干法除塵自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1、基于PLC與WinCC的干法除塵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用(福建省三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，福建 三明 365000)摘 要：本文介紹了一種基于PLC與WinCC的高爐煤氣干法除塵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。該控制系統(tǒng)采用在Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制，中間增加兩個(gè)中繼器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效放大和再生處理，從而達(dá)到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，保證了控制系統(tǒng)可靠、及時(shí)、高速的數(shù)據(jù)通信；采用了WinCC監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的HMI監(jiān)控畫面，利用其全局C腳本自動(dòng)生成EXCEL文件格式的生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表。關(guān)鍵詞：PLC；WinCC；Profibus-DP；干法除塵；HMI監(jiān)控畫面；0 引言煉鐵高爐煤氣干式布袋除塵由于節(jié)水、一次性投資

2、后運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，已經(jīng)成為高爐重要的煤氣除塵方式，同時(shí)可以開發(fā)干式高爐煤氣余壓發(fā)電（TRT發(fā)電）, 利用高爐煤氣余壓余能奠定了基礎(chǔ), 是目前國(guó)內(nèi)外高爐煤氣除塵應(yīng)用熱點(diǎn)。2012年5月，福建省三鋼( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司4#高爐1050m3干法除塵設(shè)施進(jìn)行全面改造，其電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)合之前運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全面升級(jí)改造。本套基于PLC與WinCC的干法除塵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從節(jié)約成本考慮，需要將原先的現(xiàn)場(chǎng)控制箱及開關(guān)量輸入輸出模塊應(yīng)用到新系統(tǒng)中，并采取新增4個(gè)BL67儀表站點(diǎn)全面取代原先集中回控制室的儀表模擬量信號(hào)。這樣即節(jié)省了中控室控制柜的數(shù)量，減少了其占地面積，為與高爐其他輔助設(shè)施控制

3、全面集中到一個(gè)控制室奠定了基礎(chǔ)，又使得整個(gè)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制的PLC系統(tǒng)更加有利于日常的檢修維護(hù)。1系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介圖1 干法除塵工藝流程圖如圖1所示，本套干法除塵控制系統(tǒng)的高爐煤氣先經(jīng)過重力除塵器將大顆粒粉塵因自身重力作用自然沉降，再由荒煤氣總管通過進(jìn)口蝶閥和進(jìn)口盲板閥分配到裝有若干布袋除塵器的14個(gè)箱體中，在箱體中荒煤氣顆粒較大的粉塵再因重力作用自然沉降，顆粒較小的粉塵隨煤氣繼續(xù)上升。荒煤氣經(jīng)過濾袋時(shí)，粉塵被阻留在濾袋的外表面，煤氣此時(shí)得到凈化。凈化后的煤氣進(jìn)入箱體上部，再通過出口盲板閥和出口蝶閥進(jìn)入凈煤氣總管，并最終經(jīng)過TRT發(fā)電機(jī)組或減壓閥組輸送到煤氣總管網(wǎng)。當(dāng)荒煤

4、氣溫度大于260或低100時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉所有箱體進(jìn)口蝶閥，同時(shí)打開荒煤氣頂部放散閥組，進(jìn)行荒煤氣放散，該過程為無擾切換，并可以有效控制高爐爐頂壓力。隨著過濾過程的不斷進(jìn)行，濾袋上的粉塵越積越多，過濾阻力不斷增大。當(dāng)阻力增大或時(shí)間到一定值時(shí)，電磁脈沖閥啟動(dòng)，進(jìn)行脈沖噴吹清灰，噴吹氣采用氮?dú)?，清理的灰塵落入箱體下部。當(dāng)箱體下部中的灰塵累積到一定量由料位計(jì)控制或時(shí)間控制時(shí)，啟動(dòng)刮板機(jī)卸輸灰系統(tǒng)。灰塵經(jīng)星型卸灰閥卸入輸灰管道，由刮板機(jī)將灰塵輸送至大灰倉(cāng)，最后粉塵經(jīng)加濕機(jī)加濕再由運(yùn)灰汽車運(yùn)走。2 PLC控制系統(tǒng)2.1 控制系統(tǒng)硬件組成圖2 干法除塵控制系統(tǒng)總硬件圖如圖2所示，干法除塵控制系統(tǒng)設(shè)備控制

5、級(jí)采用西門子S7系列的PLC, PLC控制器采用STEP7 V5.4軟件進(jìn)行組態(tài)編程，CPU使用高性能的414-2 DP型處理器, 確保了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。PLC和現(xiàn)場(chǎng)各遠(yuǎn)程站之間采用Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)連接, PLC與ET200工作站之間通過Profibus-DP 進(jìn)行通訊，通訊速率12 M，保證了控制系統(tǒng)可靠、及時(shí)、高速的數(shù)據(jù)通信。電氣控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制采用“三電合一”，即電氣控制、儀表控制、計(jì)算機(jī)全部采用一套PLC控制系統(tǒng)。低壓配電部分設(shè)計(jì)有電源自動(dòng)切換柜，并通過UPS電源保證了PLC 主站與現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O站電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。PLC控制柜主要硬件構(gòu)成如

6、表1所示。此外，采用圖爾克BL20系列產(chǎn)品通過兩個(gè)電機(jī)控制柜控制14個(gè)箱體的倉(cāng)壁振動(dòng)器與星卸電機(jī)的啟停。電動(dòng)設(shè)備倉(cāng)壁振動(dòng)器、星卸電機(jī)和刮板機(jī)，采用機(jī)旁、遠(yuǎn)程上位機(jī)兩種操作方式來進(jìn)行控制，機(jī)旁操作僅用于調(diào)試和檢修設(shè)備時(shí)使用，遠(yuǎn)程上位機(jī)操作為正常生產(chǎn)時(shí)使用的操作方式。其他A、B蝶閥、C、D盲板閥和上下球閥等只采用遠(yuǎn)程上位機(jī)操作方式。表1名稱型號(hào)單位數(shù)量PS407電源 10A6ES7 407-0KA01-0AA0塊1S7-400 CPU414-2DP6ES7 414-2XK05-0AB0塊1存儲(chǔ)卡 8M RAM卡塊1通訊模塊 CP443-5Ext6GK7 443-5DX04-0XE0塊1以太網(wǎng)模塊

7、CP443-1 6GK7 443-1EX11-0XE0塊1DI輸入模塊 32P DI6ES7 321-1BL00-0AA0塊1DO輸入模塊 32P DO6ES7 322-1BL00-0AA0塊1AI輸入模塊 8P AI6ES7 331-7KF02-0AB0塊1A0輸入模塊 8P AO6ES7 332-5HF00-0AB0塊1ET200套件6ES7 153-1AA03-0XB0塊1工業(yè)交換機(jī)6GK53082FM002AA3塊12.2 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式圖3 中繼器Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線采用RS-485差分平衡傳輸方式，最大的優(yōu)點(diǎn)是可抑制噪聲，但在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過多、傳輸線路

8、距離過大、外部環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重情況下，控制系統(tǒng)就可以通過增加中繼器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效放大和再生處理，從而達(dá)到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、保證良好通信質(zhì)量的目的。中繼器如圖3所示，它的總線接口為一進(jìn)三出，并分為Segment1和Segment2兩段，其中Segment2具有信號(hào)放大功能，而Segment1沒有。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，距離短的用Segment1或Segment2都可行，但到下一個(gè)距離遠(yuǎn)的站點(diǎn)通常用Segment2，這樣可以防止距離遠(yuǎn)的站點(diǎn)丟失，有效降低總線故障。檢修人員在處理總線故障時(shí)，切記不要將原先接Segment1和Segment2的總線接頭位置調(diào)換，否則可能將總線故障進(jìn)一步擴(kuò)大丟失更多站點(diǎn)，查

9、找總線故障時(shí)最好使用終端電阻，從前端站點(diǎn)開始逐級(jí)查找。在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)總線通訊過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)電氣施工人員水平參差不齊，在總線聯(lián)接施工過程中存在著一些問題，調(diào)試人員可以通過終端電阻逐級(jí)查找總線故障點(diǎn)。本系統(tǒng)由于PLC柜與現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，從PLC控制柜兩DP口出來的總線分別進(jìn)干法現(xiàn)場(chǎng)東西兩邊的中繼器IN端口，在由三個(gè)OUT端口分別連接現(xiàn)場(chǎng)箱體其它幾層的站點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)模塊之間現(xiàn)場(chǎng)總線通過總線T型頭串聯(lián)起來，此外，中繼器不需要在STEP7硬件中進(jìn)行組態(tài)。2.3 控制方式的實(shí)現(xiàn)干法除塵控制系統(tǒng)中每個(gè)箱體設(shè)有一套脈沖氮?dú)夥创迪到y(tǒng)。包括:氮?dú)獍?、脈沖閥、噴吹管、球閥等。每個(gè)噴吹包各安裝15個(gè)脈沖閥。反吹介質(zhì)

10、為氮?dú)?，脈沖用氮?dú)鈮毫?.30.4MPa，小時(shí)用量約為1000m3。反吹方式：在線反吹、半閉線反吹和單體反吹，可連續(xù)周期性進(jìn)行反吹，也可實(shí)現(xiàn)定時(shí)或定壓差的間歇反吹操作制度。脈沖反吹系統(tǒng)主要包括噴吹氣包、脈沖閥、噴吹管、閥門、噴嘴等。工作原理：脈沖閥開啟后，高壓氮?dú)馔ㄟ^噴吹管從噴嘴里噴出，形成高速氣流進(jìn)入濾袋，并從周圍引射數(shù)倍于噴射氣量的凈煤氣沖進(jìn)濾袋，使濾袋急劇膨脹，引起一次沖擊振動(dòng)。并在瞬間產(chǎn)生由里往外的逆向氣流。在沖擊振動(dòng)和逆向氣流的作用下，濾袋表面的粉塵被抖落。整個(gè)過程約為0.1秒。卸灰系統(tǒng)采用中間灰斗加三閥的形式，即布袋除塵器筒體下設(shè)氣動(dòng)鎖緊式卸灰鐘閥，中間灰斗下設(shè)氣動(dòng)鎖緊式卸灰鐘閥

11、，再設(shè)星形給料閥。卸灰時(shí)，先將箱體灰斗中的灰塵卸到中間灰斗中，然后再由中間灰斗卸到刮板輸送機(jī)中運(yùn)出。箱體灰斗的容積大于中間灰斗的容積，以保證箱體卸灰時(shí)，能保證部分灰封，防止煤氣竄入中間灰斗中。兩個(gè)過程分開進(jìn)行，保證煤氣在卸灰過程不泄露。現(xiàn)場(chǎng)14個(gè)布袋除塵器和其他設(shè)備的控制硬件組成如表3所示。表3名稱型號(hào)單位數(shù)量DP網(wǎng)關(guān)模塊MG 0102 0000塊4開關(guān)量輸入模塊MC 1008 0300塊11開關(guān)量輸出模塊MC 1108 0102塊7模擬量輸入模塊MC 2302 0000塊19模擬量輸入模塊MC 2X04 0000塊19模擬量輸出模塊MC 2X04 0000塊2DI輸入模塊塊41DO輸出模塊塊

12、72除脈沖反吹需要氮?dú)鈿庠赐?，氣?dòng)閥門驅(qū)動(dòng)、氮?dú)馀谝残枰獨(dú)?。因此?yīng)設(shè)置氮?dú)鈨?chǔ)存罐，用來暫時(shí)存儲(chǔ)氮?dú)?。在除塵器裝置中設(shè)1個(gè)10m3氮?dú)鈨?chǔ)氣罐，氮?dú)鈿庠磯毫?yīng)不小于0.8MPa。除塵器本體上面主要閥門設(shè)備為氣動(dòng)，氣動(dòng)閥門的操作采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制氣動(dòng)閥門線圈狀態(tài)的方法來控制氣動(dòng)閥門。機(jī)旁操作通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇，由機(jī)旁按鈕信號(hào)反饋到PLC，由PLC輸出指令操作電氣柜內(nèi)的接觸器來達(dá)到動(dòng)作設(shè)備的目的。設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)限位開關(guān)信號(hào)均須輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1、布袋除塵器荒煤氣總管溫度檢測(cè)、報(bào)警，凈煤氣總管溫度檢測(cè)。2、壓力檢測(cè)11個(gè)點(diǎn)，分別為荒、凈煤氣總管壓力檢測(cè)，大灰倉(cāng)兩個(gè)進(jìn)口，1個(gè)出口壓力檢測(cè)，四個(gè)氮?dú)庹{(diào)壓閥組后

13、壓力檢測(cè)和一個(gè)煤氣調(diào)壓閥組后壓力檢測(cè)。 3、差壓變送16個(gè)點(diǎn)。分別為14個(gè)布袋除塵箱體荒、凈煤氣管壓差檢測(cè)，1個(gè)荒凈煤氣總管差壓檢測(cè)，5個(gè)氮?dú)庹{(diào)壓閥組前后差壓檢測(cè)。4、含塵量檢測(cè)15個(gè)點(diǎn)，分別為14個(gè)布袋除塵箱體凈煤氣支管含塵量檢測(cè)，1個(gè)凈煤氣總管含塵量檢測(cè)。5、灰位檢測(cè)20個(gè)，分別為每個(gè)除塵器箱體灰斗上各2個(gè)熱電偶，共20個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；大灰倉(cāng)3個(gè)射頻導(dǎo)納檢測(cè)灰位。6、流量檢測(cè)4個(gè)點(diǎn)，分別為脈沖反吹、氣力輸灰、氮?dú)馀诤蜌鈩?dòng)閥門四個(gè)氮?dú)庵返牧髁繖z測(cè)。7、除塵器脈沖反吹系統(tǒng)的脈沖閥順序控制。自動(dòng)反吹程序設(shè)計(jì)，從1至14號(hào)箱體依次反吹自動(dòng)切瓦與引瓦程序， 3 WinCC組態(tài)軟件系統(tǒng)監(jiān)控畫面3.1 監(jiān)控

14、畫面的總體設(shè)計(jì)圖4 干法除塵控制系統(tǒng)主畫面如圖4所示干法除塵控制系統(tǒng)主畫面，上位機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)使用Simatic WinCC 7.0, 通過該軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能:（1）上位機(jī)Simatic WinCC 7.0與下位機(jī)Siemens PLC的通信。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這樣既可以滿足操作管理人員或檢修人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可通過操作界面完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。上位機(jī)、工業(yè)交換機(jī)與下位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)以100Mb/s的速度進(jìn)行高速通信, 確保了監(jiān)控畫面模擬設(shè)備的快速響應(yīng)性。2臺(tái)上位機(jī)互為備用, 使得監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠, 最大程度上保障了生產(chǎn)的連續(xù)性

15、。工業(yè)交換機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的高速通信,實(shí)現(xiàn)控制程序的上傳下載，完成HMI畫面組態(tài)程序的正常工作。（2）畫面整體設(shè)計(jì)。用其簡(jiǎn)單的自帶畫圖工具，根據(jù)干法現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際的分布情況，畫出主體設(shè)備合理布置圖及走向，使用不同的顏色表示各類設(shè)備，以達(dá)到畫面整體美觀的效果，畫面中固定不變的機(jī)構(gòu)使用比較暗的顏色，開關(guān)、閥門等活動(dòng)部分使用比較鮮亮的顏色。在主畫面設(shè)計(jì)好以后，在設(shè)備相應(yīng)的位置上標(biāo)記出限位開關(guān)信號(hào)、溫度、壓力、含塵量等狀態(tài)信息。在主畫面下端布置上選擇分窗口的若干按鈕，在右邊空白處將其他一些公共儀表量信息歸類顯示在一處。（3）主畫面能夠基本反映工藝流程總貌及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示。監(jiān)控程序

16、主畫面動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖、運(yùn)行設(shè)備閥門的開關(guān)位，箱體的溫度、壓力、含塵量及箱體反吹運(yùn)行狀態(tài), 供操作人員了解系統(tǒng)生產(chǎn)狀況。主監(jiān)控畫面還提供其他子系統(tǒng)的圖形界面, 包括：氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥窗口、反吹畫面、刮板機(jī)畫面、放散調(diào)節(jié)閥畫面、切引瓦畫面、儀表畫面、現(xiàn)場(chǎng)照明畫面、用戶歸檔畫面、報(bào)警畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、報(bào)警消音等。通過按鈕可以切換至不同的窗口, 來展現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)工藝部分的生產(chǎn)實(shí)際情況和其他記錄報(bào)警功能等。（4）控制方式選擇。系統(tǒng)提供兩種控制方式：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁操作。操作人員正常情況下都在上位機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)需要到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試檢修時(shí)，可以設(shè)置為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁操作（屏蔽遠(yuǎn)程控制），提高了現(xiàn)場(chǎng)檢修人

17、員的安全性。氮?dú)夥创悼刂品绞教峁┤N遠(yuǎn)程控制方式: 在線反吹、半閉線反吹和單體反吹，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，在監(jiān)控主畫面上自由選擇。（5）參數(shù)趨勢(shì)顯示圖。監(jiān)控程序提供了每個(gè)箱體溫度、含塵量、壓力（壓差）等實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線的顯示，通過點(diǎn)擊主畫面上任意箱體的儀表量數(shù)據(jù)即可顯示出對(duì)應(yīng)箱體相關(guān)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線，通過編寫C腳本可以在儀表量趨勢(shì)曲線窗口畫面上對(duì)14個(gè)箱體間任意切換觀察，從而使管理與技術(shù)人員及時(shí)有效地把握設(shè)備的運(yùn)行狀況。過程值歸檔中無法建立關(guān)系和對(duì)字符串進(jìn)行歸檔。這些功能使用用戶歸檔可以實(shí)現(xiàn)。（6）參數(shù)值設(shè)置。根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況, 在線調(diào)整溫度控制值、各類報(bào)警值上下限設(shè)置等參數(shù)值。（7）系

18、統(tǒng)報(bào)警及消音。系統(tǒng)報(bào)警包括：文字報(bào)警和語(yǔ)音報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)有大量的檢測(cè)儀表信號(hào)，開關(guān)信號(hào)的丟失和故障信號(hào)反饋等，其中有些信號(hào)在生產(chǎn)過程中的可能出現(xiàn)很短暫異常，這些短暫出現(xiàn)的故障信息就需要被報(bào)警記錄畫面記錄下來，這方面的功能WinCC也為設(shè)計(jì)人員提供了現(xiàn)成的控件，按照向?qū)О阉行枰O(jiān)測(cè)的點(diǎn)加到控件里。所有記錄均要求是長(zhǎng)期記錄，并且報(bào)警記錄的到達(dá)、離開、確認(rèn)各狀態(tài)需要用不同顏色來顯示。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，操作人員通過系統(tǒng)彈出的報(bào)警畫面可以詳細(xì)地了解故障信息，同時(shí)根據(jù)操作人員的需要將一些重要故障報(bào)警同時(shí)設(shè)置了語(yǔ)音報(bào)警，起到了更好的提示效果。在聽到語(yǔ)音報(bào)警后，通過消音按鈕暫時(shí)消音，及時(shí)通知相關(guān)人員對(duì)故障進(jìn)

19、行處理。3.2 復(fù)雜報(bào)表的自動(dòng)生成在干法除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)中，操作管理人員需要記錄每個(gè)小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)公共設(shè)備儀表值和各個(gè)箱體的溫度、壓差、含塵量等。雖然可以利用WinCC直接做復(fù)雜報(bào)表，但WinCC自帶的報(bào)表編輯器功能有限，在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不便。因此，本系統(tǒng)充分發(fā)揮WinCC的強(qiáng)大功能，通過C腳本來完成復(fù)雜報(bào)表的自動(dòng)生成。首先，利用excel工具做一個(gè)干法除塵實(shí)際需要的報(bào)表的空白模板，保存在G:GF_DayReport.xls中。充分利用excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以預(yù)先設(shè)置好各單元格之間的求和、平均、最大值、最小值等計(jì)算，甚至更加復(fù)雜的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存放在對(duì)應(yīng)的單元格內(nèi)。其次，在WinCC 項(xiàng)目中編寫一個(gè)全局腳本命名lingdiancf.pas。它的功能包括：實(shí)現(xiàn)每天的00:00:01觸發(fā)（周期性觸發(fā)），并執(zhí)行復(fù)制GF_DayReport.xls文件并以此刻的年月日加載到模板文件名后，將復(fù)制新產(chǎn)生的“GF_DayReport_*年*月*日.xls”的文件存盤到指定的目錄下。最后，在WinCC 項(xiàng)目中再編寫一個(gè)全局腳本zhengdiancf.pas。它的功能包括：實(shí)現(xiàn)每天的整點(diǎn)觸發(fā)（使用系統(tǒng)小時(shí)變量觸發(fā)），把需要記錄的變量值寫到“GF_DayRepo