易運(yùn)池，高振亮

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 102208；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

進(jìn)入21世紀(jì)，大型鋼鐵企業(yè)料場大型化，節(jié)能環(huán)保、自動(dòng)化、無人化是現(xiàn)代化原料場發(fā)展的趨勢，隨著國家對(duì)環(huán)保提出了更高的要求，尤其是露天料場，灑水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求的重要設(shè)施之一。在首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司原料場(下文簡稱“京唐原料場”)，灑水系統(tǒng)分布在煤料場、礦料場和球團(tuán)料場3個(gè)區(qū)域,京唐原料場灑水系統(tǒng)采用現(xiàn)場子站DP網(wǎng)絡(luò)連接代替設(shè)備控制點(diǎn)硬接線方式，節(jié)約了安裝時(shí)間和施工費(fèi)用，操作人員在中央控制室通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有故障復(fù)位、網(wǎng)絡(luò)故障診斷等功能，避免了現(xiàn)場操作，節(jié)約了故障恢復(fù)時(shí)間。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低，滿足大型原燃料場[1]生產(chǎn)環(huán)保需求。

1 料場灑水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

京唐原料場灑水系統(tǒng)主要由泵站系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、灑水裝置構(gòu)成[2]，如圖1所示。

圖1 灑水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1中，灑水控制系統(tǒng)采用Siemens S7-400系列CPU414-2DP，選用通訊模板CP 443-5擴(kuò)展型通訊處理器作為DP主站，從站采用IM151-1接口模塊[3]和RS485 DP中繼器進(jìn)行通訊，主站與從站、從站與從站之間通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成系統(tǒng)主站與現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O從站網(wǎng)絡(luò)鏈路。

灑水控制系統(tǒng)上位機(jī)選用工控機(jī)，上位機(jī)通過CP5611-MPI網(wǎng)卡與PLC進(jìn)行通訊和控制，通過安裝在上位工控機(jī)上以太網(wǎng)(EtherNet/IP)卡、交換機(jī)與抑塵系統(tǒng)和料場生產(chǎn)主系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，并與更高層網(wǎng)絡(luò)過程控制級(jí)L2級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)L3級(jí)實(shí)現(xiàn)信息共享。

2 灑水控制系統(tǒng)功能

灑水控制系統(tǒng)應(yīng)完成分兩種控制方式，即現(xiàn)場本地和遠(yuǎn)程控制方式?，F(xiàn)場本地即在現(xiàn)場操作或檢修模式，遠(yuǎn)程控制即由中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)發(fā)出噴槍啟動(dòng)命令后，從站輸出模塊上的開閥繼電器及擺動(dòng)繼電器吸合，開到位反饋信號(hào)為“ON”時(shí)，開閥繼電器斷開，當(dāng)開閥20 s電動(dòng)閥開到位信號(hào)沒有返回，電動(dòng)蝶閥斷電；當(dāng)發(fā)出噴槍停止信號(hào)時(shí)，擺動(dòng)繼電器斷開，關(guān)閥繼電器吸合，關(guān)到位反饋信號(hào)“ON”時(shí)，關(guān)閥繼電器斷開，當(dāng)關(guān)閥20 s電動(dòng)閥開到位信號(hào)沒有返回，電動(dòng)蝶閥斷電。

當(dāng)噴槍啟動(dòng)后，程序在啟動(dòng)噴槍的25 s內(nèi)檢測擺動(dòng)、泄水反饋信號(hào)是否有一次變化，即“ON”變“OFF”或“OFF”變“ON”，若無變化，程序?qū)⒃撆_(tái)噴槍的相應(yīng)位置顯示報(bào)警。噴槍再次啟動(dòng)后，擺動(dòng)、泄水報(bào)警故障自動(dòng)復(fù)位，在25 s內(nèi)重新進(jìn)行故障檢測。

當(dāng)溫度≤2 ℃時(shí)，噴槍內(nèi)由溫控儀表、鉑熱電阻、電熱帶、電熱器及加熱繼電器組成的溫控系統(tǒng)開始加熱，溫度達(dá)到15 ℃時(shí)停止加熱。

3 料場控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

京唐原料場是采用秦皇島三英環(huán)保設(shè)備開發(fā)有限公司ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置，適用于港口、電廠等單位儲(chǔ)煤場及某些粉塵較大的礦物散裝露天堆放場地，通過灑水進(jìn)行抑塵，是一種新型的環(huán)保產(chǎn)品。主要參數(shù)表見表1。

其主要結(jié)構(gòu)由噴槍、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)蝶閥、手動(dòng)蝶閥、自動(dòng)泄空閥、電伴熱、溫度控制器、電控器及保溫箱體等部分組成，ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置三視圖見圖2。該裝置采用了雙螺旋圓柱凸輪往復(fù)換向機(jī)構(gòu)和機(jī)電一體化的自動(dòng)泄空閥，克服了同類產(chǎn)品只有擺動(dòng)噴槍，沒有閥門、伴熱、控制系統(tǒng)及保溫箱體，冬季不好使用，霧化不好，噴灑不均等缺點(diǎn)。

“沒錯(cuò)，是丁達(dá)。他沒事，壺天曉和鏡心羽衣也沒事，都在他肚子里裝著呢！”宴西園乘著他的棕色翼龍，低空盤旋著，向丁達(dá)飛去。

表1 ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置主要參數(shù)

圖2 ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置三視圖

灑水裝置工作是通過水泵房加壓水經(jīng)管道通至灑水裝置處，與進(jìn)水手動(dòng)蝶閥相通，當(dāng)手動(dòng)蝶閥打開，控制室(上位機(jī)或操作終端)按設(shè)定的灑水的槍數(shù)、時(shí)間、次數(shù)，可發(fā)出噴水指令，處于常閉狀態(tài)的電動(dòng)蝶閥打開，同時(shí)，處于常開狀態(tài)的泄空閥關(guān)閉，噴水工作開始，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒條、齒輪運(yùn)動(dòng)，使噴槍往復(fù)擺動(dòng)噴水。

在京唐原料場，以煤料場為例，煤料場有10個(gè)料條，料條寬度55 m，9個(gè)堆取料機(jī)軌道道基，灑水控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O站和灑水裝置分布在軌道道基兩側(cè)。每臺(tái)灑水裝置其噴槍控制的輸出點(diǎn)為3個(gè)，分別為電動(dòng)閥開驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)閥關(guān)驅(qū)動(dòng)及槍頭擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)。噴槍反饋輸入點(diǎn)為8個(gè)，分別為電動(dòng)閥開到位信號(hào)、電動(dòng)閥關(guān)到位信號(hào)、擺動(dòng)信號(hào)[4]、泄水信號(hào)、低溫報(bào)警信號(hào)、遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換信號(hào)、手動(dòng)開信號(hào)及手動(dòng)關(guān)信號(hào)。

依據(jù)料場現(xiàn)場測試編制曲線，該灑水裝置能滿足大型鋼鐵原料場生產(chǎn)需求。噴水曲線圖見圖3，仰角噴水圖見圖4。

圖3 ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置噴水曲線

圖4 ZBPL型自動(dòng)擺頭灑水裝置幾種噴水仰角

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

灑水裝置分兩種控制方式，即現(xiàn)場本地和遠(yuǎn)程控制方式。

料場灑水控制系統(tǒng)PLC編程采用SIEMENS SIMATIC STEP 7 V 5.4+SP 3.1編程軟件，上位機(jī)畫面使用SIEMENS SIMATIC WINCC V 7.0監(jiān)控組態(tài)軟件，通過創(chuàng)建和管理項(xiàng)目，為硬件和通訊組態(tài)并分配參數(shù)，創(chuàng)建應(yīng)用程序，將程序下載到可編程控制器，最后完成系統(tǒng)調(diào)試。

現(xiàn)場手動(dòng)操作時(shí)，先將噴槍保溫箱門打開，用鑰匙將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“就地”操作位置，按噴槍啟動(dòng)按鈕，噴槍運(yùn)行，手動(dòng)完成后，按停止按鈕，噴槍停止，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“遠(yuǎn)程”位置，關(guān)上噴槍保溫箱的門。

在遠(yuǎn)程手動(dòng)方式下，移動(dòng)鼠標(biāo)箭頭至某臺(tái)噴槍的槍號(hào)處，點(diǎn)擊左鍵，噴槍開始灑水，槍號(hào)背景顏色變綠；將鼠標(biāo)箭頭移到該臺(tái)已噴水的噴槍槍號(hào)處，點(diǎn)擊左鍵，該臺(tái)噴槍停止灑水，槍號(hào)背景顏色變紅。

在遠(yuǎn)程自動(dòng)方式下，運(yùn)行前要檢查已設(shè)好的啟動(dòng)方式，若不合適，可進(jìn)行選擇。檢查每組自動(dòng)運(yùn)行的時(shí)間是否合適，若不合適，可進(jìn)行修改。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊右上角的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，噴槍按設(shè)定程序及設(shè)定時(shí)間分組啟停。全部噴槍啟停一次后，自動(dòng)運(yùn)行按鈕自動(dòng)掉下。如果選中停止方式，所有由上位啟動(dòng)的噴槍將全部停止，在此方式下，不能由上位機(jī)驅(qū)動(dòng)噴槍。因此，操作完成后，應(yīng)選中停止方式，防止有人誤啟動(dòng)噴槍。

噴槍組圖是由棕色槍頭、噴槍槍號(hào)數(shù)字、電動(dòng)閥開到位信號(hào)K、電動(dòng)閥關(guān)到位信號(hào)G、噴槍泄水信號(hào)X、低溫報(bào)警信號(hào)W及藍(lán)色方塊組成。噴槍停止時(shí)，噴槍槍號(hào)數(shù)字背景為紅色，關(guān)到位信號(hào)G的背景為綠色，開到位信號(hào)K的背景為紅色，泄水信號(hào)X的背景為綠色；噴槍運(yùn)行時(shí)，噴槍槍號(hào)數(shù)字背景為綠色，關(guān)到位信號(hào)G的背景為紅色，開到位信號(hào)K的背景為綠色，泄水信號(hào)X的背景為紅色。當(dāng)噴槍發(fā)生擺動(dòng)故障報(bào)警時(shí)，噴槍組圖中的槍頭由棕色變?yōu)辄S色；當(dāng)噴槍發(fā)生低溫報(bào)警時(shí)，低溫報(bào)警信號(hào)W的背景顏色為黃色；當(dāng)控制噴槍的現(xiàn)場從站發(fā)生通訊報(bào)警時(shí)，噴槍槍號(hào)數(shù)字背景為黃色，上位及現(xiàn)場均不能操作該臺(tái)噴槍；當(dāng)噴槍進(jìn)行現(xiàn)場手動(dòng)時(shí)，藍(lán)色方塊出現(xiàn)在噴槍組圖的后面。

故障查詢畫面分為擺動(dòng)故障、泄水故障、低溫報(bào)警故障及通信故障查詢索引，擺動(dòng)與泄水故障是運(yùn)行后經(jīng)過延時(shí)檢測出的，可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。其他的兩個(gè)故障是由噴槍輸入點(diǎn)及內(nèi)部中斷相關(guān)聯(lián)的，不能進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，當(dāng)故障消失后，自動(dòng)復(fù)位。低溫報(bào)警是指在冬季，當(dāng)噴槍內(nèi)供水管道的溫度低于2 ℃時(shí)，噴槍內(nèi)的溫控儀表報(bào)警繼電器吸合，向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。灑水上位報(bào)警與查詢畫面見圖5。

圖5 礦料場灑水上位報(bào)警畫面

通訊查詢畫面是以圖形方式顯示每個(gè)現(xiàn)場從站與主站PLC間的通訊連接，每個(gè)現(xiàn)場從站的通信地址及通訊電纜的進(jìn)出路由。當(dāng)某個(gè)從站發(fā)生通信故障時(shí)，其相應(yīng)的方塊以紅、黃顏色閃爍，通訊正常時(shí)，該方塊為綠色。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

在系統(tǒng)調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)存在從站丟失現(xiàn)象，為解決該問題，依據(jù)PROFIBUS-DP網(wǎng)的傳輸特性，考慮通訊環(huán)境干擾、波特率、最大通訊距離、系統(tǒng)成本，選用2條PROFIBUS-DP鏈路，設(shè)置了RS485 DP中繼器，保證了系統(tǒng)通訊的可靠性。

在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)噴槍的灑水距離和灑水高度不能滿足煤料堆17 m堆高和料條55 m寬度的工藝要求，為此，通過調(diào)整了泵站管道出口壓力(達(dá)到1.0 MPa)和流量(單噴頭70 m3/h)，對(duì)泵站系統(tǒng)進(jìn)行了完善，滿足了生產(chǎn)需求。

隨著生產(chǎn)運(yùn)行，利用國產(chǎn)電動(dòng)蝶閥D941H-16C65代替法國電動(dòng)蝶閥D941H-16C65進(jìn)行測試，需要經(jīng)過修改PLC程序延遲時(shí)間，能滿足生產(chǎn)需要，系統(tǒng)運(yùn)行測試成功。由于進(jìn)口電動(dòng)蝶閥價(jià)格昂貴(人民幣8 900元)，電動(dòng)蝶閥國產(chǎn)化(人民幣3 840元)改造，如650套灑水電動(dòng)蝶閥全部更換將節(jié)約人民幣329萬元，顯著節(jié)約了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了生產(chǎn)工藝需求。該系統(tǒng)的成功實(shí)施，大大降低了現(xiàn)場管理人員的工作強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，達(dá)到最佳的防塵降塵效果，保護(hù)了環(huán)境，減少了原燃料損失，同時(shí)解決了在不更換主體機(jī)械設(shè)備的情況下完成了國產(chǎn)化改造，降低了生產(chǎn)成本。該控制系統(tǒng)的成功運(yùn)用對(duì)我國鋼鐵廠、港口碼頭、發(fā)電廠等企業(yè)的原料場粉塵治理具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。