【摘 要】本文介紹了八一鋼廠高爐煤氣多級降壓在煤氣壓力控制中的應(yīng)用，著重討論了控制系統(tǒng)選型、軟件設(shè)計及實現(xiàn)基本和控制功能。對于其它穩(wěn)壓降壓控制系統(tǒng)的選型及系統(tǒng)設(shè)計、編程具有一定借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】多級降壓；電液閥；PLC控制

0 引言

八鋼新區(qū)4×55孔焦?fàn)t為復(fù)熱式焦?fàn)t，目前使用焦?fàn)t煤氣加熱。由于八鋼冬季軋鋼生產(chǎn)的需要，焦?fàn)t煤氣用量增大，導(dǎo)致焦?fàn)t煤氣缺口較大，致使八鋼混合煤氣系統(tǒng)缺乏基礎(chǔ)的焦?fàn)t煤氣，無法滿足軋鋼生產(chǎn)任務(wù)所需的需求量。需要用高爐煤氣置換出部分供焦?fàn)t加熱的焦?fàn)t煤氣，保證軋鋼生產(chǎn)的需要。

但由于高爐煤氣系統(tǒng)壓力波動很大，波動范圍10～25Kpa，而且由于高爐生產(chǎn)的原因，高爐煤氣壓力波動速度也較快。這樣，一方面高爐煤氣壓力過高，會導(dǎo)致煤氣管道水封被沖，造成安全隱患，另一方面焦?fàn)t入口處缺乏有效的調(diào)壓裝置，高爐煤氣壓力的不穩(wěn)定，導(dǎo)致焦?fàn)t加熱所要利用的高爐煤氣的配入量無法穩(wěn)定控制，滿足不了生產(chǎn)需要。

因此，需要在高爐煤氣管道上新上調(diào)壓裝置，將波動范圍10～25Kpa的高爐煤氣穩(wěn)定調(diào)制6Kpa，波動范圍±0.2Kpa的高爐煤氣供焦?fàn)t加熱使用，置換出部分焦?fàn)t加熱所用的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

工藝檢測控制流程圖見圖1：

圖1

調(diào)節(jié)閥可實現(xiàn)就地手動操作和遠(yuǎn)方手動或自動操作。在自動狀態(tài)下，根據(jù)BFG壓力，調(diào)節(jié)閥1將閥前10～25KPa調(diào)節(jié)至10KPa，調(diào)節(jié)閥2將閥前壓力KPa調(diào)節(jié)至6KPa，以達(dá)到滿足工藝要求的高爐煤氣。

調(diào)節(jié)閥在機(jī)旁可進(jìn)行手動操作，以及閥門操作狀態(tài)的切換。且在能源管理系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和狀態(tài)監(jiān)視。

系統(tǒng)設(shè)置的指導(dǎo)思想

（1）因煤氣量較大，閥門口徑較大，為保證及時調(diào)節(jié)變化范圍較大的高爐煤氣，閥門調(diào)節(jié)的全行程時間應(yīng)較快，否則無法保證壓力穩(wěn)定在6KPa±0.2KPa。

常規(guī)電動、氣動大口徑調(diào)閥全行程時間較慢，無法滿足壓力波動較大的高爐煤氣的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，因此選用了控制性能較高電液調(diào)閥，從調(diào)節(jié)速度、線性度、分辨率、重復(fù)性等指標(biāo)滿足調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)要求。

同時為保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用多級降壓方式，管路上選用二級調(diào)壓裝置，第一級調(diào)壓閥粗調(diào)，第二級精確調(diào)整，保證入焦?fàn)t的高爐煤氣的穩(wěn)定性。

（2）控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)兩個閥門全自動、一個自動一個手動、全手動以及實現(xiàn)儀表故障狀態(tài)下安全運行的控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集控制層，硬件主要采用SIEMENS公司產(chǎn)品。控制器為SimaticS7-300系列PLC，集成功能控制模塊、I/O擴(kuò)展模塊和以太網(wǎng)通訊模塊，通過硬線直接接入現(xiàn)場檢測控制信號。編程軟件采用Siemens規(guī)則下的梯形圖（LAD）方式，編程環(huán)境為Step 7V5.3， 上位監(jiān)控軟件選用WINCC6.2。工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)與上下層進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的主干網(wǎng)采用符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的光纖以太網(wǎng)，交換機(jī)到工程師站、操作員站采用5類雙絞線。組網(wǎng)用的交換機(jī)選用SIEMENS工業(yè)交換機(jī)，支持10/100Mb/s自適應(yīng)速率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過實際工藝可以判斷得出，導(dǎo)致1#閥門動作的最大干擾為氣體來源處的高爐煤氣出口壓力P0，導(dǎo)致2#閥門動作的最大干擾為氣體終端用戶。兩只閥門彼此之間的互相干擾可忽略不計，兩只調(diào)節(jié)閥均采用單閉環(huán)控制。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖2）

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

存在PID1與PID2兩個單閉環(huán)控制回路，正常情況時，P1為PID1回路的過程反饋值，P2為PID2回路的過程反饋值。P3為備用壓力檢測點，當(dāng)P2故障后，P3為PID2回路的過程反饋值。

3.2 單只閥門PLC程序控制原理（圖3）

圖3 控制原理

1）選擇手動，即MAN_ON=1

根據(jù)工藝數(shù)據(jù)，人為判斷需要開大還是關(guān)小閥門，通過調(diào)整閥門開度MAN（0%～100%）值，PLC可以直接輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得閥門完成開度動作（0%～100%）。

2）選擇自動，即MAN_ON=0

根據(jù)工藝要求，輸入目標(biāo)值（給定值）SP，PLC將比較SP與反饋值（過程值）PV的差值，自動完成PID計算調(diào)節(jié)，不斷輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得閥門完成開度動作（0%～100%）。

單閉環(huán)控制回路控制方框圖（圖4）：

圖4 方框圖

3.3 控制功能

控制流程圖（圖5）：

圖5

3.3.1 閥門控制方式

系統(tǒng)存在四種控制方式：兩閥均手動控制；1#閥手動、2#閥自動控制；1#閥自動、2#閥手動控制；兩閥均自動控制。

四種方式相互制約，不可同時選擇與執(zhí)行，只可選擇一種方式。選擇后會有實際狀態(tài)反饋。兩閥均手動控制；1#閥手動、2#閥自動控制；1#閥自動、2#閥手動控制；兩閥均自動控制。

1）兩閥均手動控制

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)P1、P2，人為判斷需要開大還是關(guān)小閥門，通過分別調(diào)整兩只閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得兩只閥門獨立完成開關(guān)動作（0%～100%）。

2）1#閥手動、2#閥自動控制

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)P1，人為判斷需要開大還是關(guān)小1#閥門，通過調(diào)整1#閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得1#閥門獨立完成開關(guān)動作（0%～100%）。

根據(jù)工藝要求，輸入終端用戶所需要的目標(biāo)值（給定值）SP2，PLC2將比較SP2與反饋值（過程值）P2的差值，自動完成PID計算調(diào)節(jié)，不斷輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得2#閥門完成開關(guān)動作（0%～100%）。

3）1#閥自動、2#閥手動控制

根據(jù)工藝要求，輸入1#閥后需要的壓力目標(biāo)值（給定值）SP1，PLC1將比較SP1與反饋值（過程值）P1的差值，自動完成PID計算調(diào)節(jié)，不斷輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得1#閥門完成開關(guān)動作（0%～100%）。

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)P2，人為判斷需要開大還是關(guān)小2#閥門，通過調(diào)整2#閥門的輸入開度MAN（0%～100%）值，使得2#閥門獨立完成開關(guān)動作（0%～100%）。

4）兩閥均自動控制

根據(jù)工藝要求，輸入1#閥后需要的壓力目標(biāo)值（給定值）SP1，PLC1將比較SP1與反饋值（過程值）P1的差值，自動完成PID計算調(diào)節(jié)，不斷輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得1#閥門完成開關(guān)動作（0%～100%）。

根據(jù)工藝要求，輸入終端用戶所需要的目標(biāo)值（給定值）SP2，PLC2將比較SP2與反饋值（過程值）P2的差值，自動完成PID計算調(diào)節(jié)，不斷輸出對應(yīng)控制信號（4mA～20mA）， 最終使得2#閥門完成開關(guān)動作（0%～100%）。

3.3.2 故障信號

1）儀表類故障信號：

閥后壓力超上限與閥后壓力超下限，信號出現(xiàn)且延時存在3秒后，確認(rèn)此信號為真實信號，此時可認(rèn)定壓力變送器故障。

具體信號有1# 壓力變送器故障、2# 壓力變送器故障與3# 壓力變送器故障。

2）電氣類故障信號：

1#電液閥報警1、2（油溫報警、油壓系統(tǒng)報警）；

2#電液閥報警1、2（油溫報警、油壓系統(tǒng)報警）。

故障排除后，需要執(zhí)行故障復(fù)位操作。

3.3.3 出現(xiàn)故障信號時的控制功能

1）儀表信號故障

①正常情況時，P1為PID1回路的過程反饋值，當(dāng)1# 壓力變送器故障時，首先提示操作人員“1#壓力變送器故障，請確認(rèn)經(jīng)驗值。”如操作人員未執(zhí)行，PID1回路的過程反饋值使用P2+3Kpa（經(jīng)驗差值HMI可調(diào)整，以正常工藝，穩(wěn)定系統(tǒng)時P2與P1的差值為參考）繼續(xù)實現(xiàn)自動控制。

②正常情況時，P2為PID2回路的過程反饋值，當(dāng)2# 壓力變送器故障時，首先提示操作人員“P2壓力檢測故障，現(xiàn)使用P3做為PID2回路的過程反饋值?！?/p>

③當(dāng)出現(xiàn)極端現(xiàn)象，即P2與P3壓力檢測均出現(xiàn)故障時，PLC程序會強(qiáng)制將2#閥門（保持原有開度）切換為手動控制，同時提示操作人員“P2與P3壓力檢測均故障，現(xiàn)將2#閥門切換為手動控制” 。此時以控制1#閥門為主，如1#閥手動，則需要通過人為控制1#閥實現(xiàn)將P1調(diào)節(jié)至用戶需求壓力；如1#閥自動，則PLC自動將sp2賦值給sp1。及時聯(lián)系終端用戶，根據(jù)其入口氣體壓力，逐漸調(diào)整2#閥門開度。

2）電氣信號故障

當(dāng)閥門處于自動控制方式時，一旦油溫報警、油壓系統(tǒng)報警中的任何一個故障信號出現(xiàn)，PLC將會對其自動鎖存（即在故障解除后，需要人為故障復(fù)位，否則故障信號一直存在），同時提示操作人員故障信息，請操作人員確認(rèn)是否需要將1#閥切換為手動狀態(tài)，如操作人員選擇“切換至手動”，PLC將自動將閥門改為手動方式，隨后操作人員自己調(diào)整輸入MAN值。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)集于2010年12月份投運至今，實現(xiàn)了對高爐煤氣壓力穩(wěn)定運行監(jiān)控，完全滿足煤氣置換的生產(chǎn)及工藝要求，為企業(yè)提供穩(wěn)定煤氣供應(yīng)，提高了企業(yè)效益和社會效益。

[責(zé)任編輯：曹明明]