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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源： 1．山東建筑大學機電工程學院 2．山東省冶金設計院股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月11日
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2011正
第12期
儀表技術與
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5A~,I ，鄭明剛
(1．山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2．山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101)
摘要：針對高爐煤氣流量大，溫度高，要求降溫至小于55。的低溫的情況，設計了基于PLC的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通
過溫度傳感器采集進出口的煙氣溫度，用以實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。根據(jù)溫度的變化，PLC自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達
到自動改變噴水量的目的。同時針對現(xiàn)場噪音大，距離監(jiān)控室遠的實際情況設計了遠程控制系統(tǒng)，使操作人員在DCS控
制室內(nèi)就能監(jiān)視、操作噴水降溫設備。該系統(tǒng)增強了噴水降溫系統(tǒng)的自動化程度，具有很強的實用價值和推廣價值。
關鍵詞：s7—200 PLC；OPC；噴水降溫；遠程控制系統(tǒng)
中圖分類號：TH39 文獻標識碼：A 文章編號：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)過電爐
余壓發(fā)電機組(TRT)后煤氣溫度依然在180℃ 以上，因此在進
入煤氣管網(wǎng)前仍需要對煤氣進行噴水降溫處理，使其滿足進入
煤氣管網(wǎng)的溫度要求。由于現(xiàn)場噪音大，將噴水降溫系統(tǒng)設置
了就地和遠程控制兩種方式，遠程控制工控機設置在TRT控制
室內(nèi)，便于工作人員操作和監(jiān)控。同時能夠大大提高高爐煤氣
的回收利用率，環(huán)境和經(jīng)濟效益十分顯著。
1 系統(tǒng)簡介及工作原理
1．1 系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)由上位機(遠程控制計算機)、PLC控制器及擴展模
塊、變頻器2臺(一備一用)、水泵2臺(一備一用)、主水路、主
氣路、噴水機構(gòu)(分組控制箱、雙流體噴槍)和溫度測量及控制
系統(tǒng)等部分組成。
系統(tǒng)主要硬件：PLC采用S7—200 CPU226，擴展模塊有數(shù)
字量輸 出EM223，模擬量模塊EM231、EM235，擴展從站模
塊EM277 PROFIBUS—DP，工控機采用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、噴槍開啟數(shù)量、目標溫度)，控制主水路和
主氣路的運行，冷卻水以霧狀與熱煤氣混合吸熱蒸發(fā)，從而達
到降低煤氣溫度的目的。溫度測量采用熱電阻，入口1支，出
口2支?？刂葡到y(tǒng)檢測入口溫度和出口溫度，實現(xiàn)溫度的PID
閉環(huán)控制。整個系統(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HMI直接
設定，或者通過遠程控制計算機設置?？刂乒駜?nèi)還包括信號隔
離模塊和低壓電氣元器件等。手動打開氣路人口球閥V ，過濾
器入口和出口球閥V 、V。：。啟動時先啟動氣路電磁閥B：。和氣
動調(diào)節(jié)閥B．．，氣路工作；再啟動水泵P。?；騊 ：，一臺水泵運行，一
臺備用，此時噴槍開始噴水。系統(tǒng)采集人口和出口熱電阻的溫
度，根據(jù)目標出口溫度自動調(diào)節(jié)變頻器的開度，調(diào)節(jié)噴槍的噴水
量及噴槍開啟的支數(shù)，使出口溫度達到期望的溫度值。系統(tǒng)停
機時，先關閉變頻器和水泵，供水立即停止，一段時間后(可以設
定)電磁閥B 關斷，切斷氣路。當出現(xiàn)嚴重的報警時，系統(tǒng)自動
切換到其他方式控制，也可以手動啟動噴槍。
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。當檢測到的溫度與設定
溫度不相同時，如果此時煙氣出口溫度高于目標值，通過提高
變頻器的輸出頻率來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值，通過降低變頻器的輸出頻率來
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
始終控制在目標值附近。
泵站系統(tǒng)中配備2臺水泵，當一臺工作時，另一臺處于備
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
時間后(默認設定時間為8 h)，系統(tǒng)會自動切換，啟動另一臺水
泵工作，使兩臺水泵的運行時間大致相同(相同的磨損)；也可
通過柜面按鈕泵1、泵2切換按鈕來進行彼此的切換。
壓力開關PS 和Ps 檢查并確認水泵是否正常工作。當
一臺水泵出故障時(比如：壓力開關顯示水泵故障)，系統(tǒng)會自
動切換到另一臺水泵工作，如果另一臺水泵也出現(xiàn)故障則整個
系統(tǒng)停止工作。
系統(tǒng)噴水量由電磁流量計Fr。：檢測并顯示；出口水壓由壓
力表PI， 檢測并顯示；系統(tǒng)出口氣壓由壓力表PI2 檢測并顯示；
入口氣壓由壓力表PI 檢測并顯示；同時，噴槍人口水壓由壓力
變送器 檢測并將信號傳送給PLC控制器；噴槍人口氣壓由
壓力變送器PT20檢測并將信號傳送給PLC控制器；水泵出口水
壓由壓力變送器P，r ：檢測并將信號傳送給PLC控制器；系統(tǒng)入
口氣壓由壓力變送器P 檢測并將信號傳送給PLC控制器。
當煤氣入口溫度低于設定溫度時，噴槍不噴水，此時只有
壓縮空氣以事先設定好的壓力(通過閘閥H： ／H：：調(diào)節(jié))供給噴
槍以防止灰塵進入噴槍，導致堵塞。
2 系統(tǒng)的狀態(tài)圖
系統(tǒng)設置了就地和遠程2種操作方法，分別位于主控制柜
和遠程工控機。就地控制的操作界面由觸摸屏顯示操作，如圖
3所示；遠程控制的操作界面如圖4所示。
就地和遠程兩種操作方法都具有自動控制、手動控制兩種
操作模式，總體控制順序圖如圖5所示。
圖3 觸摸屏HMI主菜單畫面
圖4 遠程工控機系統(tǒng)運行主畫面
3 系統(tǒng)遠程通訊原理
3．1 OPC技術
OLE是Object Linking and Embedding(對象鏈接與嵌入)
的縮寫。OPC(用于過程控制的OLE)是一個標準化的、與供應
商無關的軟件界面，它是基于Windows的COM(組件對象模
型)、DCOM(分布式COM)和XML(可擴展的標記語言)技術基
礎上開發(fā)的一個開放和互操作的接口標準。OPC系統(tǒng)配置簡
單，最少包含一臺OPC服務器和一臺OPC客戶機。應用OPC
服務器，可使數(shù)據(jù)用于OPC客戶機，客戶機取回這些數(shù)據(jù)并做
進一步處理。WinCC可以使OPC客戶機與任何PLC進行通
信，相應地，OPC服務器也可以與該PLC進行通信 。
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，檢查設備完好
就地 遠程
自動／手動
檢屏查參觸數(shù)摸 l Il檢查觸摸 I l檢聾人機
屏參數(shù)I l參數(shù)設置
l手霉露動l匭
手動啟動
水路
T
啟動水泵
T
設置頻率
啟動分組控制箱
啟動完成，系統(tǒng)自動倒換水泵， 自動
泄壓，不改變頻率
自動／手動
— — — 土——一
檢查人機
參數(shù)設置
— — — — — 一
啟動氣路
+
啟動水路
t
啟動水泵
j
設置頻率
-● ___。_- __-● _- _-一
— — — L
啟動分組
控制箱
啟動完成．系統(tǒng)自動倒
換水泵。自動泄壓，不
改變頻率
圖5 控制順序圖
3．2 OPC服務器與WinCC、PLC通訊
系統(tǒng)采用Profibus DP方式進行數(shù)據(jù)通訊，并通過OPC的
數(shù)據(jù)采集方式采集PLC的數(shù)據(jù)，然后WinCC以OPC Client的方
式讀取OPC Sever中的數(shù)據(jù) J。
CPU226提供2個RS一485接口，可以實現(xiàn)同時與上位機
和觸摸屏通訊。CP561 1與s7的Profibus DP通訊通過WinCC
實現(xiàn)，一般是在DP鏈路上使用s7協(xié)議，驅(qū)動內(nèi)置，直接支持，
可連接8個PLC 。
工控機上安裝KEPSeverExV4．0，搭載CP561 1，配置PCsta．
tion CP卡做主站，將支持PROFIBUS DP協(xié)議的設備配置為從
站。打開KEPServerEx，選擇適當?shù)耐ㄐ艆f(xié)議新建一個通道，然
后在該通道建立相應的設備，最后在設備下建立所需變量，如
圖6所示。用WinCC Explore，打開WinCC文檔，導入KEP中的
變量，添加變量至變量管理器即可 j。
a 溫度偏差值設定
a 壓力偏差值設定
a P設定
a I設定
a D設定
a 采樣時間設定
a 水路下限報警設定
a氣路下限報警設定
a 水泵1切換時聞
a 水泵2切換時間
a 泄壓值設定
a 泄壓值偏差設定
a 泄壓值延時設定
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
設計的OPC數(shù)據(jù)訪問服務器實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時讀寫，具
有實用價值?？刂葡到y(tǒng)軟件可以高效、穩(wěn)定地對硬件設備進行
數(shù)據(jù)存取，系統(tǒng)應用軟件之間也可以靈活地進行信息交互，極
大地提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性。
該控制系統(tǒng)在濟南鋼鐵四號高爐煤氣管網(wǎng)噴水降溫系統(tǒng)
中得到應用，經(jīng)過實際使用驗證，能夠及時、準確地顯示現(xiàn)場運
行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對降溫要求的控制。具有可靠性高，反應快，功能
完善，硬件成本低，人機界面友好的優(yōu)點。
參考文獻：
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[4] 廖常初．西門子人機界面(觸摸屏)組態(tài)與應用技術．北京：機械工
業(yè)出版社，2007：130—138．
作者簡介：姜志方(1984一)，碩士研究生，研究方向為機器人技術與計
算機制造。E—mail：jiang．xinzi@163．con
(上接第60頁)
3．2 模擬信號采集數(shù)據(jù)
表1列舉出了模擬采集的部分數(shù)據(jù)，通過虛擬儀器的采集
1
值與6÷ 安捷倫萬用表的采集值對比，計算發(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0．1％ 以上。
經(jīng)過多次反復測量，重復度也能達到0．1％ 。
表1 電壓采集數(shù)據(jù)對比
4 結(jié)束語
通過多次實驗的結(jié)果分析表明：基于虛擬儀器技術的自動
測試系統(tǒng)在滿足高精度、高可靠性、高響應速度的前提下，能夠
實現(xiàn)對控制設備的電氣性能的自動化檢測。現(xiàn)已成功應用于試
驗檢測工作中，該系統(tǒng)人機接口友好，運行穩(wěn)定可靠，大大縮短
了測試時間，提高了工作效率，取得了滿意的效果。該系統(tǒng)的設
計研制經(jīng)驗對未來測試系統(tǒng)的開發(fā)工作具有重大的指導意義。
參考文獻：
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2000．
作者簡介：夏夢芝(1986一)，工學碩士，從事電氣、測試自動化方面的工
作。E．mail：xiamengzhi@163．con

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