胡 婕

(太原鋼鐵(集團)公司山西太鋼工程技術(shù)公司，山西太原 030009)

0 引言

節(jié)水節(jié)能是我國社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基本國策，為減少太原市的空氣污染和水污染，太鋼對原有6座18 t電爐實施改造，引進清潔生產(chǎn)技術(shù)、工藝及設(shè)備，建設(shè)1套90 t UHP電弧爐，用于不銹鋼冶煉。本系統(tǒng)為其配套的水處理系統(tǒng)，于2007年9月投產(chǎn)，運行良好，控制系統(tǒng)自動化程度較高，采用國內(nèi)領(lǐng)先的控制技術(shù)。

1 自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

太鋼90 tUHP電爐清潔生產(chǎn)水系統(tǒng)儀電一體，設(shè)計有一套PLC系統(tǒng)和一臺操作站，用以完成對過程設(shè)備的自動控制、過程參數(shù)的檢測及畫面顯示、報警聯(lián)鎖、人工設(shè)定和操作等功能。

系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC，配套研華工控機操作站，操作站組態(tài)軟件為WINCC，PLC與操作站之間通過以太網(wǎng)進行通訊，I/O單元采用ET200M遠程擴展方式，CPU與ET200M之間通過Profibus-DP現(xiàn)場總線進行通訊。PLC與電爐主系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和生產(chǎn)管理。PLC站共設(shè)1個中央機架和4個擴展機架，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附圖1。

圖1 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能說明

水處理工藝包括兩部分:一為凈環(huán)水開路循環(huán)系統(tǒng):由噴淋水泵、纖維球過濾器、反洗泵、凈環(huán)水增壓泵組組成;二為軟水閉路循環(huán)系統(tǒng):由蒸發(fā)式空冷器、軟水循環(huán)泵組、氣壓補水罐、柴油事故泵，軟水箱補水控制組成。

系統(tǒng)控制按以下三種方式配置:

(1)PLC自動方式:現(xiàn)場操作箱自手動選擇開關(guān)打至遙控位，自動完成生產(chǎn)控制任務(wù)。

(2)PLC手動方式:在系統(tǒng)操作選擇PLC手動方式后，操作員通過HMI操作按鈕對設(shè)備進行手動控制操作啟停。

(3)現(xiàn)場手動方式:現(xiàn)場操作箱自手動選擇開關(guān)打至就地位，可現(xiàn)場進行單獨設(shè)備的機旁手動控制。

2.1 儀控部分

儀控部分主要實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的參數(shù):溫度、壓力、流量、液位檢測及液位、壓力聯(lián)鎖控制，過濾器反洗控制?，F(xiàn)主要對過濾反洗控制進行詳細介紹:主要設(shè)備包括:2臺纖維球過濾器，每臺過濾器配置有4臺氣動切斷蝶閥:過濾進、出水閥，反洗進、出水閥以及1臺攪拌裝置，1臺反洗泵。

過濾器運行時，分手動和自動兩種控制模式。手動控制用于設(shè)備調(diào)試、故障處理。當(dāng)所有閥門及攪拌裝置均處于自動狀態(tài)，且所有過濾器均處于過濾狀態(tài)時，程序自動開始進行過濾－反洗控制。自動反洗受程序時間參數(shù)及儀表盤上外部強制反洗信號的控制?？刂瞥绦蛉缦?

過濾:反洗閥都關(guān)閉狀態(tài)下，首先打開過濾出水閥，接著打開過濾進水閥，進行正常過濾。

反洗:自動狀態(tài)下，當(dāng)過濾時間達到預(yù)定值，或手動強制反洗時，程序反洗開始。關(guān)閉過濾進、出水閥，打開反洗出水、進水閥，1分鐘后，啟動攪拌器，20分鐘后關(guān)閉攪拌器，3分鐘后，關(guān)閉反洗進水閥及反洗進水總閥，靠余壓排水和穩(wěn)定濾料2分鐘后，關(guān)閉反洗出水閥，至此反洗完畢。接著進行過濾程序。

過濾反洗控制的重點在于:每臺過濾器在一個時間周期內(nèi)輪流進行反洗，同一時間只能有一個過濾器反洗;一個時間周期內(nèi)每臺過濾器只允許反洗一次，以免造成浪費;外部強制反洗優(yōu)先;一旦出現(xiàn)切換閥故障，程序自動反洗停止，同時聲控報警，由操作工將該臺過濾器的轉(zhuǎn)換開關(guān)打至手動檔，實施現(xiàn)場檢修，以免造成跑水、排空等事故發(fā)生。

2.2 電控部分

主要實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的水泵、電動閥和蒸發(fā)式空冷器等的邏輯控制。在主控室設(shè)有集中操作臺，用于選擇操作方式，即機旁控制和PLC控制?？刂苾舡h(huán)過濾、噴淋、增壓水泵和軟水泵組電機啟停和電動蝶閥開閉，軟水補水泵起停由氣壓補水罐液位控制。PLC控制時，發(fā)出泵啟動命令后，超過30秒泵仍未啟動，且水壓仍達不到給定值時;或運行中水泵故障，則產(chǎn)生報警并停泵。自動狀態(tài)下，備用泵自動投入運行。水泵停止時，其所配的電動蝶閥自動關(guān)閉。手動狀態(tài)下，泵與電動蝶閥間聯(lián)鎖解除。

3 操作站功能規(guī)格

操作站軟件是基于西門子的WINCC組態(tài)軟件進行編程的。操作員通過人機界面(HMI)可以監(jiān)視整個生產(chǎn)運行態(tài)勢，遙控設(shè)備，改變參數(shù)越限報警值，打印記錄及遠程操作，這些功能被劃分在各個不同的操作畫面上。如圖2所示。

圖2 人機界面

3.1 流程圖畫面

流程圖畫面形象地顯示出了工藝過程及設(shè)備、管道的構(gòu)成和布局情況、運行狀態(tài)指示、及其動態(tài)顯示的過程參數(shù)值、報警狀態(tài)指示。設(shè)備的運行除現(xiàn)場手動和程序自動控制外，還可實現(xiàn)CRT遠程遙控，流程畫面為每1臺設(shè)備單獨設(shè)置有啟停及確認按鈕，以防操作工誤動作。當(dāng)泵出現(xiàn)運行故障，維修好后，鼠標(biāo)點擊故障復(fù)位按鈕，該泵才可投入運行。

3.2 趨勢畫面

為便于了解、分析過程參數(shù)的歷史變化情況，設(shè)計了趨勢畫面，通過趨勢窗口上方的工具欄，能用標(biāo)尺看曲線上任一點的時間－過程參數(shù)值，通過比例縮放看某一特定區(qū)域的曲線變化;通過時間選擇可以看到定義的任意時間長度內(nèi)的曲線。

3.3 參數(shù)設(shè)定及報警畫面

參數(shù)設(shè)定畫面允許操作員根據(jù)實際運行經(jīng)驗修改過程參數(shù)越限值。鼠標(biāo)點擊畫面右下角的按鈕可進入電氣設(shè)備報警畫面，詳細指示出設(shè)備故障狀態(tài)，便于操作人員的現(xiàn)場維修。

4 系統(tǒng)特點

采用交流電機變頻調(diào)速技術(shù)、壓力變頻調(diào)節(jié)、膨脹罐氣壓補水，來保證系統(tǒng)壓力滿足電爐用水要求。軟循環(huán)供水泵4臺:2臺變頻，2臺工頻，3用1備，每臺功率250 kW。正常情況下，該泵組至少有一臺泵變頻運行，自動狀態(tài)下，泵啟動后，打開電動蝶閥，靠變頻進行恒壓力控制。由壓力變送器檢測供水管網(wǎng)實際壓力，管網(wǎng)實際壓力與設(shè)定壓力經(jīng)過比較后輸出偏差信號，由偏差信號控制調(diào)整變頻器輸出的電源頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力不斷向設(shè)定壓力趨近，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力恒定，從而使水泵根據(jù)需水量自動調(diào)節(jié)供水量，達到節(jié)能節(jié)水的目的。當(dāng)發(fā)出泵啟動命令后，超過30秒泵仍未啟動，或當(dāng)發(fā)出電動蝶閥打開命令后，超過30秒，閥仍打不開，且水壓仍達不到給定值時;或運行中水泵故障時;則產(chǎn)生報警并停泵，在自動狀態(tài)下，備用泵自動投入運行。投入運行的水泵數(shù)量由PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制。設(shè)有手動/自動切換，當(dāng)切換至自動時，系統(tǒng)可根據(jù)出口壓力變化，自動調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速和自動啟動、停止備用泵，以維持出口壓力恒定，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，可切換至手動位置，使2臺水泵在工頻下運行，保證正常供水。

變頻器的流量反饋值引自PLC的出水總管電磁流量計的變送輸出。當(dāng)流量到達定值持續(xù)時間大于180秒且變頻無法調(diào)節(jié)時，由氣壓補水罐向管網(wǎng)補水，當(dāng)管網(wǎng)壓力達到波動定值時，氣壓補水罐停止向管網(wǎng)補水。

壓力變頻調(diào)節(jié):采用PID調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試確定。

采用變頻恒壓供水控制，不但能夠節(jié)水節(jié)能，而且提高了供水質(zhì)量，穩(wěn)定了管網(wǎng)壓力，保證了供水管網(wǎng)的安全運行。

5 小結(jié)

本套控制系統(tǒng)于2007年9月底投入運行后，計算機控制系統(tǒng)運行可靠，是電爐水處理系統(tǒng)可靠高效運行的動力和技術(shù)保障，具有數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確、節(jié)能效果顯著、控制性能良好且穩(wěn)定的特點，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。