高爐沖渣水余熱供暖監控系統設計

許麗麗，周揚民，羅思義，李 超，儀垂杰

(青島理工大學能源與環境裝備技術研究中心，山東青島 266033)

高爐渣是鋼鐵生產過程所產生的副產品之一，也是一種具有利用價值的二次資源。目前高爐渣主要以一種材料的形式加以利用，對液態高爐渣所含的豐富熱量卻沒有進行充分利用［1］。其工藝水平存在著嚴重的余熱浪費和有害氣體排放。如果建筑小區位于高爐沖渣水余熱供暖經濟范圍之內，回收高爐沖渣水余熱向小區供暖，是一個建筑節能減排的最佳選擇。對高爐沖渣水余熱進行回收，不但可以解決鋼廠附近供暖的熱源問題，還可以減少沖渣水的消耗，具有一定的社會經濟效益。

目前高爐渣余熱利用監控方面，缺乏專業的監控管理軟件，一般采用傳統的工業控制結構，不能對系統的工藝過程及結果進行分析。鑒于此，開發了一套軟硬件平臺系統，對換熱工藝的關鍵回路及主要工藝參數，進行實時采集和動態跟蹤監視。通過該系統可以監測系統的運行狀態，提高整個換熱過程中熱量的利用效率，以保證系統在最優工況下運行，同時將生產過程系統與管理系統緊密結合，實現生產過程實時信息與管理的集成，為管理決策層提供可靠的決策證據［2］。

1 系統組成

1.1 工藝流程簡介

實驗系統一次沖渣水和二次供暖循環水設計流量均為30 m3/h，其工藝流程如下:渣漿泵從吸水池中抽取沖渣水，經全自動反洗纖維過濾器過濾、自清潔板式沖渣水換熱器換熱，最終排入沉淀池;清水泵將采暖回水管道二次循環水加壓后，進入自清洗板式沖渣水換熱器換熱后，進入采暖供水管道供暖。

1.2 測試系統

實驗測試系統由數據采集、信息管理、過程優化3部分組成，能夠實時監測過濾器的工作壓力、流量和換熱器的一、二次進出水溫度、壓力、流量等關鍵參數，并能對過濾器和換熱器的性能進行分析和優化控制，如圖1所示。系統所要實現的控制功能如下:一次循環水渣漿泵變頻，改變渣漿泵電機轉速，從而改變過濾器、換熱器渣水流量，保證二次供暖循環換熱器出水溫度;二次泵變頻調節水泵電機轉速，改變換熱器進水流量，模擬散熱器末端用戶的變流量供暖工況;實時檢測過濾器纖維束濾芯前后段壓差，達到設定壓差值后，過濾器電動調節閥動作，切換過濾器渣水進出口，一次循環供暖泵停泵，反沖洗渣漿泵打開，對過濾器進行反沖洗;對過濾器進出口渣水、換熱器進出口供暖水溫度實時監測，分析過濾器、換熱器熱損失;風機變頻調節風速，改變散熱器的散熱量，從而改變換熱器回水溫度，用于模擬一天24 h溫度變化。

圖1 高爐沖渣水余熱供暖實驗測試系統示意圖

1.3 溫度測量

溫度測量采用濟南華興儀表研究所的HWB型，鉑電阻，－150～1300℃，0.5級。測量元件的感溫點應位于管道中心。測量元件的安裝點與被測板式換熱器進出口法蘭面的距離應≤150 mm。測溫點的上下游各300 mm內與測溫點之間管線，應保溫良好。

1.4 流量測量

流量測量采用青島愛科儀器儀表有限公司生產的電磁流量計 HXLDE－65－11300－1.6－60，0.5級。流量計應安裝在水平直管段，上游直管段長度應≥20倍管徑，下游直管長度應≥15倍管徑。

1.5 壓力測量

壓力測量采用1151系列電容式變送器，0.25級。靜壓測量孔應位于距離任何擾動區域下游至少5倍管徑，上游至少2倍管徑處。

1.6 系統其他組件

系統除需各測量儀表外，還須有循環泵、變頻器、套管式加熱器、溫度控制儀、不銹鋼蝶閥電動及球閥、電控箱等，以保實驗系統正常穩定運行

2 測試系統監控功能的實現

2.1 系統網絡拓撲結構

Siemens公司S7系列PLC網絡，如圖2所示，采用3級總線復合型結構，最底一級為遠程I/O鏈路，負責與現場設備通信，在遠程I/O鏈路中配置周期I/O通信機制。中間一級為PROFIBUS現場總線或主從式多點鏈路，前者是一種新型現場總線，可承擔現場、控制、監控三級通信，采用令牌方式與主從輪詢相結合的存取控制方式;后者是一種主從式總線，采用主從輪詢式通信。最高一級為工業以太網，負責傳送生產信息管理，并向用戶提供TF接口，實現AP協議與MMS協議。

圖2 系統網絡拓撲結構

2.2 系統軟件平臺構架

軟件結構主要包括兩部分:可編程控制器編程及上位機程序。下位機軟件選用Step7實現數據采集及相關工藝控制功能;上位機軟件選用Wincc實現系統工藝組態，主要實現現場數據的顯示，指令的下達，選用Delphi，Asp.net軟件實現了數據管理功能。整個系統共有AI/AO幾百余點、DI/DO幾百余點、PID調節回路及若干個內部變量的運算。

圖3 系統軟件構架圖

2.3 數據管理功能的實現

以Delphi，Asp等為開發工具，實現歷史數據的上傳、查詢報表、指標分析和歷史曲線等功能。根據系統要求，其功能結構如圖4所示。

圖4 系統結構功能圖

以報表功能的實現為例，簡單說明其實現過程。有兩種方法可以實現報表:(1)利用Delphi自帶的Rave軟件包設計報表。(2)利用Ole技術結合Excel實現報表。利用Rave報表，設計的報表樣式較為呆板，而且當報表生成后用戶不能根據報表內容進行調整，特別是當數據寬度超過表格寬度時往往造成無法打印的情況。Excel在設計各種復雜表格方面有強大的功能。所以選用 Ole+Delphi設計報表系統，把Excel與Delphi的功能結合起來，生成滿足用戶要求且可以自由修改的報表系統［3］。

圖5 系統溫度變化曲線圖

3 實驗結果分析

系統測試溫度變化曲線如圖5所示，順利實現了對現場流量、溫度、壓力等模擬信號的采集處理和電動調節閥、變頻器的控制。I/O前端模塊可以保證4～20 mA模擬信號的正確輸入輸出，也可以實現RS232和RS485電平的轉換，同時還能和組態王進行正常通信。主界面可以正常啟動和運行，可以正常顯示現場信息，能夠觀察實時曲線，實現對電動調節閥、給水泵和補水泵的控制。通過對系統長達10天的手動操作和自動監控實驗對比，系統運行檢測結果顯示:換熱器出口溫度能夠跟蹤上設定值的變化，控制精度＜1℃;循環水泵電能節能30%以上。

4 結束語

系統采集信息實時性強、自動化程度高、可靠性好，應用系統后，沖渣水余熱供暖系統可實現遠程監控。通過二次儀表和工控機，工人在控制室就能完全獲得系統運行的實時情況。從而降低了工作強度，最大程度上避免了故障的發生。由于可編程序控制器、變頻器和自動閥門的搭配使用，系統的自動化程度得以提高，當某些參數變化時，系統可自動分析，并按預定程序做出相應的控制，系統的可靠性和自動化運行程度大大提高，節能效果顯著。

［1］ 閆兆民，周揚民.高爐渣綜合利用現狀及發展趨勢［J］.鋼鐵研究，2010，32(5):155 －160.

［2］ 劉尊民.油田聯合站自動化監測與信息管理系統的設計與實現［D］.青島:青島理工大學，2007.

［3］ 朱松豪，劉巧英.Delphi動態報表的設計與實現［J］.計算機應用與軟件，2005(12):87－90.

［4］ 王怡，趙菁，文時祥.指針式儀表數據智能采集系統設計［J］.電子科技，2011，24(3):17 －21.

［5］ 朱國峰，邢冠宇.基于Blackfin DSD的液晶接口設計［J］.電子科技，2010，23(10):57－59.