干法除尘自动化控制系统

基于PLC与WinCC的干法除尘控制系统的设计及应用（福建省三钢（集团）有限责任公司，福建 三明 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；HMI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 系统工艺流程简介图 1 干法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260C或低100C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。2 PLC 控制系统2.1 控制系统硬件组成图2 干法除尘控制系统总硬件图如图2所示，干法除尘控制系统设备控制级采用西门子S7系列的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OPLC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OPLC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 CPU414-2DP6ES7 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CP443-16GK7 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 Profibus-DP现场总线通讯方式图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 继器不需要在 STEP7 硬件中进行组态。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 0300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。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、除尘器脉冲反吹系统的脉冲阀顺序控制。自动反吹程序设计，从 1 至 14号箱体依次反吹自动切瓦与引瓦程序，3 WinCC 组态软件系统监控画面3.1 监控画面的总体设计H2 1 b2 %图4 干法除尘控制系统主画面过潼21韵压力o 过徨8后压力0 调压01后压力0氛压力0 反吹氢傀压力0度 156.4r总管温度108.3r冷煤弋A管*度109.8r调圧后冷煤气温度36.5r公雄耳力薫煤吒总管压力226.0kPa净煤汽总管压力224.3kPa调压启冷煤傀压力72kPa力 0.1kPa展汽总皆压力0. 3MPa压编空汽总管压力0. 6?MPa压8空T压力0.67MPa公#伉$冷anm时潦丘3025373 Th母煤T总2S6U5万322103/h放敝嫁气总複暑4475万3但气时it量0*3/h氛气总潼斤526543出口总芒含尘M 1.51BE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Sima ticWinCC 7.0, 通过该软件设计实现以下功能:(1) 上位机Sima tic 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 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 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_DayRepor t.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_DayRepor t.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_DayRepor t_*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23:59:59周期性触 发，记录在当天24点数据表格中。如果有条件配置打印机，还可直接触发打印机， 每天定时打印一份报表。4结语本套干法除尘控制系统采用Profibus-DP现场总线控制，保证了控制系统可 靠、及时、高速的数据通信，增加的两个中继器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。采用的机旁与远程上位机两 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，这样极大地方便了检修人员与操作人员控制。 采用的WinCC监控软件设计的HMI画面对设备的操作和实际过程实施监控，利用其 自带的功能对生产需要关注的数据进行采集和归档处理，并采用全局C脚本生成 生产日报表等功能。本套系统自2012年8月投产后，系统运行稳定，故障率低， 很好地服务了高炉炼铁生产。参考文献1 李娜，王薇，买波，何东. Profibus 诊断中继器及其工程应用中的关键技 术J.2012(24):59-62.2 李奇勇.1050m3高炉煤气干法除尘技术应用J.冶金能源，2005 (4)： 9-12.3 李奇勇.1050m3高炉煤气干法除尘技术应用J.冶金能源，2005 (4)：9-12.