干法除尘自动化控制系统(共8页)

1、PAGE PAGE 13基于PLC与WinCC的干法除尘(chchn)控制系统的设计及应用(福建省三钢（集团(jtun)）有限责任公司，福建 三明(sn mn) 365000)摘 要：本文介绍了一种基于PLC与WinCC的高炉煤气干法除尘自动化控制系统的设计及应用。该控制系统采用在Profibus-DP现场总线控制，中间增加两个中继器来对信号进行有效放大和再生处理，从而达到扩展网络规模，保证了控制系统可靠、及时、高速的数据通信；采用了WinCC监控软件设计的HMI监控画面，利用其全局C脚本自动生成EXCEL文件格式的生产日报表。关键词：PLC；WinCC；Profibus-DP；干法除尘；HM

2、I监控画面；0 引言炼铁高炉煤气干式布袋除尘由于节水、一次性投资后运行维护费用低，已经成为高炉重要的煤气除尘方式，同时可以开发干式高炉煤气余压发电（TRT发电）, 利用高炉煤气余压余能奠定了基础, 是目前国内外高炉煤气除尘应用热点。2012年5月，福建省三钢( 集团) 有限责任公司4#高炉1050m3干法除尘设施进行全面改造，其电气自动化控制系统结合之前运行维护经验进行全面升级改造。本套基于PLC与WinCC的干法除尘自动化控制系统的设计，从节约成本考虑，需要将原先的现场控制箱及开关量输入输出模块应用到新系统中，并采取新增4个BL67仪表站点全面取代原先集中回控制室的仪表模拟量信号。这样即节省

3、了中控室控制柜的数量，减少了其占地面积，为与高炉其他辅助设施控制全面集中到一个控制室奠定了基础，又使得整个采用Profibus-DP现场总线控制的PLC系统更加有利于日常的检修维护。1系统工艺流程(n y li chn)简介图1 干法(n f)除尘工艺流程图如图1所示，本套干法除尘控制系统的高炉煤气先经过重力除尘器将大颗粒粉尘因自身重力作用自然(zrn)沉降，再由荒煤气总管通过进口蝶阀和进口盲板阀分配到装有若干布袋除尘器的14个箱体中，在箱体中荒煤气颗粒较大的粉尘再因重力作用自然沉降，颗粒较小的粉尘随煤气继续上升。荒煤气经过滤袋时，粉尘被阻留在滤袋的外表面，煤气此时得到净化。净化后的煤气进入箱

4、体上部，再通过出口盲板阀和出口蝶阀进入净煤气总管，并最终经过TRT发电机组或减压阀组输送到煤气总管网。当荒煤气温度大于260或低100时，系统将自动关闭所有箱体进口蝶阀，同时打开荒煤气顶部放散阀组，进行荒煤气放散，该过程为无扰切换，并可以有效控制高炉炉顶压力。随着过滤过程的不断进行，滤袋上的粉尘越积越多，过滤阻力不断增大。当阻力增大或时间到一定值时，电磁脉冲阀启动，进行脉冲喷吹清灰，喷吹气采用氮气，清理的灰尘落入箱体下部。当箱体下部中的灰尘累积到一定量由料位计控制或时间控制时，启动刮板机卸输灰系统。灰尘经星型卸灰阀卸入输灰管道，由刮板机将灰尘输送至大灰仓，最后粉尘经加湿机加湿再由运灰汽车运走。

5、2 PLC控制系统2.1 控制系统硬件组成图2 干法除尘控制系统(kn zh x tn)总硬件图如图2所示，干法除尘控制(kngzh)系统设备控制级采用西门子S7系列(xli)的PLC, PLC控制器采用STEP7 V5.4软件进行组态编程，CPU使用高性能的414-2 DP型处理器, 确保了控制系统的稳定性和快速性。PLC和现场各远程站之间采用Profibus-DP通信网络连接, PLC与ET200工作站之间通过Profibus-DP 进行通讯，通讯速率12 M，保证了控制系统可靠、及时、高速的数据通信。电气控制、仪表控制和计算机控制采用“三电合一”，即电气控制、仪表控制、计算机全部采用一套

6、PLC控制系统。低压配电部分设计有电源自动切换柜，并通过UPS电源保证了PLC 主站与现场分布式I/O站电源系统的稳定性和可靠性。PLC控制柜主要硬件构成如表1所示。此外，采用图尔克BL20系列产品通过两个电机控制柜控制14个箱体的仓壁振动器与星卸电机的启停。电动设备仓壁振动器、星卸电机和刮板机，采用机旁、远程上位机两种操作方式来进行控制，机旁操作仅用于调试和检修设备时使用，远程上位机操作为正常生产时使用的操作方式。其他A、B蝶阀、C、D盲板阀和上下球阀等只采用远程上位机操作方式。表1名称型号单位数量PS407电源 10A6ES7 407-0KA01-0AA0块1S7-400 CPU414-2

7、DP6ES7 414-2XK05-0AB0块1存储卡 8M RAM卡块1通讯模块 CP443-5Ext6GK7 443-5DX04-0XE0块1以太网模块 CP443-1 6GK7 443-1EX11-0XE0块1DI输入模块 32P DI6ES7 321-1BL00-0AA0块1DO输入模块 32P DO6ES7 322-1BL00-0AA0块1AI输入模块 8P AI6ES7 331-7KF02-0AB0块1A0输入模块 8P AO6ES7 332-5HF00-0AB0块1ET200套件6ES7 153-1AA03-0XB0块1工业交换机6GK53082FM002AA3块12.2 Prof

8、ibus-DP现场总线(zn xin)通讯方式图3 中继器Profibus-DP现场总线采用RS-485差分平衡传输方式，最大的优点是可抑制噪声，但在现场设备过多、传输线路距离过大、外部环境电磁干扰严重情况下，控制系统就可以通过增加中继器来对信号进行有效放大和再生处理，从而达到扩展网络规模、保证良好通信质量的目的。中继器如图3所示，它的总线接口为一进三出，并分为Segment1和Segment2两段，其中Segment2具有信号放大功能，而Segment1没有。因此，在实际应用中，距离短的用Segment1或Segment2都可行，但到下一个距离远的站点通常用Segment2，这样可以防止距离

9、远的站点丢失，有效降低总线故障。检修人员在处理总线故障时，切记不要将原先接Segment1和Segment2的总线接头位置调换，否则可能将总线故障进一步扩大丢失更多站点，查找总线故障时最好使用终端电阻，从前端站点开始逐级查找。在调试现场总线通讯过程(guchng)中，由于现场电气施工人员水平参差不齐，在总线联接施工过程中存在着一些问题，调试人员可以通过终端电阻逐级查找总线故障点。本系统由于PLC柜与现场站点的距离较远，从PLC控制柜两DP口出来的总线分别进干法现场东西两边的中继器IN端口，在由三个OUT端口分别连接现场箱体其它几层的站点，现场各个模块之间现场总线通过总线T型头串联起来，此外，中

10、继器不需要在STEP7硬件(yn jin)中进行组态。2.3 控制方式的实现干法除尘控制系统中每个箱体设有一套脉冲氮气反吹系统。包括:氮气包、脉冲阀、喷吹管、球阀等。每个喷吹包各安装15个脉冲阀。反吹介质为氮气，脉冲用氮气压力为0.30.4MPa，小时用量约为1000m3。反吹方式：在线反吹、半闭线反吹和单体反吹，可连续周期性进行反吹，也可实现定时或定压差的间歇反吹操作制度。脉冲反吹系统主要包括喷吹气包、脉冲阀、喷吹管、阀门、喷嘴等。工作原理：脉冲阀开启后，高压氮气通过喷吹管从喷嘴里喷出，形成高速气流进入滤袋，并从周围引射数倍于喷射气量的净煤气冲进滤袋，使滤袋急剧膨胀，引起一次冲击振动。并在瞬

11、间产生由里往外的逆向气流。在冲击振动和逆向气流的作用下，滤袋表面的粉尘被抖落。整个过程约为0.1秒。卸灰系统采用中间灰斗加三阀的形式，即布袋除尘器筒体下设气动锁紧式卸灰钟阀，中间灰斗下设气动锁紧式卸灰钟阀，再设星形给料阀。卸灰时，先将箱体灰斗中的灰尘卸到中间灰斗中，然后再由中间灰斗卸到刮板输送机中运出。箱体灰斗的容积大于中间灰斗的容积，以保证箱体卸灰时，能保证部分灰封，防止煤气窜入中间灰斗中。两个过程分开进行，保证煤气在卸灰过程不泄露。现场14个布袋除尘器和其他(qt)设备的控制硬件组成如表3所示。表3名称型号单位数量DP网关模块MG 0102 0000块4开关量输入模块MC 1008 030

12、0块11开关量输出模块MC 1108 0102块7模拟量输入模块MC 2302 0000块19模拟量输入模块MC 2X04 0000块19模拟量输出模块MC 2X04 0000块2DI输入模块块41DO输出模块块72除脉冲反吹需要氮气气源外，气动阀门驱动、氮气炮也需要氮气。因此应设置(shzh)氮气储存罐，用来暂时存储氮气。在除尘器装置中设1个10m3氮气储气罐，氮气气源压力应不小于0.8MPa。除尘器本体上面主要阀门设备为气动，气动阀门的操作采用计算机系统控制气动阀门线圈状态的方法来控制气动阀门。机旁操作通过计算机系统选择，由机旁按钮信号反馈到PLC，由PLC输出指令操作电气柜内的接触器来达

13、到动作设备的目的。设备的现场限位开关信号均须输入计算机系统。1、布袋除尘器荒煤气总管(zn un)温度检测、报警，净煤气总管温度检测。2、压力检测11个点，分别为荒、净煤气总管压力检测，大灰仓两个进口，1个出口压力检测，四个氮气调压阀组后压力检测和一个煤气调压阀组后压力检测。 3、差压变送16个点。分别为14个布袋除尘箱体荒、净煤气管压差检测，1个荒净煤气总管差压检测，5个氮气调压阀组前后差压检测。4、含尘量检测15个点，分别为14个布袋除尘箱体净煤气支管含尘量检测，1个净煤气总管含尘量检测。5、灰位检测20个，分别为每个除尘器箱体灰斗上各2个热电偶，共20个检测点；大灰仓3个射频导纳检测灰位

14、。6、流量检测4个点，分别为脉冲反吹、气力输灰、氮气炮和气动阀门四个氮气支路的流量检测。7、除尘器脉冲(michng)反吹系统的脉冲阀顺序控制。自动反吹程序设计(chn x sh j)，从1至14号箱体依次反吹自动(zdng)切瓦与引瓦程序， 3 WinCC组态软件系统监控画面3.1 监控画面的总体设计图4 干法除尘控制系统主画面如图4所示干法除尘控制系统主画面，上位机监控软件平台使用Simatic WinCC 7.0, 通过该软件设计实现以下功能:（1）上位机Simatic WinCC 7.0与下位机Siemens PLC的通信。上位机和下位机之间通过工业以太网进行实时数据交换，这样既可以满

15、足操作管理人员或检修人员对现场设备的运行情况的实时监控，也可通过操作界面完成对现场设备的远程操作。上位机、工业交换机与下位机之间通过工业以太网以100Mb/s的速度进行高速通信, 确保了监控画面模拟设备的快速响应性。2台上位机互为备用, 使得监控系统安全可靠, 最大程度上保障了生产的连续性。工业交换机通过工业以太网连接上位机和下位机之间的高速通信,实现控制程序的上传下载，完成HMI画面组态程序的正常工作。（2）画面整体设计。用其简单的自带画图工具，根据干法现场设备实际的分布情况，画出主体设备合理布置图及走向，使用不同的颜色表示各类设备，以达到画面整体美观的效果，画面中固定不变的机构使用比较暗的

16、颜色，开关、阀门等活动部分使用比较鲜亮的颜色。在主画面设计好以后，在设备相应的位置上标记出限位开关信号、温度、压力、含尘量等状态信息。在主画面下端布置上选择分窗口的若干按钮，在右边空白处将其他一些公共仪表量信息归类显示在一处。（3）主画面能够基本(jbn)反映工艺流程总貌及设备运行状态显示。监控程序主画面动态显示工艺流程图、运行设备阀门(f mn)的开关位，箱体的温度、压力、含尘量及箱体反吹运行状态, 供操作人员了解系统生产状况。主监控画面(humin)还提供其他子系统的图形界面, 包括：氮气调节阀窗口、反吹画面、刮板机画面、放散调节阀画面、切引瓦画面、仪表画面、现场照明画面、用户归档画面、报

17、警画面、参数设定画面、报警消音等。通过按钮可以切换至不同的窗口, 来展现各个生产工艺部分的生产实际情况和其他记录报警功能等。（4）控制方式选择。系统提供两种控制方式：远程计算机控制和现场机旁操作。操作人员正常情况下都在上位机上进行远程计算机控制，当需要到现场调试检修时，可以设置为现场机旁操作（屏蔽远程控制），提高了现场检修人员的安全性。氮气反吹控制方式提供三种远程控制方式: 在线反吹、半闭线反吹和单体反吹，操作人员可以根据实际需要，在监控主画面上自由选择。（5）参数趋势显示图。监控程序提供了每个箱体温度、含尘量、压力（压差）等实时趋势曲线的显示，通过点击主画面上任意箱体的仪表量数据即可显示出对

18、应箱体相关数据趋势曲线，通过编写C脚本可以在仪表量趋势曲线窗口画面上对14个箱体间任意切换观察，从而使管理与技术人员及时有效地把握设备的运行状况。过程值归档中无法建立关系和对字符串进行归档。这些功能使用用户归档可以实现。（6）参数值设置。根据设备生产工艺的实际情况, 在线调整温度控制值、各类报警值上下限设置等参数值。（7）系统报警及消音。系统报警包括：文字报警和语音报警。现场有大量的检测仪表信号，开关信号的丢失和故障信号反馈等，其中有些信号在生产过程中的可能出现很短暂异常，这些短暂出现的故障信息就需要被报警记录画面记录下来，这方面的功能WinCC也为设计人员提供了现成的控件，按照向导把所有需要

19、监测的点加到控件里。所有记录均要求是长期记录，并且报警记录的到达、离开、确认各状态需要用不同颜色来显示。在现场设备出现异常时，操作人员通过系统弹出的报警画面可以详细地了解故障信息，同时根据操作人员的需要将一些重要故障报警同时设置了语音报警，起到了更好的提示效果。在听到语音报警后，通过消音按钮暂时消音，及时通知相关人员对故障进行处理。3.2 复杂报表的自动生成在干法除尘自动控制系统中，操作管理人员需要记录每个小时现场公共设备仪表值和各个箱体的温度、压差、含尘量等。虽然可以利用WinCC直接做复杂报表，但WinCC自带的报表编辑器功能有限，在实际应用中存在一些不便。因此，本系统充分发挥WinCC的

20、强大功能，通过C脚本来完成复杂报表的自动生成。首先，利用excel工具做一个干法除尘实际需要的报表的空白模板，保存在G:GF_DayReport.xls中。充分利用excel强大的数据处理功能，可以预先设置好各单元格之间的求和、平均、最大值、最小值等计算，甚至更加复杂的运算，并将运算结果存放在对应的单元格内。其次，在WinCC 项目中编写一个全局脚本命名lingdiancf.pas。它的功能包括：实现每天的00:00:01触发（周期性触发），并执行复制GF_DayReport.xls文件并以此刻的年月日加载到模板文件名后，将复制新产生的“GF_DayReport_*年*月*日.xls”的文件存盘到指定的目录下。最后，在WinCC 项目中再编写一个全局脚本zhengdiancf.pas。它的功能包括：实现每天的整点触发（使用系统小时变量触发），把需要记录的变量值写到“GF_DayReport_*年*月*日.xls”相应的单元格里面并存盘。在实际的应用中，还存在一个二十四点即第二天零点数据记录的问题，如果还是按照整点零点记录，数据会记录到第二天零点表格里，这可能会与操作管理人员的习惯不符，因此，通过再编写一个全局脚本ershisicf.pas,实现在每天的23: