中小型高爐噴煤自動(dòng)化PLC解決方案

我國高爐噴煤技術(shù)的應(yīng)用始于二十世紀(jì)六十年代。高爐噴吹煤粉是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹磨細(xì)了的無煙煤粉或煙煤粉或二者的混合煤粉，以替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，從而降低焦化，降低生鐵成本；同時(shí)，噴煤可調(diào)劑爐工藝熱制度及改善高爐爐缸的工作臺(tái)狀態(tài)。

2 噴煤工藝

在珠海項(xiàng)目中，在工藝技術(shù)人員的配合下，作者將大型高爐工藝進(jìn)行優(yōu)化、簡(jiǎn)化，降低投資成本；高爐噴吹煤粉工藝系統(tǒng)主要由原煤貯運(yùn)、煤粉制備、煤粉輸送、煤粉噴吹、干燥氣體制備和供氣動(dòng)力系統(tǒng)組成，工藝流程如圖1所示，如果是直接噴吹工藝，則無煤礦粉輸送部分。

圖1 高爐噴煤系統(tǒng)工藝流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)備（包括系統(tǒng)軟件）和控制應(yīng)用軟件滿足高爐噴煤的各種工藝控制要求，并保證與世界控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)相一致，能夠更新升級(jí)換代，以保證近十余年連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；
（2）實(shí)現(xiàn)新一代電儀一體化，數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)及人機(jī)操作接口一體化；
（3）操作監(jiān)視集中化，主工藝線（制粉、噴吹）上的設(shè)備均采用HMI（CRT操作站）操作，使電儀系統(tǒng)人機(jī)界面統(tǒng)一化、共享化；
（4）控制應(yīng)用軟件具有可靠性、穩(wěn)定性及可操作性，并便于維護(hù)和擴(kuò)展；
（5）選用的產(chǎn)品操作簡(jiǎn)易，人機(jī)界面漢化，用戶友好，系統(tǒng)軟件通用，設(shè)備成熟可靠，有業(yè)績和應(yīng)用實(shí)例。

3.2 系統(tǒng)硬件及設(shè)備設(shè)計(jì)

3.2.1 控制系統(tǒng)硬件及設(shè)備設(shè)計(jì)概要

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，今天的自動(dòng)化控制概念也發(fā)生了巨大的變化。在傳統(tǒng)的自動(dòng)化解決方案中，自動(dòng)化控制實(shí)際上是由各種獨(dú)立的、分離的技術(shù)和不同廠家的產(chǎn)品來搭配起來的，比如一個(gè)大型工廠經(jīng)常是由過程控制系統(tǒng)、可編程控制器、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、SCADA系統(tǒng)和人機(jī)界面產(chǎn)品共同進(jìn)行控制。為了把所有這些產(chǎn)品組合在一起，需要采用各種類型和不同廠商的接口軟件和硬件來連接、配置和調(diào)試。

全集成自動(dòng)化思想就是用一種系統(tǒng)完成原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能完成的所有功能。應(yīng)用這種解決方案，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少了大量接口部件，應(yīng)用全集成自動(dòng)化可以克服上位機(jī)和工業(yè)控制器之間，連續(xù)控制和邏輯控制之間，集中與分散之間的界限。同時(shí)，全集成自動(dòng)化解決方案還可以為所有的自動(dòng)化應(yīng)用提供統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境，這主要包括：（1）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理；（2）統(tǒng)一的通信；（3）統(tǒng)一的組態(tài)和編程軟件；（4）便于鏈接的通用網(wǎng)絡(luò)。

基于這種環(huán)境，各種各樣不同的技術(shù)可以在一個(gè)用戶接口下，集成在一個(gè)有全局?jǐn)?shù)據(jù)庫的總體平臺(tái)中，這樣系統(tǒng)之間的接口費(fèi)用大大降低，備品備件的品種和數(shù)量也大大減少。同時(shí)技術(shù)人員可以在一個(gè)平臺(tái)下對(duì)所有應(yīng)用進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控，可以大大提高監(jiān)控水平，減少非計(jì)劃停車時(shí)間。也是由于應(yīng)用一個(gè)組態(tài)平臺(tái)，培訓(xùn)和工程變得簡(jiǎn)單，費(fèi)用也大大降低。

根據(jù)系統(tǒng)需求，西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)能滿足工程的工藝要求。設(shè)備結(jié)構(gòu)形式符合世界自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)電儀一體化操作。網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開放、系統(tǒng)人機(jī)接口電儀一體化、資源共享、系統(tǒng)軟件穩(wěn)定可靠，并有利于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展。人機(jī)界面漢化，操作實(shí)用簡(jiǎn)便。西門子的全集成自動(dòng)化思想集中體現(xiàn)在可同時(shí)實(shí)現(xiàn)PLC 和DCS的解決方案。本系統(tǒng)硬件與網(wǎng)絡(luò)選用西門子全集成自動(dòng)化產(chǎn)品。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

本工程的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工藝上分成3個(gè)控制子系統(tǒng)：煤粉制備系統(tǒng)2套和煤粉噴吹系統(tǒng)1套。3個(gè)系統(tǒng)之間的通訊用西門子的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（工業(yè)以太網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的各類電源采用在UPS電源基礎(chǔ)上的集中供配制，實(shí)用并便于維護(hù)管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層分兩級(jí)：（1）標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)服務(wù)器控制方式，方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展；（2）現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與系統(tǒng)的統(tǒng)一。

3.2.3 PLC（I/O）接口信號(hào)

PLC的輸入采用光隔離模塊，輸出采用繼電器模塊。用PLC驅(qū)動(dòng)信號(hào)的直流電源驅(qū)動(dòng)儀用（I/O）信號(hào)和RTD信號(hào)，將PLC與儀表直接相連，完成儀表信號(hào)直接進(jìn)PLC。其中：模擬量（I/0）信號(hào)為4-20mA、RTD直接用PLC的溫度檢測(cè)進(jìn)機(jī)。

3.2.4 煤粉制備系統(tǒng)硬件及設(shè)備設(shè)計(jì)

煤粉制備系統(tǒng)配有兩套機(jī)組，分為A系列和B系列,為3座高爐煤粉噴吹制備煤粉。煤粉制備系統(tǒng)主要工藝過程如下：原煤倉煤塊經(jīng)過其出口插板閥進(jìn)入電子稱重式給煤機(jī)，根據(jù)設(shè)定的制粉量，向磨煤機(jī)供煤。原煤被磨輥碾磨的同時(shí)，被吸入磨煤機(jī)的干燥氣干燥。升溫爐送出的干燥氣出口溫度220～300℃，把較細(xì)的煤粉帶入位于磨煤機(jī)上部的分離器。分離器把不合格的煤紛返回到磨盤上再次碾磨，細(xì)度合格的煤粉隨干燥氣經(jīng)輸送管進(jìn)入布袋收塵器被收集，再經(jīng)鎖氣器進(jìn)入煤粉倉。

煤粉制備系統(tǒng)主要工藝裝置和設(shè)備如下：原煤倉：A系列、B系列各一個(gè)；給煤機(jī)：A系列、B系列各一臺(tái)，每臺(tái)配有電子稱、給料皮帶速度變頻器和閘板閥；磨煤機(jī)：A系列、B系列各配有一臺(tái)型中速輥式磨煤機(jī)；熱風(fēng)爐煙氣引風(fēng)機(jī)：A系列、B系列各一臺(tái)；煙氣升溫爐：A系列、B系列各配有一臺(tái)煙氣升溫爐；增壓風(fēng)機(jī)：A系列、B系列各一臺(tái)；袋式收粉器：A系列、B系列各一套；主排風(fēng)機(jī)：A系列、B系列各一臺(tái)；煤粉倉。

上述設(shè)備和各控制點(diǎn)由二臺(tái)PLC采集與控制。

3.2.5 煤粉噴吹系統(tǒng)硬件及設(shè)備設(shè)計(jì)

煤粉噴吹系統(tǒng)主要工藝過程如下：在一個(gè)塔式結(jié)構(gòu)的噴煤車間內(nèi)裝有三套噴吹系統(tǒng)，分別向3座高爐噴吹煤粉。噴吹系統(tǒng)包括了一個(gè)煤粉倉和每個(gè)噴吹系統(tǒng)的兩個(gè)噴吹罐。煤粉制備車間制成的煤粉經(jīng)布袋收粉器后，經(jīng)鎖氣器進(jìn)入煤粉倉。從煤粉倉(PCSB)送出的煤粉交替地加入各個(gè)噴吹罐，然后通過噴吹罐主管和分配器用氣力將煤粉送進(jìn)高爐風(fēng)口。

噴吹罐自動(dòng)進(jìn)行加料和充壓等，輪流連續(xù)不斷地向高爐噴吹煤粉。噴吹罐的輪換程序是從噴吹罐1H1到噴吹罐1H2，然后再返回到1H1。當(dāng)一個(gè)噴吹罐到達(dá)低位重量值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)另一個(gè)噴吹罐。被啟動(dòng)的噴吹罐必須在正在噴吹的罐到達(dá)最小重量設(shè)定值之前已經(jīng)裝好煤粉，充好壓，處在等待噴吹狀態(tài)。最小重量設(shè)定值信號(hào)同時(shí)也在線設(shè)定在下一個(gè)罐上，以便能達(dá)到平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換。

每個(gè)噴吹罐底部到流化錐體能幫助煤流穩(wěn)定地沿著主管到分給各風(fēng)口的分配器。

煤粉噴吹系統(tǒng)主要工藝裝置和設(shè)備如下：噴吹罐裝煤閥門控制；噴吹罐放散閥控制；充壓控制；流化調(diào)節(jié)控制；二次風(fēng)調(diào)節(jié)控制；管道防堵集中控制。

上述控制點(diǎn)由三臺(tái)PLC采集與控制。

3.3 系統(tǒng)與應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

（1）硬件及操作系統(tǒng)要求

SIEMENS PLC相關(guān)設(shè)備(如上配置，CPU全部采用SIEMENS 315-2DP);
工控機(jī)（研華P4/256M DDR/40G/19″純屏顯示器）
操作系統(tǒng)WINDOWS 2000

（2）開發(fā)工具

SIEMENS STEP 7 V5.2;WINCC 5.1;SIMATIC NET V6.1

（3）應(yīng)用軟件

按工程中工藝要求編制相應(yīng)的控制軟件，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

● 制粉電氣控制系統(tǒng)：設(shè)備連鎖控制；給煤磨煤控制；升溫爐燃燒控制；升溫爐送風(fēng)控制熱煙氣引風(fēng)控制；收粉控制；磨煤機(jī)入口負(fù)壓控制；磨煤機(jī)出口溫度控制；工藝參數(shù)測(cè)量監(jiān)視；操作數(shù)據(jù)設(shè)定；數(shù)據(jù)整理及傳送；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。

● 噴吹電氣控制系統(tǒng)：噴吹罐自動(dòng)加料控制；噴吹罐自動(dòng)換罐控制；噴吹罐自動(dòng)放散控制；噴吹罐加壓控制；氮?dú)鉁囟群蛪毫刂疲还に噮?shù)測(cè)量測(cè)量監(jiān)視；設(shè)備安全連鎖控制；數(shù)據(jù)整理及傳送；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控；生產(chǎn)報(bào)表。

4 結(jié)束語

珠海粵裕豐項(xiàng)目中采用西門子CPU315-2DP的五臺(tái)PLC及西門子交換機(jī)、網(wǎng)卡等采用Profibus協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，使用光纖傳輸技術(shù)，提高抗電磁干擾能力和滿足高速、遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)；截止目前為止該項(xiàng)目系統(tǒng)穩(wěn)定性、工作效率、可靠性及可操作性等方面,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果