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高爐煤氣噴水降溫控制系統(tǒng)

文檔作者：姜志方王孝軍等文檔來(lái)源： 1．山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月11日
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2011正
第12期
儀表技術(shù)與
Instrument Technique
2O11
No．12
高爐煤氣噴水降溫控制系統(tǒng)
姜志方 ，王孝軍 ，費(fèi)5A~,I ，鄭明剛
(1．山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2．山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101)
摘要：針對(duì)高爐煤氣流量大，溫度高，要求降溫至小于55。的低溫的情況，設(shè)計(jì)了基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通
過(guò)溫度傳感器采集進(jìn)出口的煙氣溫度，用以實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。根據(jù)溫度的變化，PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達(dá)
到自動(dòng)改變噴水量的目的。同時(shí)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)噪音大，距離監(jiān)控室遠(yuǎn)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使操作人員在DCS控
制室內(nèi)就能監(jiān)視、操作噴水降溫設(shè)備。該系統(tǒng)增強(qiáng)了噴水降溫系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：s7—200 PLC；OPC；噴水降溫；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002—1841(2011)12—0061—03
Design and Implementation of Clinker Cooler W ater Spraying Control System
JIANG Zhi—fang ，WANG Xiao-jun ，F(xiàn)EI Sheng—gang ，ZHENG Ming—gang
(1．School of Mechanical and Electronical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；
2．Shandong Metallurgical Design Institute，Jinan 250101，China)
Abstract：An automatic control system based on PLC was designed according to big flow，high temperature and maximum cool—
ing temperature 55℃ of the blast furnace gas．To realize closed—loop control of temperature．the system collected inlet and outlet
gas temperature using temperature sensors．According to the change in temperature，PLC automatically changed the working water
jet capacity by regulating frequency converter output frequency automatically．Considering the big noise and long distance from mo—
nitoring room，a remote control system was designed to help operators in DCS control room monitor and operate the water cooling eqnipment．
The system enhances the automation of water cooling system，and it has great practical and spreading value．
Key words：s7—200 PLC；OPC；cooler water spraying；remote control system
0 引言
由于現(xiàn)用煤氣管網(wǎng)要求的煤氣溫度<55 oC，然而經(jīng)過(guò)電爐
余壓發(fā)電機(jī)組(TRT)后煤氣溫度依然在180℃ 以上，因此在進(jìn)
入煤氣管網(wǎng)前仍需要對(duì)煤氣進(jìn)行噴水降溫處理，使其滿足進(jìn)入
煤氣管網(wǎng)的溫度要求。由于現(xiàn)場(chǎng)噪音大，將噴水降溫系統(tǒng)設(shè)置
了就地和遠(yuǎn)程控制兩種方式，遠(yuǎn)程控制工控機(jī)設(shè)置在TRT控制
室內(nèi)，便于工作人員操作和監(jiān)控。同時(shí)能夠大大提高高爐煤氣
的回收利用率，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理
1．1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
系統(tǒng)由上位機(jī)(遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī))、PLC控制器及擴(kuò)展模
塊、變頻器2臺(tái)(一備一用)、水泵2臺(tái)(一備一用)、主水路、主
氣路、噴水機(jī)構(gòu)(分組控制箱、雙流體噴槍)和溫度測(cè)量及控制
系統(tǒng)等部分組成。
系統(tǒng)主要硬件：PLC采用S7—200 CPU226，擴(kuò)展模塊有數(shù)
字量輸 出EM223，模擬量模塊EM231、EM235，擴(kuò)展從站模
塊EM277 PROFIBUS—DP，工控機(jī)采用PC547B，總線連接器及
接口卡CP5611，觸摸屏采用K—TP178Micro，變頻器采用ABB
ACSSIO，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．2 工作原理
雙流體噴槍以順煤氣流動(dòng)方向噴水，控制系統(tǒng)按照選定工
收稿日期：2011一O3—15 收修改稿日期：2011—08—12
13處理電路}— 人13熱電阻l 噴槍分組控制箱
竺 墨墮 I_—————————— I
盈 。 一 簍 墨墮l l
接口處理電路 一出口熱電阻I
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
藝參數(shù)(水壓、氣壓、噴槍開(kāi)啟數(shù)量、目標(biāo)溫度)，控制主水路和
主氣路的運(yùn)行，冷卻水以霧狀與熱煤氣混合吸熱蒸發(fā)，從而達(dá)
到降低煤氣溫度的目的。溫度測(cè)量采用熱電阻，入口1支，出
口2支?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)入口溫度和出口溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的PID
閉環(huán)控制。整個(gè)系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。
系統(tǒng)配備了一套電氣控制柜，主要是PLC控制器加AD／DA
轉(zhuǎn)換模塊和觸摸顯示屏(HMI)。所有的參數(shù)可以通過(guò)HMI直接
設(shè)定，或者通過(guò)遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)設(shè)置?？刂乒駜?nèi)還包括信號(hào)隔
離模塊和低壓電氣元器件等。手動(dòng)打開(kāi)氣路人口球閥V ，過(guò)濾
器入口和出口球閥V 、V。：。啟動(dòng)時(shí)先啟動(dòng)氣路電磁閥B：。和氣
動(dòng)調(diào)節(jié)閥B．．，氣路工作；再啟動(dòng)水泵P。。或P ：，一臺(tái)水泵運(yùn)行，一
臺(tái)備用，此時(shí)噴槍開(kāi)始噴水。系統(tǒng)采集人口和出口熱電阻的溫
度，根據(jù)目標(biāo)出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的開(kāi)度，調(diào)節(jié)噴槍的噴水
量及噴槍開(kāi)啟的支數(shù)，使出口溫度達(dá)到期望的溫度值。系統(tǒng)停
機(jī)時(shí)，先關(guān)閉變頻器和水泵，供水立即停止，一段時(shí)間后(可以設(shè)
定)電磁閥B 關(guān)斷，切斷氣路。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)
切換到其他方式控制，也可以手動(dòng)啟動(dòng)噴槍。
Instrument Technique and Sensor Dee．2011
圖2 系統(tǒng)原理圖
1．3 系統(tǒng)器件功能介紹
控制溫度的調(diào)節(jié)元件是變頻器。當(dāng)檢測(cè)到的溫度與設(shè)定
溫度不相同時(shí)，如果此時(shí)煙氣出口溫度高于目標(biāo)值，通過(guò)提高
變頻器的輸出頻率來(lái)增加水泵的供水壓力，提高噴槍噴霧量。
如果煙氣出口溫度低于目標(biāo)值，通過(guò)降低變頻器的輸出頻率來(lái)
減小水泵的供水壓力，減少噴槍噴霧量，最終將煙氣出口溫度
始終控制在目標(biāo)值附近。
泵站系統(tǒng)中配備2臺(tái)水泵，當(dāng)一臺(tái)工作時(shí)，另一臺(tái)處于備
用狀態(tài)，以防止水泵出現(xiàn)故障影響系統(tǒng)工作。在工作到一定的
時(shí)間后(默認(rèn)設(shè)定時(shí)間為8 h)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換，啟動(dòng)另一臺(tái)水
泵工作，使兩臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間大致相同(相同的磨損)；也可
通過(guò)柜面按鈕泵1、泵2切換按鈕來(lái)進(jìn)行彼此的切換。
壓力開(kāi)關(guān)PS 和Ps 檢查并確認(rèn)水泵是否正常工作。當(dāng)
一臺(tái)水泵出故障時(shí)(比如：壓力開(kāi)關(guān)顯示水泵故障)，系統(tǒng)會(huì)自
動(dòng)切換到另一臺(tái)水泵工作，如果另一臺(tái)水泵也出現(xiàn)故障則整個(gè)
系統(tǒng)停止工作。
系統(tǒng)噴水量由電磁流量計(jì)Fr。：檢測(cè)并顯示；出口水壓由壓
力表PI， 檢測(cè)并顯示；系統(tǒng)出口氣壓由壓力表PI2 檢測(cè)并顯示；
入口氣壓由壓力表PI 檢測(cè)并顯示；同時(shí)，噴槍人口水壓由壓力
變送器 檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC控制器；噴槍人口氣壓由
壓力變送器PT20檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC控制器；水泵出口水
壓由壓力變送器P，r ：檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC控制器；系統(tǒng)入
口氣壓由壓力變送器P 檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC控制器。
當(dāng)煤氣入口溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，噴槍不噴水，此時(shí)只有
壓縮空氣以事先設(shè)定好的壓力(通過(guò)閘閥H： ／H：：調(diào)節(jié))供給噴
槍以防止灰塵進(jìn)入噴槍，導(dǎo)致堵塞。
2 系統(tǒng)的狀態(tài)圖
系統(tǒng)設(shè)置了就地和遠(yuǎn)程2種操作方法，分別位于主控制柜
和遠(yuǎn)程工控機(jī)。就地控制的操作界面由觸摸屏顯示操作，如圖
3所示；遠(yuǎn)程控制的操作界面如圖4所示。
就地和遠(yuǎn)程兩種操作方法都具有自動(dòng)控制、手動(dòng)控制兩種
操作模式，總體控制順序圖如圖5所示。
圖3 觸摸屏HMI主菜單畫(huà)面
圖4 遠(yuǎn)程工控機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行主畫(huà)面
3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊原理
3．1 OPC技術(shù)
OLE是Object Linking and Embedding(對(duì)象鏈接與嵌入)
的縮寫(xiě)。OPC(用于過(guò)程控制的OLE)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、與供應(yīng)
商無(wú)關(guān)的軟件界面，它是基于Windows的COM(組件對(duì)象模
型)、DCOM(分布式COM)和XML(可擴(kuò)展的標(biāo)記語(yǔ)言)技術(shù)基
礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放和互操作的接口標(biāo)準(zhǔn)。OPC系統(tǒng)配置簡(jiǎn)
單，最少包含一臺(tái)OPC服務(wù)器和一臺(tái)OPC客戶機(jī)。應(yīng)用OPC
服務(wù)器，可使數(shù)據(jù)用于OPC客戶機(jī)，客戶機(jī)取回這些數(shù)據(jù)并做
進(jìn)一步處理。WinCC可以使OPC客戶機(jī)與任何PLC進(jìn)行通
信，相應(yīng)地，OPC服務(wù)器也可以與該P(yáng)LC進(jìn)行通信 。
第12期 姜志方等：高爐煤氣噴水降溫控制系統(tǒng) 63
系統(tǒng)送水電氣，調(diào)壓，檢查設(shè)備完好
就地 遠(yuǎn)程
自動(dòng)／手動(dòng)
檢屏查參觸數(shù)摸 l Il檢查觸摸 I l檢聾人機(jī)
屏參數(shù)I l參數(shù)設(shè)置
l手霉露動(dòng)l匭
手動(dòng)啟動(dòng)
水路
T
啟動(dòng)水泵
T
設(shè)置頻率
啟動(dòng)分組控制箱
啟動(dòng)完成，系統(tǒng)自動(dòng)倒換水泵， 自動(dòng)
泄壓，不改變頻率
自動(dòng)／手動(dòng)
— — — 土——一
檢查人機(jī)
參數(shù)設(shè)置
— — — — — 一
啟動(dòng)氣路
+
啟動(dòng)水路
t
啟動(dòng)水泵
j
設(shè)置頻率
-● ___。_- __-● _- _-一
— — — L
啟動(dòng)分組
控制箱
啟動(dòng)完成．系統(tǒng)自動(dòng)倒
換水泵。自動(dòng)泄壓，不
改變頻率
圖5 控制順序圖
3．2 OPC服務(wù)器與WinCC、PLC通訊
系統(tǒng)采用Profibus DP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)OPC的
數(shù)據(jù)采集方式采集PLC的數(shù)據(jù)，然后WinCC以O(shè)PC Client的方
式讀取OPC Sever中的數(shù)據(jù) J。
CPU226提供2個(gè)RS一485接口，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)與上位機(jī)
和觸摸屏通訊。CP561 1與s7的Profibus DP通訊通過(guò)WinCC
實(shí)現(xiàn)，一般是在DP鏈路上使用s7協(xié)議，驅(qū)動(dòng)內(nèi)置，直接支持，
可連接8個(gè)PLC 。
工控機(jī)上安裝KEPSeverExV4．0，搭載CP561 1，配置PCsta．
tion CP卡做主站，將支持PROFIBUS DP協(xié)議的設(shè)備配置為從
站。打開(kāi)KEPServerEx，選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議新建一個(gè)通道，然
后在該通道建立相應(yīng)的設(shè)備，最后在設(shè)備下建立所需變量，如
圖6所示。用WinCC Explore，打開(kāi)WinCC文檔，導(dǎo)入KEP中的
變量，添加變量至變量管理器即可 j。
a 溫度偏差值設(shè)定
a 壓力偏差值設(shè)定
a P設(shè)定
a I設(shè)定
a D設(shè)定
a 采樣時(shí)間設(shè)定
a 水路下限報(bào)警設(shè)定
a氣路下限報(bào)警設(shè)定
a 水泵1切換時(shí)聞
a 水泵2切換時(shí)間
a 泄壓值設(shè)定
a 泄壓值偏差設(shè)定
a 泄壓值延時(shí)設(shè)定
0 PT11_ Val
0 PTl2一
Val
口PI_2I_V出
口 22一
Va】
0 TO—
Val
0 T1_va1
0 T2一
Va1
0 Waterl Frr Val
圖6 KEPSeverExV4．0變量
4 結(jié)束語(yǔ)
設(shè)計(jì)的OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)，具
有實(shí)用價(jià)值?？刂葡到y(tǒng)軟件可以高效、穩(wěn)定地對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行
數(shù)據(jù)存取，系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間也可以靈活地進(jìn)行信息交互，極
大地提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。
該控制系統(tǒng)在濟(jì)南鋼鐵四號(hào)高爐煤氣管網(wǎng)噴水降溫系統(tǒng)
中得到應(yīng)用，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)
行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫要求的控制。具有可靠性高，反應(yīng)快，功能
完善，硬件成本低，人機(jī)界面友好的優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 許志軍．工業(yè)控制組態(tài)軟件及應(yīng)用．jE京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：
157—158．
[2] 鐘時(shí)，別永輝．基于WinCC的港口移動(dòng)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)
用．港口科技，2007(5)：20—22．
[3] WinCC技術(shù)手冊(cè)．西門(mén)子(中國(guó))有限公司．
[4] 廖常初．西門(mén)子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)．北京：機(jī)械工
業(yè)出版社，2007：130—138．
作者簡(jiǎn)介：姜志方(1984一)，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)與計(jì)
算機(jī)制造。E—mail：jiang．xinzi@163．con
(上接第60頁(yè))
3．2 模擬信號(hào)采集數(shù)據(jù)
表1列舉出了模擬采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)虛擬儀器的采集
1
值與6÷ 安捷倫萬(wàn)用表的采集值對(duì)比，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在0．3—25 V
二
的范圍內(nèi)，虛擬儀器的采集精度與線性度都能達(dá)0．1％ 以上。
經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)量，重復(fù)度也能達(dá)到0．1％ 。
表1 電壓采集數(shù)據(jù)對(duì)比
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析表明：基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)
測(cè)試系統(tǒng)在滿足高精度、高可靠性、高響應(yīng)速度的前提下，能夠
實(shí)現(xiàn)對(duì)控制設(shè)備的電氣性能的自動(dòng)化檢測(cè)。現(xiàn)已成功應(yīng)用于試
驗(yàn)檢測(cè)工作中，該系統(tǒng)人機(jī)接口友好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大縮短
了測(cè)試時(shí)間，提高了工作效率，取得了滿意的效果。該系統(tǒng)的設(shè)
計(jì)研制經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作具有重大的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 戴鵬飛．測(cè)試工程與LabVIEW 應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，
2006：100．
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2000．
作者簡(jiǎn)介：夏夢(mèng)芝(1986一)，工學(xué)碩士，從事電氣、測(cè)試自動(dòng)化方面的工
作。E．mail：xiamengzhi@163．con

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