布袋除塵器自動(dòng)化控制系統(tǒng)在電爐煉鋼中的應(yīng)用

1 除塵控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電爐煉鋼過程中產(chǎn)生大量棕紅色濃煙，除塵系統(tǒng)的作用就是將這些濃煙進(jìn)行有效的收集、處理和利用，改善車間崗位環(huán)境，并使排放到大氣中的氣體清潔無害。某煉鋼廠于2005年對(duì)原90t電爐除塵系統(tǒng)進(jìn)行了改造和擴(kuò)建，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)設(shè)備多、分布距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖1

除塵系統(tǒng)工藝要求整個(gè)除塵系統(tǒng)工藝過程如圖1所示。

在引風(fēng)機(jī)的作用下，超高功率電爐的一次煙氣(爐內(nèi)煙氣)經(jīng)第4孔、水冷煙道、重力沉降室、機(jī)力冷卻器后與部分由屋頂罩收集來的二次煙氣混合，降溫后進(jìn)入1號(hào)除塵器;二次煙氣(彌散到車間內(nèi)的煙氣)除一部分與一次煙氣混合進(jìn)入1號(hào)除塵器外大部分被屋頂罩收集后直接進(jìn)入2號(hào)除塵器。兩臺(tái)LF精煉爐的煙氣經(jīng)收集罩收集并在一臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)作用下也送入2號(hào)除塵器。進(jìn)入兩臺(tái)除塵器的煙氣經(jīng)過長(zhǎng)布袋過濾后在引風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)煙囪排到大氣。布袋過濾下來的灰塵在脈沖噴吹作用下落到除塵器底部，經(jīng)卸灰閥卸到鏈?zhǔn)铰窆伟鍣C(jī)上，由鏈?zhǔn)铰窆伟鍣C(jī)輸送并經(jīng)斗式提升機(jī)將積灰送入儲(chǔ)灰倉儲(chǔ)存。為保證除塵系統(tǒng)的高效運(yùn)行，要求控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)、變頻器和除塵器等設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;在人機(jī)界面上模擬顯示整個(gè)工藝過程和重要工藝數(shù)據(jù)，設(shè)定修改各工藝參數(shù);以一定的控制策略自動(dòng)完成布袋的脈沖清灰、卸灰和輸灰等工藝;根據(jù)煙氣溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)二次煙氣的風(fēng)量;在冶煉周期的不同時(shí)段，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上工藝及控制要求，針對(duì)各控制點(diǎn)分布距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了以S72400PLC為核心的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)為典型的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)，主要由HMI工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC、遠(yuǎn)程I/O模塊和高壓變頻器組成。位于除塵控制室的本地HMI和位于爐前控制室的遠(yuǎn)程HMI與S72400PLC通過基于TCP/IP協(xié)議的SimaticH1工業(yè)以太網(wǎng)通信，并和工廠的局域網(wǎng)相連。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€型，采用粗纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為10Mb/s。S72400PLC通過CP44321以太網(wǎng)模板接入網(wǎng)絡(luò)，HMI通過CP1613以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程HMI的所有監(jiān)控畫面都與本地HMI相同，爐前操作人員可以通過遠(yuǎn)程HMI了解除塵系統(tǒng)工作狀況。工業(yè)以太網(wǎng)是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的開放式網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè))介質(zhì)訪問控制方式，有極強(qiáng)的信息集成和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力。在系統(tǒng)的頂層應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)可方便地實(shí)現(xiàn)管理-控制網(wǎng)絡(luò)的一體化。

除塵器上有大量的脈沖閥、卸灰閥等被控設(shè)備，在兩臺(tái)除塵器上就近設(shè)置兩臺(tái)遠(yuǎn)程I/O模塊ET200M接收這些信號(hào);兩臺(tái)中壓變頻器位于變頻器室，也有大量信息需要與主PLC交換。將中壓變頻器、ET200M模塊和S72400PLC通過Profibus2DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)建立連接，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為西門子MPI/DP兩芯專用電纜，傳輸速率設(shè)為18715Kb/s。設(shè)定除塵控制室的S72400PLC為主站，中壓變頻器及遠(yuǎn)程I/O模塊ET200M均設(shè)為從站。Profibus2DP現(xiàn)場(chǎng)總線采用主從介質(zhì)訪問控制方式，具有通信的實(shí)時(shí)性和確定性，站點(diǎn)每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔時(shí)間是確定的，可以保證站點(diǎn)完成它確定的任務(wù)。

3 控制策略

HMI上的監(jiān)控畫面采用WinCC組態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)歸檔等任務(wù)。PLC程序采用Step7編制，根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程，PLC程序可分為清灰控制、卸灰和輸灰控制、風(fēng)量調(diào)節(jié)和除塵室溫度控制等幾部分。其中卸灰和輸灰系統(tǒng)主要是邏輯控制，程序的編制較為容易，在此不再敘述，下面主要介紹其它部分的控制策略。

3.1 清灰控制

清灰的目的是清除布袋上的灰塵，使布袋粉塵保持合適的厚度，除塵器有較高的除塵效率和較低的能耗。早期的除塵系統(tǒng)風(fēng)量一般恒定，常用的清灰控制方式有定時(shí)清灰和定阻力清灰。定時(shí)清灰是指按照預(yù)先設(shè)定的清灰周期和脈沖間隔控制清灰機(jī)構(gòu)動(dòng)作，屬于開環(huán)控制，不考慮除塵器的實(shí)際阻力。若時(shí)間設(shè)置不合理，會(huì)使除塵效率太低或系統(tǒng)能耗太高。定阻力清灰是根據(jù)除塵器實(shí)際阻力來控制清灰。通常設(shè)定一個(gè)目標(biāo)阻力，當(dāng)實(shí)際阻力高于目標(biāo)阻力一定范圍時(shí)開始清灰，直到實(shí)際阻力小于目標(biāo)阻力一定范圍時(shí)停止清灰。這種方式相比定時(shí)清灰實(shí)現(xiàn)了阻力的簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，因此在風(fēng)量恒定的除塵系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。由于本系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，除塵風(fēng)量不再恒定，定時(shí)清灰和定阻力清灰都不適用，經(jīng)分析和試驗(yàn)，系統(tǒng)采用了變阻力清灰控制策略。即除塵器的阻力目標(biāo)值根據(jù)風(fēng)量變化實(shí)時(shí)計(jì)算和調(diào)整。

3.2 除塵室溫度控制

除塵器布袋所能允許的最高溫度為130℃，而在煉鋼的有些工藝時(shí)段，爐內(nèi)的一次煙氣在經(jīng)水冷管道和機(jī)力冷卻器冷卻后溫度仍高達(dá)250℃左右，此時(shí)必須混入部分二次煙氣降溫。但入口溫度也不能太低，否則會(huì)使風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加過多，造成風(fēng)機(jī)電機(jī)超載;同時(shí)會(huì)使煙氣產(chǎn)生酸露，引起粉塵在濾袋上板結(jié)，導(dǎo)致清灰困難。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般通過調(diào)節(jié)二次煙氣管道上的風(fēng)量平衡閥將除塵器入口溫度控制在110℃左右。

3.3 風(fēng)量調(diào)節(jié)

由于電爐在冶煉周期的不同時(shí)段產(chǎn)生的煙塵量不同，因此要求的除塵風(fēng)量不同，風(fēng)機(jī)應(yīng)通過變頻器的頻率調(diào)節(jié)變速運(yùn)行。PLC從電爐控制系統(tǒng)中讀取加料、吹氧、混鐵水和出鋼等不同時(shí)段的開關(guān)量觸發(fā)信號(hào)，控制變頻器運(yùn)行在不同的頻率段，具體頻率值在HMI上設(shè)定并可根據(jù)運(yùn)行效果調(diào)整。感器轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)模擬電壓信號(hào)后被送到稱重儀表，稱重儀表將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成重量數(shù)據(jù)信號(hào)，并將此數(shù)據(jù)通過串行通信方式傳送到PLC。此數(shù)據(jù)與觸摸屏上(或計(jì)算機(jī)上)預(yù)設(shè)的單秤目標(biāo)值減去提前量后相比較，若此數(shù)據(jù)小于該值，則PLC上的進(jìn)料輸出點(diǎn)保持接通，進(jìn)料閥門保持打開，進(jìn)料過程繼續(xù);此數(shù)據(jù)(即秤斗中的物料重量)達(dá)到該值時(shí)，PLC上的進(jìn)料輸出點(diǎn)斷開，秤的進(jìn)料閥門關(guān)閉。空中物料全部落入秤斗中且秤穩(wěn)定后，記錄物料毛重;接著進(jìn)入秤的放料過程，PLC上的放料輸出點(diǎn)自動(dòng)接通，秤的放料閥打開，開始放料;秤放空后，放料閥門自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)記錄物料皮重，則物料凈重=毛重-皮重，累計(jì)秤數(shù)和物料重量。至此，本次稱量循環(huán)結(jié)束，下次稱量循環(huán)的進(jìn)料過程自動(dòng)開始，如此不斷循環(huán)，直至最后一秤稱量循環(huán)結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。

4 散料秤與其它計(jì)量設(shè)備應(yīng)用比較

散料秤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合了多種應(yīng)用技術(shù)，在冶金行業(yè)特別是對(duì)散裝物料的計(jì)量上有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。它與常用于散裝物料計(jì)量的皮帶秤和國(guó)際港口通用的水尺計(jì)量相比，在應(yīng)用上有其優(yōu)越的性能和指標(biāo)。

5 應(yīng)用效果

整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)除塵工藝要求，通過工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)諸多設(shè)備聯(lián)系起來，大大減少了電纜鋪設(shè)量;充分利用SimaticS7PLC和WinCC緊密集成特性，使操作人員通過計(jì)算機(jī)屏幕直觀地監(jiān)控整個(gè)除塵系統(tǒng)運(yùn)行情況。該系統(tǒng)自2005年11月運(yùn)行至今，除塵器的除塵效率平均在95%以上，溫度控制響應(yīng)迅速，超調(diào)量不超過8℃，穩(wěn)態(tài)精度較高;控制系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定可靠，故障率極低，改善了煉鋼車間的工作環(huán)境，提高了工作效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。