PLC在首秦1200M3高炉煤气干法除尘自动化监控系统中的应用

　摘要：本文介绍了可编程控制器(PLC)在首秦1200M3高炉煤气干法除尘监控系统中的应用。PLC除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的机械设备的连锁自动控制。此外，工控组态软件iFIX作为一种标准的人机界面(HMI)被用于监控工业生产的动态过程。
关键词： 可编程控制器(PLC) 干法除尘 过程监控 iFIX组态软件

THE APPLICATION OF PLCs IN THE PROCESS MONITORING AND CONTROL FOR SHOUQIN 1200 M3 BLAST FURNACE DRY-DUSTING SYSTEM
Beijing Shougang Design Institute    MA Weili  REN Shaofeng
Abstract: In this paper, we discuss the application of Programmable Logic Controllers(PLCs) in the process monitoring and control for SHOUQIN 1200M3 blast furnace dry de-dusting system. The PLCs are mainly utilized for collecting process data as well as realizing autocontrolling of field mechanism. In addition, iFIX configuration software with a Human man-Machine Interface (HMI) is used to monitor the dynamical industrial process.
Keywords: PLC de-dusting system  Monitoring and Control  iFIX configuration software

1、 概述

首钢-秦皇岛（以下简称首秦）1200M3高炉工程干法除尘自动化控制系统的设备性能和自动控制的好坏，将直接影响首秦高炉工程干法除尘的效果。本工程采用了具有高性能、高可靠性并经济实用的PLC系统，其硬件结构坚固，即使在恶劣的工业环境下也能可靠工作，编程软件和上位软件具有良好的用户界面，具备多种编程语言，使程序编写、软件调试和系统维护都极为简便。本文重点介绍首秦自动化系统硬件、PLC编程软件和自动化控制系统在系统调试中遇到的一些问题及处理措施。  

2、 自动化控制系统硬件

首秦1200M3高炉工程干法除尘自动化控制系统PLC选用施耐德QUANTUM系列可编程控制器，主机架选用10槽结构，远程I/O机架为10槽和16槽结构，CPU选用140CPU43412模块。PLC主机架与扩展机架的连接采用932系列远程I/O模块，为双缆方式连接，从而进一步提高了系统的可靠性。本系统共有1个主机架和3个远程I/O机架，分在3台PLC柜中安装。PLC与上位工控机采用标准工业以太网连接。上位系统共有3台工控机，其中一台放在高炉主控中心，用于监视系统的工作情况，另外两台放在干法除尘控制室，用于系统监控。其结构示意图如下：
                                   



QUANTUM是施耐德电气公司推出的世界上第一个通用自动化平台，可以满足大部分离散和过程控制的经济和灵活的硬件控制平台，因此我们选用高性价比的PLC-QUANTUM,其具有如下特性：

● 其控制器为模块化结构；
● 采用高性能的IntelCPU；
● 所有I/O 模块均可带电热插拔；
● 具有多种智能型模块，满足用户特殊要求；
● 在网络和通讯技术上，QUANTUM 提供10/100M自适应TCP/IP以太网接口模块，同时支持通用的网络设备，如: CISCO、Dlink、3COM等；
● QUANTUM 能够提供多种I/O 技术。  

先进的技术、无以伦比的可靠性、开放的体系结构使QUANTUM 成为过程控制的优秀产品。

3、自动化控制系统软件和上位编程软件

3.1 Windows 2000 Professional是美国Microsoft微软公司最出色的产品之一，首秦高炉工程干法除尘自动化控制系统选用Windows 2000 Professional中文版操作系统。

3.2 iFIX（中文版）上位组态软件是Intellution公司的拳头产品，它的数据库、画图、显示、历史趋势，不但可以画出逼真的图形，还能将现场数据快速显示在屏幕上；它可以在屏幕上制造出按钮来取代真正的按钮完成对现场设备的操作；它能将数据库的数据按时间存放在数据文件里供历史趋势文件调用显示，这样就能把几小时、几天、甚至几个月前的数据用数据曲线的形式展示给工程师们，以便分析事故和改进工艺。

3.3 施耐德电气公司的Concept工程师站组态软件包，是业界公认的功能强大的编程组态平台。

● 支持多种操作系统平台：Windows 95/98/NT/2000；
● 符合IEC 1131-3 标准的全部五种编程模式：梯形图，结构化文本，顺序功能图，功能快图和指令表；
● 派生函数块（DFB）编辑器；
● 面向对象的编程方式符合当今系统集成的趋势；
● 内置模拟仿真调试器：可离线仿真，加快应用软件的开发和调试；
● C 语言开发工具；
● 专业化的过程控制函数库；
● 提供多达7 层的软件存取保护，防止非法访问，安全、可靠；
● 强大的在线帮助功能，界面友好，信息量大，极大方便应用开发人员的使用。

因此，Windows 2000 Professional、Intellution iFIX中文版和Concept可以说是首秦高炉工程干法除尘自动化控制系统中的“三驾马车”，共同完成了对首秦高炉工程干法除尘系统的自动监视控制任务。

4、自动化控制系统

4.1 首秦煤气干法除尘工程包括换热器系统、布袋室系统、卸灰系统和外管系统。自动化控制系统是工程最重要核心组成部分，该系统设备包括1个电源柜，3个PLC柜，1个在线监测柜，1个蝶阀控制柜，2个脉冲阀控制柜，20个机旁操作箱及各种检测设备等。以下详细介绍各自动化控制系统：

4.1.1 换热器系统包括3个DN1800电动蝶阀、2个DN1800眼睛阀和自动补水装置。

在干法除尘控制室画面上能够显示3个DN1800蝶阀的开到位、关到位状态并能控制其开关，同时在现场3个DN1800蝶阀旁各自的控制箱可以手动状态下对设备进行现场操作。

3个DN1800在画面上都选择自动方式，当荒煤气总管温度大于260℃或重力除尘器后荒煤气温度大于280℃的时候，程序会自动把换热器管道上的2#和3#DN1800蝶阀打开并开到位后才关闭1#DN1800蝶阀；当重力除尘器后荒煤气温度小于250℃或者荒煤气总管温度小于200℃的时候打开主管道1#DN1800蝶阀并开到位后才关闭2#和3#DN1800蝶阀。无论自动方式还是手动方式，必须保证从重力除尘器出口的煤气通向干法除尘系统的一条通道是打开的，不能同时关闭两条通道。

自动补水系统能够自动地换热器提供软水，以确保换热器的正常工作，在控制室设有自动补水系统的控制箱（能够完成自动补水功能，同时有水位高低的声光报警）。

4.1.2 布袋室系统包括10个DN4000布袋室，20个DN700气动蝶阀,20个DN700眼睛阀,低压脉冲装置和含尘量检测仪等。

在干法除尘控制室画面上能够显示20个DN700眼睛阀的横移开到位、横移关到位两种状态和20个DN700气动蝶阀的开关状态，在画面上能够控制20个DN700气动蝶阀的开关；同时在现场20个DN700眼睛阀和20个DN700气动蝶阀旁各自的控制箱可以手动状态下对设备进行现场操作。

脉冲反吹控制系统共有10个布袋除尘箱，每个箱体15个24VDC脉冲阀， 脉冲阀的操作有两种方式，程序上均可设定 (定压差操作：脉冲阀按荒、净煤气总管差压值（2.5～4KPa）启动，称为定压差操作；定时操作：按时间操作，定时操作时间可调，从连续反吹到数小时反吹) 。全部操作由PLC自动控制完成，每个箱体依次进行，在自动运转中，除人工选择的箱体外，其他箱体依次完成自动反吹-过滤操作。

反吹-过滤自动运转程序：电源接通后第一个脉冲阀启动，向一排滤袋喷射氮气，完成一排滤袋的反吹清灰，第一个脉冲阀喷吹后5～20秒钟第二个脉冲阀动作（时间间隔可调），直到全部脉冲阀动作，完成一个箱体的反吹工作，再进行第二个箱体的反吹，反吹的程序与第一个箱体相同。反吹又分在线反吹和离线反吹两种方法。如果箱体进出口蝶阀打开，煤气在流动状态逐排反吹，直到15牌滤袋反吹完毕，转至下一个箱体，称为在线反吹；箱体反吹前按程序关闭进出口蝶阀，切断煤气实行反吹，反吹完毕再打开蝶阀，称为离线反吹。一般多为前者，有些单位则采用离线反吹。今后可以进行对比，选择更优方案。下面是反吹系统的详细说明：

a)脉冲柜控制方式：此种方式可在脉冲柜上进行操作。

b)计算机控制方式

在脉冲柜上的每个箱体选为“自动方式”时,在监控画面上又分为“手动反吹”和“自动反吹”两种方式。在画面上选择“反吹系统手自动切换”按钮，弹出以下画面。选择为手动状态，点击分画面中的每个箱体旁边的手动反吹按钮，就可进行单独箱体的反吹。

选择为自动状态，又可选择定时和定压两种反吹的方式。系统默认为定压反吹方式。点击“反吹参数设置” 按钮弹出反吹参数设置的画面，可以进行相应的参数设置。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　



本系统的自动化检测项目包括：每个箱体的荒净煤气支管温度，每个氮气反吹分气包压力并用压力表现场显示，DN700眼镜阀前后压力就地显示，布袋除尘器前后荒煤气总管压差，各布袋室进出口（荒、净煤气支管）压差和含尘量检测（包括各布袋室箱体出口净煤气支管，荒、净煤气总管和大灰仓出口，共13点；以上数据在线监测，在主控中心有液晶显示其数值并在画面上有超高报警）。要求以上各点远传至控制室显示。

4.1.3卸灰系统包括1个DN4000大灰仓，2个DN150电动球阀，10个DN300球阀，10个DN300放灰阀，10个DN80球阀，22个仓壁振动器等。卸灰操作可在现场或控制室手动操作，10个布袋室逐个卸灰，当一个箱体达到高灰位时开始卸灰，当达到低灰位时停止卸灰，有经验时可定时操作，卸灰程序如下：

1）打开DN150煤气电动球阀或DN150氮气电动球阀；
2）打开DN80气动球阀；
3）打开DN300气动卸灰阀（钟型阀）；
4）开启仓壁振动器；
关闭时反向操作。

每次只能操作一个箱体,如果运行中有2个或2个以上的箱体同时到达高灰位，这时需要人工手动干预选择，保证同一时间只能对一个箱体进行卸灰，防止灰量过大，堵塞输灰管。布袋除尘灰由气力输送至大灰仓，如果以净煤气输灰，则净化后进入低压煤气管网或放散；如果以氮气输灰，则净化后直接放散，大灰仓的灰由罐车运输。大灰仓上面设有DN300输灰氮气放散蝶阀，DN400输灰煤气回收蝶阀和DN400输灰煤气回收扇形盲板阀；大灰仓下面设有DN350气动耐磨球阀。　

卸灰系统分为自动和手动两种方式。

本系统的自动化检测项目包括：大灰仓后煤气连通管压力，输灰总管道压力，大灰仓压差和灰位检测（布袋室与大灰仓高高、高和低灰位，共33点，超过做报警）。要求以上各点远传至控制室显示。

4.1.4外管系统的检测项目包括： 重力除尘器前后荒煤气温度，氮气储气罐氮气压力，氮气减压阀后氮气压力和压缩空气总管压力。要求以上各点远传至控制室显示。

4.2 首秦煤气干法除尘上位监控系统

本系统共分9个画面，包括“干法过程系统总图” 、“1-2#除尘器画面” 、“3-4#除尘器画面” 、“5-6#除尘器画面” 、“7-8#除尘器画面” 、“9-10#除尘器画面” 、“大灰仓画面” 、“历史曲线画面” 、“系统报警及高炉指令画面”。各个画面可以自由切换。

   


所有重要的测量参数有自动记录曲线，并有历史记录。

4.3 为了保证首秦干法除尘自动化控制系统安全、可靠，工程设计要求其接地电阻小于1欧姆。自动化控制系统运行以来从未出现过系统干扰错误、安全可靠。为了增加自动化控制系统安全、可靠性，系统设计又采取如下软硬件措施：

4.3.1 系统主要设备和自动化软件是进口的，应用软件自己编程；

4.3.2 系统供电除了正常供电外，另加UPS电源，掉电可保证15分钟自动供电；

4.3.3 在系统软件编程中采取安全可靠性技术处理，如加模拟量滤波、加缓存、互锁、均有对故障的判断、显示、报警和处理等。

本工程的自动控制系统的设计在控制网络和可扩展性方面予以了较强的能力，选用的PLC控制器为完全模块化，配置灵活，扩展方便，易于升级。QUANTUM PLC系统还具有标准的总线系统接口，用现场总线可实现PLC与上位机之间的数据通讯，上位机还可以通过以太网与公司管理级及调度室实现远程数据传输，满足首秦公司的整体要求。

5、 自动化控制系统调试与运行

根据首秦公司一期工程总体进度要求，干法除尘自动化控制系统制订了详细的工程施工和调试方案。于2004年1月至2月完成PLC应用软件的编写和上位画面的制作；3月分别进行各系统的单体调试和联动试车，4月中旬基本调完，4月下旬正式试运行；5月上旬电气自动化进行多次联动试车，标志着首秦干法除尘系统具备投产条件；6月7日首秦干法除尘系统顺利投产。中间进行多次工艺修改调试，最终完全达到设计工艺要求，目前该系统已经正式稳定投产运行。下图为高炉煤气净化后的含尘量画面。




6、 结束语

为了将首秦公司建设成为生态环保型、经济高效型、能源循环型的钢铁联合企业，首秦1号高炉采用全干式低压脉冲布袋除尘技术对高炉煤气进行除尘，取代原有湿法除尘系统。高炉煤气全干式低压脉冲布袋除尘技术正处于发展进程中，用于1000M3级高炉尚无其它可借鉴的成功范例，首秦采用此项新技术创国内乃至国际高炉煤气除尘的先河。此煤气干法除尘工程的关键核心就是采用自动化控制系统，它在广泛采用了现代控制思想和高新技术的前提下，成功实现了首秦煤气干法除尘全程自动化监控，现已稳定投产，取得了显着的社会和经济效益，完全达到设计指标。首秦煤气干法除尘系统的成功投产，最有力地证明自动化控制系统是现代信息化高新技术改造传统产业的最佳方法。


参考文献： 《施耐德产品用户手册》 2002年
《Intellution公司产品手册》2004年

作者简介：马维理（1955-） 男  学士 毕业于北方工业大学自动化专业
注册电气工程师（高级工程师）多年从事工业自动控制技术的设计和研究工作
任绍峰（1978-） 男  学士 毕业于燕山大学检测技术及仪器仪表专业
电气工程师  主要从事自动化系统的设计、调试和研究工作
通讯地址：北京市石景山路60号北京首钢设计院电力室自动化组
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