洒水控制系统在钢铁原料场的应用

易运池，高振亮

(1.北京农业职业学院 机电工程学院，北京 102208；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)

进入21世纪，大型钢铁企业料场大型化，节能环保、自动化、无人化是现代化原料场发展的趋势，随着国家对环保提出了更高的要求，尤其是露天料场，洒水系统的稳定可靠运行是实现环保要求的重要设施之一。在首钢京唐钢铁联合有限责任公司原料场(下文简称“京唐原料场”)，洒水系统分布在煤料场、矿料场和球团料场3个区域,京唐原料场洒水系统采用现场子站DP网络连接代替设备控制点硬接线方式，节约了安装时间和施工费用，操作人员在中央控制室通过系统网络实现远程监控，具有故障复位、网络故障诊断等功能，避免了现场操作，节约了故障恢复时间。实践证明，该系统稳定可靠，故障率低，满足大型原燃料场[1]生产环保需求。

1 料场洒水系统的结构

京唐原料场洒水系统主要由泵站系统、自动控制系统、管路系统、洒水装置构成[2]，如图1所示。

图1 洒水系统结构示意

图1中，洒水控制系统采用Siemens S7-400系列CPU414-2DP，选用通讯模板CP 443-5扩展型通讯处理器作为DP主站，从站采用IM151-1接口模块[3]和RS485 DP中继器进行通讯，主站与从站、从站与从站之间通过PROFIBUS-DP网络连接，构成系统主站与现场远程I/O从站网络链路。

洒水控制系统上位机选用工控机，上位机通过CP5611-MPI网卡与PLC进行通讯和控制，通过安装在上位工控机上以太网(EtherNet/IP)卡、交换机与抑尘系统和料场生产主系统进行信息交换，并与更高层网络过程控制级L2级和生产管理级L3级实现信息共享。

2 洒水控制系统功能

洒水控制系统应完成分两种控制方式，即现场本地和远程控制方式。现场本地即在现场操作或检修模式，远程控制即由中控室进行远程控制。

当发出喷枪启动命令后，从站输出模块上的开阀继电器及摆动继电器吸合，开到位反馈信号为“ON”时，开阀继电器断开，当开阀20 s电动阀开到位信号没有返回，电动蝶阀断电；当发出喷枪停止信号时，摆动继电器断开，关阀继电器吸合，关到位反馈信号“ON”时，关阀继电器断开，当关阀20 s电动阀开到位信号没有返回，电动蝶阀断电。

当喷枪启动后，程序在启动喷枪的25 s内检测摆动、泄水反馈信号是否有一次变化，即“ON”变“OFF”或“OFF”变“ON”，若无变化，程序将该台喷枪的相应位置显示报警。喷枪再次启动后，摆动、泄水报警故障自动复位，在25 s内重新进行故障检测。

当温度≤2 ℃时，喷枪内由温控仪表、铂热电阻、电热带、电热器及加热继电器组成的温控系统开始加热，温度达到15 ℃时停止加热。

3 料场控制系统的实现

3.1 硬件实现

京唐原料场是采用秦皇岛三英环保设备开发有限公司ZBPL型自动摆头洒水装置，适用于港口、电厂等单位储煤场及某些粉尘较大的矿物散装露天堆放场地，通过洒水进行抑尘，是一种新型的环保产品。主要参数表见表1。

其主要结构由喷枪、摆动机构、电动蝶阀、手动蝶阀、自动泄空阀、电伴热、温度控制器、电控器及保温箱体等部分组成，ZBPL型自动摆头洒水装置三视图见图2。该装置采用了双螺旋圆柱凸轮往复换向机构和机电一体化的自动泄空阀，克服了同类产品只有摆动喷枪，没有阀门、伴热、控制系统及保温箱体，冬季不好使用，雾化不好，喷洒不均等缺点。

“没错，是丁达。他没事，壶天晓和镜心羽衣也没事，都在他肚子里装着呢！”宴西园乘着他的棕色翼龙，低空盘旋着，向丁达飞去。

表1 ZBPL型自动摆头洒水装置主要参数

图2 ZBPL型自动摆头洒水装置三视图

洒水装置工作是通过水泵房加压水经管道通至洒水装置处，与进水手动蝶阀相通，当手动蝶阀打开，控制室(上位机或操作终端)按设定的洒水的枪数、时间、次数，可发出喷水指令，处于常闭状态的电动蝶阀打开，同时，处于常开状态的泄空阀关闭，喷水工作开始，同时，电动机启动，带动减速机、凸轮机构、齿条、齿轮运动，使喷枪往复摆动喷水。

在京唐原料场，以煤料场为例，煤料场有10个料条，料条宽度55 m，9个堆取料机轨道道基，洒水控制系统远程I/O站和洒水装置分布在轨道道基两侧。每台洒水装置其喷枪控制的输出点为3个，分别为电动阀开驱动、电动阀关驱动及枪头摆动驱动。喷枪反馈输入点为8个，分别为电动阀开到位信号、电动阀关到位信号、摆动信号[4]、泄水信号、低温报警信号、远程/就地转换信号、手动开信号及手动关信号。

依据料场现场测试编制曲线，该洒水装置能满足大型钢铁原料场生产需求。喷水曲线图见图3，仰角喷水图见图4。

图3 ZBPL型自动摆头洒水装置喷水曲线

图4 ZBPL型自动摆头洒水装置几种喷水仰角

3.2 软件实现

洒水装置分两种控制方式，即现场本地和远程控制方式。

料场洒水控制系统PLC编程采用SIEMENS SIMATIC STEP 7 V 5.4+SP 3.1编程软件，上位机画面使用SIEMENS SIMATIC WINCC V 7.0监控组态软件，通过创建和管理项目，为硬件和通讯组态并分配参数，创建应用程序，将程序下载到可编程控制器，最后完成系统调试。

现场手动操作时，先将喷枪保温箱门打开，用钥匙将转换开关打到“就地”操作位置，按喷枪启动按钮，喷枪运行，手动完成后，按停止按钮，喷枪停止，将转换开关打到“远程”位置，关上喷枪保温箱的门。

在远程手动方式下，移动鼠标箭头至某台喷枪的枪号处，点击左键，喷枪开始洒水，枪号背景颜色变绿；将鼠标箭头移到该台已喷水的喷枪枪号处，点击左键，该台喷枪停止洒水，枪号背景颜色变红。

在远程自动方式下，运行前要检查已设好的启动方式，若不合适，可进行选择。检查每组自动运行的时间是否合适，若不合适，可进行修改。用鼠标点击右上角的自动启动按钮，喷枪按设定程序及设定时间分组启停。全部喷枪启停一次后，自动运行按钮自动掉下。如果选中停止方式，所有由上位启动的喷枪将全部停止，在此方式下，不能由上位机驱动喷枪。因此，操作完成后，应选中停止方式，防止有人误启动喷枪。

喷枪组图是由棕色枪头、喷枪枪号数字、电动阀开到位信号K、电动阀关到位信号G、喷枪泄水信号X、低温报警信号W及蓝色方块组成。喷枪停止时，喷枪枪号数字背景为红色，关到位信号G的背景为绿色，开到位信号K的背景为红色，泄水信号X的背景为绿色；喷枪运行时，喷枪枪号数字背景为绿色，关到位信号G的背景为红色，开到位信号K的背景为绿色，泄水信号X的背景为红色。当喷枪发生摆动故障报警时，喷枪组图中的枪头由棕色变为黄色；当喷枪发生低温报警时，低温报警信号W的背景颜色为黄色；当控制喷枪的现场从站发生通讯报警时，喷枪枪号数字背景为黄色，上位及现场均不能操作该台喷枪；当喷枪进行现场手动时，蓝色方块出现在喷枪组图的后面。

故障查询画面分为摆动故障、泄水故障、低温报警故障及通信故障查询索引，摆动与泄水故障是运行后经过延时检测出的，可以进行手动复位。其他的两个故障是由喷枪输入点及内部中断相关联的，不能进行手动复位，当故障消失后，自动复位。低温报警是指在冬季，当喷枪内供水管道的温度低于2 ℃时，喷枪内的温控仪表报警继电器吸合，向上位机发出报警信号。洒水上位报警与查询画面见图5。

图5 矿料场洒水上位报警画面

通讯查询画面是以图形方式显示每个现场从站与主站PLC间的通讯连接，每个现场从站的通信地址及通讯电缆的进出路由。当某个从站发生通信故障时，其相应的方块以红、黄颜色闪烁，通讯正常时，该方块为绿色。

4 系统运行效果分析

在系统调试期间，发现存在从站丢失现象，为解决该问题，依据PROFIBUS-DP网的传输特性，考虑通讯环境干扰、波特率、最大通讯距离、系统成本，选用2条PROFIBUS-DP链路，设置了RS485 DP中继器，保证了系统通讯的可靠性。

在调试过程中，发现喷枪的洒水距离和洒水高度不能满足煤料堆17 m堆高和料条55 m宽度的工艺要求，为此，通过调整了泵站管道出口压力(达到1.0 MPa)和流量(单喷头70 m3/h)，对泵站系统进行了完善，满足了生产需求。

随着生产运行，利用国产电动蝶阀D941H-16C65代替法国电动蝶阀D941H-16C65进行测试，需要经过修改PLC程序延迟时间，能满足生产需要，系统运行测试成功。由于进口电动蝶阀价格昂贵(人民币8 900元)，电动蝶阀国产化(人民币3 840元)改造，如650套洒水电动蝶阀全部更换将节约人民币329万元，显著节约了生产成本。

5 结论

目前该系统运行稳定可靠，满足了生产工艺需求。该系统的成功实施，大大降低了现场管理人员的工作强度，提高了劳动生产率，达到最佳的防尘降尘效果，保护了环境，减少了原燃料损失，同时解决了在不更换主体机械设备的情况下完成了国产化改造，降低了生产成本。该控制系统的成功运用对我国钢铁厂、港口码头、发电厂等企业的原料场粉尘治理具有良好的推广应用价值。