，也不會給I/O 數據的傳輸帶來絲毫影響。

3 出鐵場除塵自動控制系統的軟件配置

3.1 人機交互界面

出于對畫面簡潔、操作便捷的考慮，該控制系統的人機交互界面所應用的軟件為WINCC7.4，相比于其他軟件，該軟件具有強大的標準接口，其中包括OLE 接口、Active X 接口以及OPC 接口。編程語言主要使用ANSI C 語言以及Visual Basic 語言，從技術層面看，ANSI C 語言屬于美國國家標準協會制定的一種C 語言標準。而Visual Basic 語言則是Microsoft 公司開發的一種通用的基于對象的程序設計語言，其中，Visual 主要是指開發圖形用戶界面的方法，這種方法無需編寫大量的代碼，便可以準確描述出界面元素的外觀與位置，因此，該腳本語言屬于一種結構化、模塊化的程序設計語言，且具有更好的通用性。在應用這兩種語言編寫軟件程序時，可以大大簡化系統的組態工作，尤其在系統調試階段，設計人員可以對程序進行在線修改，這就使程序設計效率大幅提升。此外，WINCC7.4 軟件提供的人機交互界面，不僅能夠清晰直觀地觀察到每一個具體的操作項，而且在操作過程中不會出任何冗余的操作步驟，這就給系統終端操作人員提供了一個簡潔高效的操作平臺。

比如在對除塵裝置的實時運行狀態進行監控時，系統反饋的信息可以直接生成曲線圖，終端操作人員只需要借助于人機交互界面，便可以及時了解到設備的運轉信息，如果發現曲線圖存在異常情況，操作人員可以隨時啟動預警裝置，進而快速發出預警信號，以此能夠在最短的時間內完成設備故障的排除工作，這不僅給故障排除和設備檢修爭取了大量時間，而且也能夠確保除塵裝置的正常運轉。

3.2 除塵系統自動化控制程序

該煉鐵廠的3 號高爐除塵自動控制系統的運行程序主要采用梯形圖進行編寫。這種編寫方法易于操作和掌握，并且程序執行效果也較為明顯。結合高爐出鐵場的除塵需要，該系統的自動化控制程序主要包括高壓變頻控制程序、反吹控制程序、卸灰控制程序以及氣力輸送控制程序。

3.2.1 高壓變頻控制程序

為了達到節能減排的目的，避免煉鐵煙塵給周邊環境造成嚴重污染，該系統軟件控制程序中的高壓變頻控制程序主要包括自動控制、手動控制與現場機旁控制[2]。顧名思義，自動控制主要是利用系統中的PLC對除塵設備的煙塵吸附能力進行智能化控制，當排放出的煙塵量較小時，可以降低設備的運行頻率，這樣可以節省大量的電力能源，當排放出的煙塵量較大時，設備的運行頻率將自動提高，這時，能夠對煙塵量進行有效控制。手動控制則是終端操作人員通過人機操作界面直接輸入設備的運行頻率，如果需要下載硬件時，變頻控制程序將自動切換至機旁控制程序。這時，現場操作人員可以直接對設備的運行狀態進行人工調節，進而將煙塵量控制在一個合理的區間范圍之內。

3.2.2 反吹控制程序

反吹控制程序啟動后，煉鐵過程中產生的煙塵將由除塵器下部進氣口進入到除塵器內部，經過除塵器的過濾處理，一些大顆粒煙塵將下沉到除塵器底部，而小顆粒煙塵將直接被吸附到濾袋表面，然后由排氣室直接排出。反吹控制程序一般包括自動反吹與手動反吹兩種方式，由于濾袋在吸附煙塵顆粒時會產生較大的壓力差，當壓力差達到系統設定的限值以后，自動反吹程序將自行開啟。如果壓力差未達到系統設定的限值，那么操作人員完全可以采取手動操作的方式，對煉鐵煙塵進行處理。為了避免出現噴吹壓力不足的情況，噴吹管打開的時間間隔應當盡量延長，這樣能夠達到較好的煙塵吸附效果。

3.2.3 卸灰與氣力輸送控制程序

當開啟卸灰程序后，系統中的刮板機、上卸灰閥、下卸灰閥將依次開啟，如果上下兩個卸灰閥的開啟次數達到限值，系統將自動進入到下一階段的卸灰程序，直至各倉室沒有多余的灰渣為止。而氣力輸送控制程序則分為待氣階段、進料階段、進氣階段以及輸送階段。在待氣階段，系統所有閥門處于關閉狀態；在進料階段，平衡閥與進料閥將自動開啟，如果倉泵料滿信號出現以后，則表示進料結束；在輸送階段，將依次開啟進氣閥與出料閥，直至輸灰過程結束。

4 結語

通過對煉鐵廠高爐出鐵場除塵自動控制系統進行分析與研究發現，系統的智能化、自動化水平將直接決定煉鐵煙塵的排放效果，因此，鋼鐵生產企業應當不斷對自動化除塵系統性能予以優化和改進，在實現“節能減排”目標的同時，為企業贏得更多的經濟效益與社會效益。