浅谈PCS7 控制系统在高炉喷煤中的应用分析

韩书峰

（南阳汉冶特钢有限公司，江苏 南京 474550）

高炉喷煤工艺系统能够有效降低入炉焦比，继而对生产成本、进度等进行控制优化，高炉喷煤系统也存在较为严重的粉尘污染，这需要引起技术人员的重视，在高炉喷煤工艺流程中，如果喷煤量控制在较小的水平，则往往需要使用常规仪表系统进行控制。

当前，随着信息化技术的普遍化应用，高炉喷煤系统的自动化也越来越复杂、大型化，一般采取稳定性较高的集散控制系统是实现恶劣环境下高炉喷煤工作的关键，其中西门子PC7S 控制系统在高炉喷煤中的应用能够很好地满足工艺技术标准要求。

1 高炉喷煤工艺及要求

1.1 工艺简介

南阳汉冶特钢二期喷煤制粉项目为3#高炉配套项目，项目规模为日产1500T 煤粉，该高炉喷煤制粉工艺主要有三大子系统构成，即制粉、收粉、喷吹，主要生产工艺如图1 所示，包括废气加压、加热炉、磨煤机及公辅系统、给煤机、布袋收粉器、主引风机等组成。其中，控制系统采用了西门子的PCS7V9.2 系统，使用效果良好，取得了较好的经济效益和社会效益，具有推广使用价值。

图1 高炉喷煤工艺图

1.2 工艺要求

加热炉：加热炉利用天燃气作为点火气源，利用高压电子点火器进行点火，有火焰检测装置进行检测点火及燃烧情况，点火后通煤气与助燃风进行加热，煤气与助燃风按一定比例进行调节，同时，控制热风炉的温度，控制策略采用双限幅交叉PID 控制理论进行调节，加热炉控制由一套独立的S71200CPU 进行控制，与制粉S7414-5PLC 进行通讯，以进行数据集成和监控。废气加压：利用10kV200kW 高压电压驱动的离心风机对高炉热风废气进行加压送入加热炉进行换热后送入磨煤机，对磨煤机中的煤粉进行加热以利于研磨。换热后的热风废气温度与氧含量利用电动调节阀进行控制，废气温度与氧含量进行实时检测，超标时进行报警提醒，以防止煤粉在磨煤气内着火，甚至产生爆炸。

磨煤机由磨辊与磨盘组成，磨盘在磨机主电机的驱动下进行转动，与磨辊产生研磨效果，磨辊可以进行升降操作，以调节磨盘与磨辊之间的间隙，磨辊升降采用液压比例溢流阀进行控制，有杆腔与无杆腔分别进行控制，可以达到磨辊悬浮与压力配合调节的目的，具体实现由PLC 进行编程控制。可以手动调节比例溢流阀的开度，也可以采用压力设定PID自动调节比例溢流阀的开度，进而调节三个油缸的有杆腔与无杆腔的压力，以达到升辊与落辊调节研磨效果与抬辊启机的需要。煤粉在研磨作用下变成细小的颗粒，通过引风机的抽风作用吸附到布袋收粉器上，然后进行反吹收集。

布袋收粉器的主要作用是在引风机负压作用下收集磨机中的煤粉，进而在氮气反吹下落入收粉器箱体下部的粉仓，并通过双层卸灰阀及振动筛送入煤粉仓中。本项目设计了6个箱体，每个箱体设计了14 个脉冲阀，箱体间轮流进行反吹，每个箱体中14 个脉冲阀每次反吹200ms，由一套独立的S7200SMART PLC 进行控制，并且箱体反吹的启动与停止，箱体及脉冲阀的反吹状态引入制粉PCS7 系统，并在操作画面上进行显示，如图2 所示。布袋收粉器上每个箱体的上部与下部安装两支热电阻进行测温，以防煤粉堆积及温度过高形成阴燃。系统在箱体内设有保安氮气吹扫功能，在温度过高时进行降温及降低氧气浓度，以达到灭火的目的。主引风机通过变频驱动，以达到调节引风管道负压与节能的目的，在引风前安装流量计及负压表，以检测引风主管道流量及负压情况，以防出现堵塞情况。

图2 布袋收粉器、主引风机工艺示意图

2 控制系统的设计

2.1 硬件设计

本文所采取的西门子PCS7 控制系统总体设计层次可以分为两层，第一层是实现现场数据采集和信号输出等工作的控制器和现场信号装置；第二层则为工程师站，主要为系统组态等的开发及系统运行过程中不同关键性工艺参数记录、预警、修改、显示等，并且能够为后期的人工操作提供全面性的操作界面。其中，工业以太网则进行该两个层次之间的数据通讯。第一层次的控制器为主从结构，主控制器采用西门414-5HCPU，带DP/MPI 接口及PN(以太网)接口，背板采用9 槽背板，带电源模块，MPI/DP 接口组态为DP 总线连接方式，外挂四个IM153 扩展站。每个站下挂SM321，SM322 模块采集现场状态数据以及对现场设备进行控制。项目中所有的DO 输出均由中间继电器进行了隔离，以达到保护模块的目的。不同控制机架之间主要采取PROFIBUS 系统总线实现数据通信，该系统总线可以实现多站次的连接，且数据传输速度能够控制在10kb/s ～2Mb/s。项目中37kW 以上电机采用了马达保护器进行综合保护，并具备MODBUS RTU 接口，系统中配置了CP341 串口通讯模块采集马达保护器里的电机电流等信息。第二层次的工程师站则主要包括安装Windows 10 LT2015 企业版操作系统的工业电脑，并且配备了相关系统组态软件，不同工程师站都可以通过独立接口实现终端总线的连接，完成以太网的接入工作。

2.2 软件设计

对于系统软件设计，PCS7 系统具备多类型的编程模式（LAD、STL、CFC、SFC、SCL 等），并且该控制系统程序组织执行使用较为简便，控制系统内置的组织块能够充当用户程序和系统之间的接口，通过操作系统的调用进行驱动程序的中断和循环以及程序控制器的动态化启动，也可以进行错误响应的处理。一般而言，PCS7 控制系统具备以下三个方面的软件要求，首先，是能够实现对传统工艺参数的报警、检测功能，CFC 变成模式的采取主要考虑到内置功能模块的通用性，如阀门控制、数据监测、PID 调节等，可以进行极为简洁方便的参数预警监测分析，且程序的设置一般在OB35（中断时间循环组织块），可以在0.1s 时间间隔进行单次循环；其次，对于自动调节回路则主要采取CFC 编程模式，串级调节模式为喷吹速度控制主要模式，内外环的自动调节形式不一致，煤粉喷吹工艺主要与湿度、温度、煤粉品种具有重要关联，实施喷吹速度一般只能够选取为特定时间段的平均值，时间间隔则要适当选取，实际生产阶段，一般选取为50 秒；对于自动倒罐作业，则需要考虑井罐喷煤阀门的自动化顺序工作，一般在下一个动作命令发出之前，上一个阀门需要进那个开关到位工作，顺序控制特征也是软件设计需要重点考虑的，为此，需要采取SFC 模式进行编程处理，软件程序则设置在0B35 内。

3 人机界面设计

该控制系统采取的人机界面主要为WinCC 软件开发，该应用软件能够进行不同工业化图形的展示、数据信息的存档和相关报表等功能的提供，过程耦合、画面更新及数据存储等具备高效稳定的优点。人机界面主要具备动态工艺流程图、工艺参数动态调节截面、控制查询子图、报警历史数据趋势分析图、自动倒罐联锁控制图等，人机界面具备较明显的简洁、方便等特性。

4 结语

高炉喷煤自动控制系统投入使用后，能够在有效降低高炉入炉焦比的同时，不仅提升了工艺操作的自动化程度，而且能够在不同工艺环节减少人工操作失误率，该控制系统的长周期使用经验表明，高炉喷煤工艺流程运行较为稳定，极少出现故障引发的中断现象，能够实现满负荷、高效的生产，基于西门子PCS7 的控制系统值得在同类型钢铁企业中推广应用，从而促进钢铁行业的发展。