李立男 于代林

摘要：介紹了冶金行業(yè)給煤系統(tǒng)的工藝流程，針對目前給煤系統(tǒng)存在的缺陷，設計了一套自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC技術將燒結廠噴煤系統(tǒng)與可編程控制器相結合，實現(xiàn)了給煤系統(tǒng)的自動化控制。

關鍵詞：噴煤系統(tǒng);自動控制系統(tǒng);方案設計

0 引言

在冶金行業(yè)燒結過程中，原煤由上煤系統(tǒng)送入磨煤機，研磨成煤粉，經(jīng)除塵系統(tǒng)除去浮塵后，由稱量系統(tǒng)按自動或手動給定的上煤量，經(jīng)噴吹系統(tǒng)噴入燒結設備。

回轉(zhuǎn)窯最初采用的燃料主要是天然氣、重油或油氣，燃燒過程中需要二次空氣，空氣主要來源于冷卻機，燃燒溫度在1 000 ℃左右。近些年來，隨著原油價格的增長，所用燃料逐步改用煤。由于在燒煤過程中，回轉(zhuǎn)窯、燒結機容易產(chǎn)生結圈現(xiàn)象，因此必須選擇合適的煤種并采用復合燒嘴，在回轉(zhuǎn)窯燒煤過程中，還需要注意控制回轉(zhuǎn)窯煤粉的粒度（<0.074 mm）、火焰形狀以及回轉(zhuǎn)窯供給煤粉的用量等。

給煤系統(tǒng)的工藝流程主要包括上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)3個部分。

（1）上煤系統(tǒng)：原煤通過圓盤給料機，經(jīng)上煤皮帶，送入雙齒輥原料破碎機，初次破碎后，再通過轉(zhuǎn)運皮帶送入磨煤機，其間需要注意上煤皮帶上應設有電磁檢測器，并在自動設計中和上煤皮帶聯(lián)鎖，防止原煤中參雜的雷管等爆炸物被點燃爆炸。

（2）磨煤系統(tǒng)：把上煤系統(tǒng)送來的碎煤送入磨煤機，磨成合格煤粉后送入除塵系統(tǒng)，除去浮塵后，送入緩沖料倉備用。其間需注意在自動連鎖啟動磨煤機前，要先啟動磨煤機的潤滑油泵系統(tǒng)，防止磨煤機的機械損壞。

（3）噴煤系統(tǒng)：把料倉中的煤粉按照自動或手動給煤量，通過環(huán)狀天平稱得重量，作為反饋信號，參與自動控制，同時利用風機將煤粉吹入送煤管道中。

送煤管道中的送煤量，即送入燒結設備的送煤量要保持相對穩(wěn)定。在焙燒作業(yè)過程中，由于人工操作的不可控性，很難準確保證送入燒結設備的送煤量在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，如果送煤量波動較大，焙燒作業(yè)穩(wěn)定性就會大大降低，因此，研制噴煤自動控制系統(tǒng)，對于有效提高焙燒作業(yè)的運行穩(wěn)定性具有重要的應用價值。

1 方案設計

當前PLC技術發(fā)展已經(jīng)十分成熟，PLC與上位計算機集中控制，具有連線方便、價格低廉、設計簡單等優(yōu)點;利用PLC，將現(xiàn)場各個設備的運行連鎖信號，在CPU內(nèi)進行軟件連鎖設計，根據(jù)環(huán)狀天平實時采集的上煤量與設定的上煤量差值大小，控制變頻器的模擬輸出值，實現(xiàn)對變頻器輸出功率的控制，從而實現(xiàn)對上煤量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)恒定控制，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)，將其與上位機聯(lián)結，可以極大地簡化系統(tǒng)，提高工作效率。

為了提高系統(tǒng)可靠性，在本次設計過程中背板采用支持熱插拔的背板，此外現(xiàn)場還需要設計手動操作箱，以保證該系統(tǒng)在各種情況下都能夠正常運行。

自動控制系統(tǒng)設計時采用矢量控制的變頻器作為調(diào)節(jié)上煤量的控制手段。在選擇變頻器時，決定半導體變頻裝置負載能力的關鍵參數(shù)只有變頻器的額定電流。選擇變頻器時，負載電流小于變頻器額定電流。在同樣運行狀態(tài)下，電動機用變頻器供電要比電網(wǎng)供電電流大，所以選擇變頻器時，其額定電流或功率要比電動機大一個等級，一般為變頻器額定功率PNV≥1.1電動機額定功率PN。

如果設計過程中選用PID調(diào)節(jié)器，在設置升、降速時間時應該盡量短一些，以免直接影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應過程。在本文設計方案中，PID調(diào)節(jié)器由SIEMENS CPU315支持的FB41功能塊提供。

在本系統(tǒng)中，上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)根據(jù)各自從屬關系分為3個獨立子系統(tǒng)，由計算機獨立控制，除塵系統(tǒng)根據(jù)實際情況分別從屬于以上3個系統(tǒng)，分別參與各系統(tǒng)自動連鎖。

上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)屬于順控系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況編程，并將各設備報警功能引入計算機便于崗位監(jiān)控。噴煤系統(tǒng)直接與燒結設備的溫度控制連鎖，內(nèi)部又分為兩部分，獨立進行PID調(diào)節(jié)：（1）負責檢測燒結設備溫度的熱電偶將溫度信號通過模擬量模塊送入CPU 315，與計算機設定的溫度進行差值比較，由其內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器計算出上煤量（其間要適當考慮助燃風機的鼓風流量及CO濃度）。（2）由環(huán)狀天平得出的重量與PID調(diào)節(jié)器計算出的上煤量進行差值計算，由CPU 315內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器FB41計算出變頻器的給定頻率。兩者均要設好適當?shù)乃绤^(qū)范圍，以消除頻繁動作引起的振蕩。FB41要根據(jù)實際情況設好系統(tǒng)掉電復位后的初始值。同時兩者均要設好上、下限，以免影響生產(chǎn)的正常進行。

在連續(xù)生產(chǎn)中，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）所采用的控制算法應以PID算法為主，這種算法對動態(tài)響應緩慢的對象具有良好的調(diào)節(jié)作用，利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟：（1）首先預選擇一個時間足夠短的采樣處理周期;（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;（3）在一定條件和控制度下，可以通過公式計算的方法得到PID兩種微控制器的參數(shù)。

考慮到系統(tǒng)停機檢修后需重新升溫，其間溫度根據(jù)工藝要求，升溫曲線分為幾段，這時可選擇計算機畫面上的自動/手動轉(zhuǎn)換開關，手動控制噴煤量，以滿足工藝要求，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，再轉(zhuǎn)換為自動控制模式。

當噴煤系統(tǒng)停機時，最后關閉吹煤風機，并利用CPU的延時繼電器延時幾分鐘，防止余煤堵在管道中。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)設計不僅要求具有給煤系統(tǒng)自動控制功能，按照要求還要保證控制室給煤系統(tǒng)的各種設備能正常運行，各種設備的儀表信號運行情況以及控制室的相關工藝流程等數(shù)據(jù)遠程傳送到給煤控制室，進行實時監(jiān)控，同時給煤系統(tǒng)還能夠完成報表、統(tǒng)計、遠程數(shù)據(jù)瀏覽等其他功能。為了完成上述功能，本系統(tǒng)采用基于德國西門子PLC的SCADA控制方案，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖1所示。

本系統(tǒng)選擇西門子S7300 系列PLC 315-2DP CPU作為主控制器，安裝在低壓配電室;選用5塊ET200M模塊作為遠程I/O模塊，分別實現(xiàn)對3個系統(tǒng)的監(jiān)控（根據(jù)車間現(xiàn)場實際情況可進行擴展，實現(xiàn)新添加設備的自動控制），CPU與遠程I/O之間通過Profibus-DP接口進行通信，通信速率選為187.5 kbps即可。

磨煤系統(tǒng)由兩臺磨煤機組成（一工一備），由SIEMENS的S7 214 CPU控制，通過I/O接點與主PLC連接。

噴煤系統(tǒng)由兩套由變頻器控制的圓盤給料機和環(huán)狀天平及風機組成，風機管道出口由鎖風閥控制噴煤系統(tǒng)噴煤。

變頻器選取富士公司的FRENIC P11S系列變頻器。

在控制室配置操作計算機1臺。計算機底板上安裝CP16131通信板卡，該通信板卡與PLC上選用的CP343通信處理模塊通過以太網(wǎng)交換機（SIEMENS OSM 61）進行信息交互。軟件方面采用SIEMENS WINCC工控組態(tài)軟件，實時顯示工藝流程和工藝參數(shù)，并能夠監(jiān)控生產(chǎn)情況，同時還具有查詢歷史曲線、報警、參數(shù)設置、報表統(tǒng)計等功能。

Switch可與主控室、車間主任室、車間設備調(diào)度通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的設備進行實時連接，從而使車間管理層及時準確了解車間基層的生產(chǎn)、管理及設備運行情況。

3 結語

目前給煤系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)設計方案已在某燒結廠得到成功應用，PID溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，能夠滿足生產(chǎn)需求，此外基于Profibus現(xiàn)場總線的SCADA系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，具有良好的經(jīng)濟性，因此本系統(tǒng)具有極大的推廣應用價值。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：李立男（1978—），男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向：自動化控制。