吳明亮 趙 坤 吳明永 張曉東

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，蘭州 730070)

沸騰爐是一種新型節(jié)能燃燒設(shè)備，具有高效、節(jié)能的點(diǎn)火技術(shù)。傳統(tǒng)沸騰爐大多采用手動(dòng)方式點(diǎn)火，操作過程復(fù)雜，爐內(nèi)溫度不易控制，操作不當(dāng)就會(huì)帶來一系列的問題，而且操作人員危險(xiǎn)性高、工作強(qiáng)度大，點(diǎn)火周期長[1]。以新疆奎屯銅冠冶化有限公司年產(chǎn)30萬t硫酸的沸騰爐為背景，結(jié)合全集成PCS7系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)出以S7-400 PLC為核心的自動(dòng)點(diǎn)火DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量小及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成①

沸騰爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)由油泵、調(diào)節(jié)閥、燃燒器、現(xiàn)場儀表、操作箱、低壓配電柜及上位工控機(jī)等組成(圖1)。沸騰爐內(nèi)均布4臺燃燒器，各燃燒器獨(dú)立工作，互不影響。燃燒器內(nèi)裝有點(diǎn)火槍、電弧槍、油管、壓縮空氣管和助燃風(fēng)管，油槍和點(diǎn)火槍采用氣動(dòng)推進(jìn)裝置，點(diǎn)火開始時(shí)油槍和點(diǎn)火槍被推入爐內(nèi)，結(jié)束時(shí)退回原位，避免油槍和點(diǎn)火槍長期處于高溫環(huán)境中，延長使用壽命。

圖1 點(diǎn)火控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

點(diǎn)火前，油泵啟動(dòng)，油角閥關(guān)閉，此時(shí)輕柴油通過回油管回到油箱。助燃風(fēng)管道上設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量，一般與爐膛壓力差保持在3～5kPa。點(diǎn)火時(shí)油壓控制在650kPa左右，由壓縮空氣將輕柴油霧化后噴入爐內(nèi)，同時(shí)電弧槍持續(xù)發(fā)火15s。點(diǎn)火成功后，通過合理調(diào)節(jié)空燃比，將爐溫逐漸提升到900℃左右，然后將硫鐵礦投入爐內(nèi)，通過調(diào)控爐底風(fēng)機(jī)和開爐風(fēng)機(jī)之間的風(fēng)量，將爐膛負(fù)壓保持在-10～20Pa范圍內(nèi)，從而使硫鐵礦懸浮于硫化床之上，將硫鐵礦引燃。

2 系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)采用的PCS7系統(tǒng)是一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)所有的硬件基于統(tǒng)一的硬件平臺，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)上位機(jī)由一臺工程師站和若干臺操作員站組成。上位機(jī)選擇研華工業(yè)型計(jì)算機(jī)，內(nèi)配有千兆以太網(wǎng)卡，計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有PCS7 V7.1版本軟件，可用于程序編寫、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫的建立/維護(hù)及人機(jī)界面組態(tài)等。下位機(jī)由IM153-2通信模塊、電源模塊、模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數(shù)字量輸入模塊DI及數(shù)字量輸出模塊DO等組成。

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由IM153-2通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與DCS相融合，由開關(guān)量和模擬量采集模塊將現(xiàn)場所需數(shù)據(jù)信號傳遞到現(xiàn)場控制器CPU中，通過一定的邏輯運(yùn)算，將執(zhí)行命令傳輸給現(xiàn)場點(diǎn)火執(zhí)行機(jī)構(gòu)。Profibus-DP現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbit/s～12.0Mbit/s，用于現(xiàn)場控制站的 CPU 主站和分布式ET200M 從站之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集和處理[2]。帶光電轉(zhuǎn)換的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)Simatic X204-2構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，傳輸速率快，將操作管理層的工程師站、操作員站與現(xiàn)場控制站上的CP443-1連接起來，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制站S7-400 CPU之間的通信。Simatic X204-2交換機(jī)具有冗余環(huán)網(wǎng)管理功能，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開都不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是基于PCS7過程控制的強(qiáng)大集成功能平臺設(shè)計(jì)的。PCS7是集DCS、總線I/O和PLC為一體的新型全集成控制系統(tǒng)[3]，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，運(yùn)算速度快，容量大，客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)從上到下組態(tài)，具有友好的人機(jī)界面，能靈活、可靠地嫁接于舊系統(tǒng)之上。

3.1 點(diǎn)火流程

圖3 自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)程序流程

點(diǎn)火程序流程如圖3所示。點(diǎn)火前首先檢查油壓、壓縮空氣壓力和助燃風(fēng)壓是否正常，然后對沸騰爐進(jìn)行全爐膛吹掃(本系統(tǒng)設(shè)定吹掃時(shí)間為60s)，吹掃完成后關(guān)閉吹掃閥；吹掃閥到位信號收到后進(jìn)點(diǎn)火槍，點(diǎn)火槍到位后開啟霧化閥，然后啟動(dòng)點(diǎn)火器；此時(shí)開啟油角閥，點(diǎn)火器持續(xù)發(fā)火15s后退出點(diǎn)火器。通過火檢裝置檢測點(diǎn)火是否成功，若點(diǎn)火失敗，關(guān)閉油角閥，然后關(guān)閉霧化閥，最后開啟吹掃閥對沸騰爐進(jìn)行全爐膛吹掃，按照上述步驟重新點(diǎn)火。

點(diǎn)火成功后要通過控制助燃風(fēng)量和輕柴油流量找到最優(yōu)空燃比，精確、有效地控制爐膛溫度。程序編寫采用PCS7的編程組件梯形圖、SCL及CFC等多種語言進(jìn)行編寫，清晰直觀，簡單可靠。通過編寫空燃比自尋優(yōu)程序(圖4)，使空燃比自動(dòng)達(dá)到最佳值，節(jié)約原料，減少空氣污染。因此，控制空燃比到一個(gè)預(yù)定的理想范圍對降低柴油排放量是非常重要的[4]。

3.2 聯(lián)鎖保護(hù)

聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)的安全保護(hù)程序，為了保證沸騰爐的安全運(yùn)行，當(dāng)工藝控制參數(shù)發(fā)生異常時(shí)應(yīng)使沸騰爐停止運(yùn)行[5]。本點(diǎn)火控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的信號主要包括：緊急停車、火檢無火、壓縮空氣壓力低/高、油壓低/高、助燃風(fēng)壓力低及燃料喪失等，其中任何一個(gè)信號出現(xiàn)時(shí)就會(huì)發(fā)出聯(lián)鎖停車信號。模擬量聯(lián)鎖信號設(shè)置了聯(lián)鎖延時(shí)，防止這些變量的瞬間波動(dòng)導(dǎo)致誤停車。DCS聯(lián)鎖邏輯如圖5所示，實(shí)際進(jìn)行DCS組態(tài)時(shí)，每個(gè)聯(lián)鎖信號都增加了旁路軟開關(guān)，使操作人員可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求有選擇地將聯(lián)鎖回路投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)更為人性化。聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)不僅可以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性，保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行，還有利于防止設(shè)備本體受到意外事故的損壞，延長設(shè)備使用壽命。

圖5 DCS聯(lián)鎖邏輯示意圖

3.3 監(jiān)控畫面

本系統(tǒng)上位監(jiān)控畫面采用WinCC設(shè)計(jì)而成。WinCC組態(tài)軟件提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報(bào)警、過程值歸檔及報(bào)表打印等模塊[6]。根據(jù)點(diǎn)火工藝流程，筆者設(shè)計(jì)了操作簡單、更為人性化的人機(jī)界面(圖6)：使用圖形化操作方式的人機(jī)界面，能夠顯示工藝流程畫面和動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，使查詢更方便、靈活；監(jiān)控中心可以通過歷史曲線對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可以自動(dòng)生成、打印報(bào)表；點(diǎn)火過程中出現(xiàn)的故障均以聲光形式報(bào)警，并分出報(bào)警等級，操作人員可以將報(bào)警記錄打印，進(jìn)行故障分析；設(shè)置了不同的管理權(quán)限，只有賦予權(quán)限的用戶才能進(jìn)行允許的操作。

圖6 WinCC 監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

基于PCS7過程控制平臺設(shè)計(jì)的沸騰爐自動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)操作簡單、功能完善、可靠性高，點(diǎn)系統(tǒng)程序流程簡單清晰，程序通過多種方法混合編寫，穩(wěn)定可靠，且聯(lián)鎖控制方案設(shè)計(jì)合理，完全可以克服手動(dòng)點(diǎn)火的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)沸騰爐點(diǎn)火操作程序的簡單、安全和可靠運(yùn)行。經(jīng)新疆奎屯銅冠冶化有限公司的投產(chǎn)使用，證明該系統(tǒng)具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。