1 引言
高爐煉鐵過程中煤氣溫度正常波動範圍在150-250℃之間,由於多種原因會導致爐頂煤氣溫度驟然升高。中小型高爐具有冶鍊強度高,爐料條件較差的特點,爐頂煤氣溫度控制難度大,更易導致溫度驟升。而煤氣溫度一旦超過正常範圍達30分鐘將嚴重燒傷濾袋,並且對高爐爐頂設備也會造成一定的損傷。因此需要往高爐爐頂打水以降低煤氣溫度。傳統的噴水冷卻是將水全部打到爐頂中心,其弊端是噴水流量不易控制,且不能迅速有效的把頂部溫度降下來,一旦噴水時間過長會造成高爐太涼甚至發生高爐凍結事故。近年來,採用爐頂噴霧降溫的工藝方法開始興起,實踐證明採用該工藝取得了良好的效果。
2 系統工藝過程
系統工藝過程:該系統主要是採集現場高爐四個冷卻管出口煤氣溫度,系統程序根據這四個溫度自動調節噴槍數量和噴水流量,以保證冷卻管道出口煤氣溫度控制在一定的範圍內。系統工作時,冷卻水自水源經過濾器後由水泵升壓到一定壓力,經出口管道送至噴槍,在壓縮氮氣的作用下霧化,產生細小的霧化顆粒。水霧在高溫煤氣中迅速蒸發,吸收煤氣的大量熱量,使煤氣溫度迅速降低到設定的溫度以下。當出口溫度感測器檢測到出口煤氣溫度高於溫度設定值時,在程序控制下,開啟一定數量的噴槍作用於降溫冷卻。降溫后若檢測到出口溫度仍高於設定值,說明噴水不足,增加噴槍數量或增大噴水流量。反之,減少噴槍數量或減小噴水流量[1]。控制器將現場的工況送至上位機進行集中處理,上位機將現場信號進行處理後送至中央控制室。
3 PLC控制系統設計
3.1 S7-300性能特點及系統組成
在眾多的PLC產品中,S7-300系列是模塊化的中小型PLC,適用於中等性能的控制要求。S7-300功能強、速度快、擴展靈活;它具有緊湊、無槽位限制的模塊化結構。它是目前國內應用較多,性價比較高的高性能PLC。各種功能模塊的組合能非常好的滿足各領域的自動控制任務。由於其簡單實用的分散式結構和多界面網路能力,使得應用十分靈活。由於本系統控制點數不多,基於成本和控制性能綜合考慮選用了S7-300型號PLC做為系統控制器。
S7-300系統組成為:電源模塊(PS),中央處理單元(CPU),信號模塊(SM)用於數字量和模擬量輸入/輸出,通訊處理器(CP)用於連接網路和點對點連接,功能模塊(FM)用於高速計數,定位控制(開環或閉環控制)。各種模塊能以不同的方式組合在一起,從而可使控制系統設計更加靈活,滿足不同的應用需求[2]。
在本控制系統中,選擇的S7-300的CPU型號是CPU315。電源模塊為PS307,5A。信號模塊:數字量輸入模塊為SM321,共有3塊,數字量輸出模塊為SM322共有2塊,模擬量輸入模塊為SM331共有1塊,本系統中沒有模擬量輸出模塊。通訊處理器CP選擇的是CP343-1用於實現S7-300到工業乙太網的連接。
3.2 系統主要性能參數及控制過程
系統設置有自動控制和手動控制方式。選擇手動控制時,運行人員可在觸摸屏或上位機上操作,手動設置開啟的噴槍數量,閥門開度等。當選擇自動控制方式時,系統將按程序執行工作。
該系統中主要的被控參數是溫度。溫度控制有平均溫度控制模式和單點溫度控制模式。
平均溫度控制模式:以四個冷卻管出口煤氣溫度的平均值為觸發溫度,操作人員設定允許的上限平均溫度(啟噴溫度)和允許的下限平均溫度(停噴溫度),當煤氣實際平均溫度達到設定的啟噴溫度時,系統自動啟動,開啟六支噴槍(間隔、對稱位置的噴槍)進行噴霧降溫。PLC對溫度變化趨勢進行判斷,如果溫度上升,則逐個增開噴槍,如果溫度下降則逐個關閉噴槍,始終保持爐頂溫度控制在啟噴溫度附近。若溫度低於停噴溫度,所有噴槍全部關閉,裝置停止運行[3]。
單點溫度控制模式:以四個冷卻管出口煤氣溫度的平均值為觸發溫度,操作人員設定允許的上限平均溫度(啟噴溫度)和允許的下限平均溫度(停噴溫度),當煤氣實際平均溫度達到設定的啟噴溫度時,系統自動啟動,開啟冷卻管實際溫度超過啟噴溫度的冷卻管附近的噴槍,進行針對性噴霧降溫,始終保持爐頂溫度控制在啟噴溫度附近。若溫度低於停噴溫度,所有噴槍全部關閉,裝置停止運行。
下面以單點溫度控制模式為例說明系統工作過程:
(1) 當控制溫度Te(冷卻管平均溫度)大於250℃(可調)時,水泵啟動,並開啟所有Ti(任意冷卻管溫度)溫度大於250℃的冷卻管兩邊的噴槍,開始向爐喉噴霧,當任意Ti溫度小於230℃(可調)時,關閉一支噴槍。當控制溫度Te大於280℃(可調)時,開啟所有噴槍。控制溫度Te大於300℃(可調)時,發出超溫報警。當控制溫度Te小於230℃時,關閉所有噴槍,並停止水泵。
(2) 噴槍吹掃:每組噴槍每隔8～300小時(可調)依次吹掃一次,每次每個噴槍吹掃3～5秒。每組噴槍吹掃動作完畢后,進行下一組噴嘴吹掃時需等待60秒(可調)。
(3) 在高爐開爐、停爐期間,如需對煤氣異常高溫情況降溫,可採用「手動」選擇噴霧量進行噴霧降溫。
(4) 系統設置有遠程和就地控制,選擇就地控制模式時,相關的參數設置和操作控制在觸摸屏上完成。選擇遠程控制模式時,相關的設置和控制操作在上位機上完成。
3.3 PLC控制系統的軟體設計
PLC控制是該系統的控制核心,本系統中溫度,流量,壓力等信號均為模擬量信號,模擬量輸入模塊能將其轉換為數字量信號,系統才能識別。數字量再經過程序中的運算處理就能得到直觀的數值。下圖以溫度信號為例,給出在程序中如何實現模擬量轉換成數字量信號后再轉換成直觀的數值。
上圖中t1為冷卻管1的出口溫度,溫度變送器輸入的為4-20mA的電流信號,經過轉換后可以對應為0-1000℃具體的溫度值。
程序控制主要是實現系統自動運行,自動調節噴槍數量將高爐煤氣溫度控制在一定的範圍內。
根據噴槍運行模式數控制開啟噴槍閥門的數量
設
啟動自動降溫程序下,每隔10S採集一次平均溫度,判定噴槍加減模式:
噴槍數量增加模式;平均溫度
啟噴溫度-溫度增量,運行模式數加1
噴槍數量減少模式:平均溫度
啟噴溫度-2溫度增量,運行模式數減1
下面是噴槍自動運行控制的程序:
AN M 8.6
A M 8.7
= L 21.0
AN M 7.7
AN M 21.0
= L 21.1
A( O M 7.7
O AN M7.7
A M 21.0)
= L 21.2
A I 1.2
= L 21.3
A I 1.0
= L 21.4
A I 1.1
= L 21.5
CALL FB 3, DB11
AUTO :=L21.0
LDWD1 :=DB10.DBD16
LDWD2 :=DB10.DBD20
LDWD3 :=DB10.DBD24
LDWD4 :=DB10.DBD28
QPWD :=DB10.DBW0
TPWD :=DB10.DBW2
BENG :=L21.1
BEIYONGSHUI :=L21.2
KM_BACK :=L21.3
V100_BACK :=L21.4
V200_BACK :=L21.5
DB_SFB3 :=DB6
V11 :=M1.0
V12 :=M1.1
V21 :=M1.2
V22 :=M1.3
V31 :=M1.4
V32 :=M1.5
V41 :=M1.6
V42 :=M1.7
KM :=M3.4
V100 :=M3.5
V200 :=M3.6
T_DISP :=DB10.DBD12
RUN_MODEL_NUM:=DB10.DBW34
運行模式數自動控制程序:
A #AUTO_RUN_READY
A T 26
A( L #T_AV
L #up_t
>=R )
A( L #RUN_MODEL_NUM
L 8
<I )
CU C 9
A #AUTO_RUN_READY
A T 26
A( L #T_AV
L #down_t
<=R)
A( L #RUN_MODEL_NUM
L 0
>I )
CD C 9
A #AUTO_RUN_READY
L C#3
S C 9
A( ON #AUTO
ON #AUTO_RUN_REQ
ON #AUTO_RUN_READY)
R C 9
LC C 9
T #RUN_MODEL_NUM_BCD
3.4 PLC與上位機的通訊設計
該系統上位機選擇的是研華IPC-610H型號工控機,上位機通過普通屏蔽雙絞線連接機身自帶的標準乙太網介面與西門子PLC中CP343乙太網模塊上的乙太網介面,實現上位機與PLC之間的實時數據傳輸。首先在S7-300編程軟體中硬體組態程序中設置好CP343的乙太網MAC地址,將組態好的硬體程序下載到PLC中,然後在上位機中WINCC監控程序中,只需在變數管理中添加WINCC與S7-300PLC的通訊驅動程序(SIMATIC S7 Protocol Sutie),最後將上位機需要監控和操作的變數添加到對應的乙太網通訊(Industrial Ethernet)中,然後設置好連接屬性中的乙太網MAC地址與CP343模塊的乙太網MAC地址對應,並設置好插槽號,即可實現上位機與PLC之間的通訊[4]。
4 組態軟體的設計
本系統選取的上位機組態軟體是SIMATIC WinCC。WinCC是一個可擴展的過程可視化的系統,能有效的監控自動化過程。設計有獨特而頗富吸引力的用戶界面,可用於辦公環境和製造業,以提供成熟和可靠的運行機制及高效的組態。不管是簡單任務還是複雜任務都能勝任。WinCC基於Windows平台,可以為各種領域提供完備的SCADA功能,涵蓋從單用戶系統到採用冗餘伺服器的分散式多用戶系統和採用Web客戶端的跨地區解決方案。
WinCC的優點主要有:內置所有操作和監視功能,組態簡便高效,通過Web實現連續擴展功能,採用開放式標準,便於集成,通過工廠智能提高生產透明度,通過選件和附加組件進行擴展,全集成自動化的組成部分。
(1) 界面參數,該系統中組態監控系統所要採集的數據主要有:高爐管壁冷卻管出口溫度,水泵出口壓力,水流量等信號。主要顯示的信號有:爐頂煤氣溫度報警,啟噴溫度及其輸入,停噴溫度及其輸入,吹掃周期、吹掃時間及其輸入,各組噴槍運行狀態,各氣動球閥運行狀態,水泵運行狀態,電磁流量計顯示噴霧流量。顯示故障報警等信息。
(2) 軟體功能 ①採集現場數據,便於集中管理,並將數據傳到上位機。②採集現場信號,便於監視與控制。③點擊組態畫面上相應的按鈕,完成需要的工作。
運行系統監控畫面如下:
5 結束語
本文設計了一個以s7-300為控制器,wincc為上位機組態軟體的高爐爐頂噴霧控制系統,實踐表明,該設計節約了噴水用量且能快速有效降低高爐煤氣溫度,系統長期穩定運行無故障,給廠家提供了巨大的經濟效益。
參考文獻:
[1] 薛浩,高爐煤氣噴霧降溫系統的研究與改進[J].製造業自動化,2010,32(2):137-139.
[2] 柳春生.電器控制與PLC[M].北京:機械工業出版社,2010.
[3] 趙增強.高爐爐頂噴霧冷卻系統的應用[J].2011,(4):120-123。
[4] 甄立東,西門子Wincc V7基礎與應用[M].北京:機械工業出版社,2011.
作者簡介:杜丁香(1985-),女,研究生,研究方向:控制理論與控制工程。
