1 引言
高炉炼铁过程中煤气温度正常波动范围在150-250℃之间,由于多种原因会导致炉顶煤气温度骤然升高。中小型高炉具有冶炼强度高,炉料条件较差的特点,炉顶煤气温度控制难度大,更易导致温度骤升。而煤气温度一旦超过正常范围达30分钟将严重烧伤滤袋,并且对高炉炉顶设备也会造成一定的损伤。因此需要往高炉炉顶打水以降低煤气温度。传统的喷水冷却是将水全部打到炉顶中心,其弊端是喷水流量不易控制,且不能迅速有效的把顶部温度降下来,一旦喷水时间过长会造成高炉太凉甚至发生高炉冻结事故。近年来,采用炉顶喷雾降温的工艺方法开始兴起,实践证明采用该工艺取得了良好的效果。
2 系统工艺过程
系统工艺过程:该系统主要是采集现场高炉四个冷却管出口煤气温度,系统程序根据这四个温度自动调节喷枪数量和喷水流量,以保证冷却管道出口煤气温度控制在一定的范围内。系统工作时,冷却水自水源经过滤器后由水泵升压到一定压力,经出口管道送至喷枪,在压缩氮气的作用下雾化,产生细小的雾化颗粒。水雾在高温煤气中迅速蒸发,吸收煤气的大量热量,使煤气温度迅速降低到设定的温度以下。当出口温度传感器检测到出口煤气温度高于温度设定值时,在程序控制下,开启一定数量的喷枪作用于降温冷却。降温后若检测到出口温度仍高于设定值,说明喷水不足,增加喷枪数量或增大喷水流量。反之,减少喷枪数量或减小喷水流量[1]。控制器将现场的工况送至上位机进行集中处理,上位机将现场信号进行处理后送至中央控制室。
3 PLC控制系统设计
3.1 S7-300性能特点及系统组成
在众多的PLC产品中,S7-300系列是模块化的中小型PLC,适用于中等性能的控制要求。S7-300功能强、速度快、扩展灵活;它具有紧凑、无槽位限制的模块化结构。它是目前国内应用较多,性价比较高的高性能PLC。各种功能模块的组合能非常好的满足各领域的自动控制任务。由于其简单实用的分散式结构和多界面网络能力,使得应用十分灵活。由于本系统控制点数不多,基于成本和控制性能综合考虑选用了S7-300型号PLC做为系统控制器。
S7-300系统组成为:电源模块(PS),中央处理单元(CPU),信号模块(SM)用于数字量和模拟量输入/输出,通讯处理器(CP)用于连接网络和点对点连接,功能模块(FM)用于高速计数,定位控制(开环或闭环控制)。各种模块能以不同的方式组合在一起,从而可使控制系统设计更加灵活,满足不同的应用需求[2]。
在本控制系统中,选择的S7-300的CPU型号是CPU315。电源模块为PS307,5A。信号模块:数字量输入模块为SM321,共有3块,数字量输出模块为SM322共有2块,模拟量输入模块为SM331共有1块,本系统中没有模拟量输出模块。通讯处理器CP选择的是CP343-1用于实现S7-300到工业以太网的连接。
3.2 系统主要性能参数及控制过程
系统设置有自动控制和手动控制方式。选择手动控制时,运行人员可在触摸屏或上位机上操作,手动设置开启的喷枪数量,阀门开度等。当选择自动控制方式时,系统将按程序执行工作。
该系统中主要的被控参数是温度。温度控制有平均温度控制模式和单点温度控制模式。
平均温度控制模式:以四个冷却管出口煤气温度的平均值为触发温度,操作人员设定允许的上限平均温度(启喷温度)和允许的下限平均温度(停喷温度),当煤气实际平均温度达到设定的启喷温度时,系统自动启动,开启六支喷枪(间隔、对称位置的喷枪)进行喷雾降温。PLC对温度变化趋势进行判断,如果温度上升,则逐个增开喷枪,如果温度下降则逐个关闭喷枪,始终保持炉顶温度控制在启喷温度附近。若温度低于停喷温度,所有喷枪全部关闭,装置停止运行[3]。
单点温度控制模式:以四个冷却管出口煤气温度的平均值为触发温度,操作人员设定允许的上限平均温度(启喷温度)和允许的下限平均温度(停喷温度),当煤气实际平均温度达到设定的启喷温度时,系统自动启动,开启冷却管实际温度超过启喷温度的冷却管附近的喷枪,进行针对性喷雾降温,始终保持炉顶温度控制在启喷温度附近。若温度低于停喷温度,所有喷枪全部关闭,装置停止运行。
下面以单点温度控制模式为例说明系统工作过程:
(1) 当控制温度Te(冷却管平均温度)大于250℃(可调)时,水泵启动,并开启所有Ti(任意冷却管温度)温度大于250℃的冷却管两边的喷枪,开始向炉喉喷雾,当任意Ti温度小于230℃(可调)时,关闭一支喷枪。当控制温度Te大于280℃(可调)时,开启所有喷枪。控制温度Te大于300℃(可调)时,发出超温报警。当控制温度Te小于230℃时,关闭所有喷枪,并停止水泵。
(2) 喷枪吹扫:每组喷枪每隔8～300小时(可调)依次吹扫一次,每次每个喷枪吹扫3～5秒。每组喷枪吹扫动作完毕后,进行下一组喷嘴吹扫时需等待60秒(可调)。
(3) 在高炉开炉、停炉期间,如需对煤气异常高温情况降温,可采用“手动”选择喷雾量进行喷雾降温。
(4) 系统设置有远程和就地控制,选择就地控制模式时,相关的参数设置和操作控制在触摸屏上完成。选择远程控制模式时,相关的设置和控制操作在上位机上完成。
3.3 PLC控制系统的软件设计
PLC控制是该系统的控制核心,本系统中温度,流量,压力等信号均为模拟量信号,模拟量输入模块能将其转换为数字量信号,系统才能识别。数字量再经过程序中的运算处理就能得到直观的数值。下图以温度信号为例,给出在程序中如何实现模拟量转换成数字量信号后再转换成直观的数值。
上图中t1为冷却管1的出口温度,温度变送器输入的为4-20mA的电流信号,经过转换后可以对应为0-1000℃具体的温度值。
程序控制主要是实现系统自动运行,自动调节喷枪数量将高炉煤气温度控制在一定的范围内。
根据喷枪运行模式数控制开启喷枪阀门的数量
设
启动自动降温程序下,每隔10S采集一次平均温度,判定喷枪加减模式:
喷枪数量增加模式;平均温度
启喷温度-温度增量,运行模式数加1
喷枪数量减少模式:平均温度
启喷温度-2温度增量,运行模式数减1
下面是喷枪自动运行控制的程序:
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
运行模式数自动控制程序:
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与上位机的通讯设计
该系统上位机选择的是研华IPC-610H型号工控机,上位机通过普通屏蔽双绞线连接机身自带的标准以太网接口与西门子PLC中CP343以太网模块上的以太网接口,实现上位机与PLC之间的实时数据传输。首先在S7-300编程软件中硬件组态程序中设置好CP343的以太网MAC地址,将组态好的硬件程序下载到PLC中,然后在上位机中WINCC监控程序中,只需在变量管理中添加WINCC与S7-300PLC的通讯驱动程序(SIMATIC S7 Protocol Sutie),最后将上位机需要监控和操作的变量添加到对应的以太网通讯(Industrial Ethernet)中,然后设置好连接属性中的以太网MAC地址与CP343模块的以太网MAC地址对应,并设置好插槽号,即可实现上位机与PLC之间的通讯[4]。
4 组态软件的设计
本系统选取的上位机组态软件是SIMATIC WinCC。WinCC是一个可扩展的过程可视化的系统,能有效的监控自动化过程。设计有独特而颇富吸引力的用户界面,可用于办公环境和制造业,以提供成熟和可靠的运行机制及高效的组态。不管是简单任务还是复杂任务都能胜任。WinCC基于Windows平台,可以为各种领域提供完备的SCADA功能,涵盖从单用户系统到采用冗余服务器的分布式多用户系统和采用Web客户端的跨地区解决方案。
WinCC的优点主要有:内置所有操作和监视功能,组态简便高效,通过Web实现连续扩展功能,采用开放式标准,便于集成,通过工厂智能提高生产透明度,通过选件和附加组件进行扩展,全集成自动化的组成部分。
(1) 界面参数,该系统中组态监控系统所要采集的数据主要有:高炉管壁冷却管出口温度,水泵出口压力,水流量等信号。主要显示的信号有:炉顶煤气温度报警,启喷温度及其输入,停喷温度及其输入,吹扫周期、吹扫时间及其输入,各组喷枪运行状态,各气动球阀运行状态,水泵运行状态,电磁流量计显示喷雾流量。显示故障报警等信息。
(2) 软件功能 ①采集现场数据,便于集中管理,并将数据传到上位机。②采集现场信号,便于监视与控制。③点击组态画面上相应的按钮,完成需要的工作。
运行系统监控画面如下:
5 结束语
本文设计了一个以s7-300为控制器,wincc为上位机组态软件的高炉炉顶喷雾控制系统,实践表明,该设计节约了喷水用量且能快速有效降低高炉煤气温度,系统长期稳定运行无故障,给厂家提供了巨大的经济效益。
参考文献:
[1] 薛浩,高炉煤气喷雾降温系统的研究与改进[J].制造业自动化,2010,32(2):137-139.
[2] 柳春生.电器控制与PLC[M].北京:机械工业出版社,2010.
[3] 赵增强.高炉炉顶喷雾冷却系统的应用[J].2011,(4):120-123。
[4] 甄立东,西门子Wincc V7基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2011.
作者简介:杜丁香(1985-),女,研究生,研究方向:控制理论与控制工程。