基于PLC的銅冶煉陽極爐煙氣冷卻器控制系統設計

湯曉勇， 許名熠， 楊永波

(1.北京中大萬聯科技有限公司， 北京 100085； 2.中南大學 自動化學院， 湖南 長沙 410012)

0 引言

列管式煙氣冷卻器是在管外用空氣冷卻流經管內的流體的換熱設備。空冷器在很大程度上解決了由于工業迅速發展使工業用水大幅度增加而出現的供水不足的問題，同時還減少了工業地區水的污染，因此得到了廣泛應用。

1 自動控制系統及要實現的任務

1.1 自動控制系統

煙氣冷卻器自動控制系統主要由出口溫度控制系統、灰斗料位報警及振動卸灰控制系統組成。銅冶煉陽極爐運行一個循環周期會經過加料期、氧化期、倒渣期、還原期、澆注期、保溫期六個階段，每個階段的煙氣量、煙氣溫度不同，即煙氣的熱容量不同，且煙氣冷卻器布置在室外，還會受到外部環境(溫度、風、雨、雪等)的影響，煙氣出口溫度不可避免的會發生變化，出口溫度控制系統旨在控制出口溫度在目標溫度范圍內(140～150 ℃)；灰斗料位報警及振動卸灰控制系統旨在根據灰斗料位情況進行反饋及卸料，以免堵塞煙氣流動通道。控制系統結構圖如圖1所示。

1.2 控制系統要實現的任務

(1)對煙氣冷卻器煙氣出口溫度的控制。PLC對出口溫度進行采集并與目標溫度進行比較，通過開啟冷卻裝置軸流風機的臺數及變頻調速，實現對煙氣出口溫度進行控制。

圖1 控制系統結構圖

(2)對灰斗料位高低的控制與報警。阻選料位計作為料位傳感器，當灰斗料位到達料位計的設定處高度時，料位計給出反饋信號，發出報警信號，并自動開啟倉壁振動器與卸灰閥進行卸灰。

(3)對重要數據指標(入口溫度、出口溫度)具有歷史數據記錄和報警的功能。觸摸屏實現對數據的記錄，報警功能通過觸摸屏的組態實現同時發送至遠程。

(4)系統能夠實現本地或遠程DCS(Distributed Control System)控制切換。

2 系統硬件設計

2.1 可編程控制器(PLC)及觸摸屏(HMI)

根據控制系統需求，選擇德國西門子公司S7- 1200系列PLC(CPU1215C)，S7- 1200 系列是一款可編程邏輯控制器(PLC, Programmable Logic Controller)，可以控制各種自動化應用， S7- 1200設計緊湊、成本低廉且具有功能強大的指令集，這些特點使它成為控制各種應用的完美解決方案。CPU1215C實數數學運算執行速度2.3 μs/指令，布爾運算執行速度0.08 μs/指令，工作存儲器125 KB，集成2個以太網端口，支持 PROFINET通信。

德國西門子公司SIMATIC HMI 面板在各行業的大多數應用中已脫穎而出，這些面板不僅具有創新的設計和卓越的性能，而且還可通過TIA博途中的 SIMATIC WinCC 進行組態，工程組態效率高，大大縮短工程設計時間，方便系統調試。KTP900 Basic PN，TFT 真彩液晶屏，64k色，分辨率800×480，用戶內存10 MB。

PLC與HMI之間采用PROFINET通信。

2.2 軸流風機

根據煙氣冷卻的換熱工藝計算，沿煙氣流動方向U型布置6臺軸流風機，從入口至出口編號為NO.1～NO.6，其中NO.1由變頻器控制，其余風機由接觸器直接驅動。軸流風機型號：T35- 11N010#，葉片角度/數量：35°/4，風量：48 350 m3/h，全壓：310 Pa，主軸轉速：960 r/min，配套電機功率：5.5 kW。此系列軸流風機具有結構加單、效率高、振動小、噪音低等特點。

2.3 變頻器

變頻器采用ABB公司ACS510系列，ACS510 傳動應用于廣泛的工業領域，適用各類型負載，ACS510還針對風機應用做了特別的優化，SPFC控制宏，本宏用于泵和風機的循環軟起控制(SPFC)應用。

2.4 溫度傳感器

溫度傳感器采用熱電阻，熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器，它是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。本文采用重慶川儀SBWZ系列鉑熱電阻Pt100，插入深度400 mm，保護管材質316 L，套管材質0Cr18Ni9Ti，4～20 mA兩線制輸出。

2.5 阻選料位計

阻旋料位計是利用永磁電機帶動葉片旋轉，當被檢測的物料上升至葉片位置時，葉片轉動受阻，將該阻力傳給接線盒內的檢測裝置，檢測裝置則向外輸出一個開關信號，并切斷電源使葉片停止轉動。當物料下降時，葉片阻力消失，檢測裝置便依靠彈簧的拉力恢復到原始狀態，針對不同比重的物料可調整彈簧的拉力，比重大時彈簧的拉力調整至最強，反之則調整至弱。阻旋料位計具有密封好、過載能力強、輕便易裝、輸出接點容量大等特點。

3 系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

PLC控制程序實現煙氣冷卻器自動控制系統的核心控制任務。

煙氣冷卻器控制系統采用西門子S7- 1200 PLC作為核心控制部件。PLC包含1個通信模塊、1個CPU模塊、3個DI16/DO16數字量輸入/輸出模塊、1個DI16數字量輸入模塊、1個AI4模擬量輸入模塊以及2個AQ4模擬量輸出模塊。

3.1.1 溫度控制程序設計

如圖2所示為風機自動控制流程圖，該流程圖的主體思路是控制系統根據不同的煙氣出口溫度實時調控風機的啟停狀態，使得煙氣出口溫度控制在一個規定的區間內。

圖2 風機自動控制流程圖

煙氣冷卻器6臺風機的布置方式是以煙氣的流動路徑(U型路徑)來擺放，以煙氣入口到煙氣出口為擺放順序依次擺放第1#風機至第6#風機。第1#風機由變頻器控制，風機的轉速可調節，從而風量可調節，即可以對被控對象(煙氣溫度)實現微調控制。

將每臺風機啟停狀態數字化，即以變量X表示，如圖2左上角框圖部分注釋。X取值只能為0、1、2、3、4、5、6，分別代表7種狀態。X=0，表示沒有風機啟動；X=1，表示1#風機啟動，2#～6#風機關閉；X=2，表示1#風機、2#風機啟動，3#～6#風機關閉；依次類推，X=6，表示所有風機都啟動。

在程序中將變量X的取值與控制的風機開關一一對應，因此只需對變量X賦予不同的值，便可改變風機的開啟狀態。結合系統對風機的控制要求，風機的啟停是按順序依次進行的，也即X的取值不能跳變，因此將變量設置為累加器的形式，累加數值設為1，即X的取值只能進行加1或減1運算，這樣就可實現X的取值不發生跳變。

如圖中所示，程序在運行之前需進行初始化，即對變量X賦予0值，同時對PLC輸送給變頻器的頻率賦予25 Hz(該值為PLC的最低輸出頻率，在觸摸屏上可修改)。初始化完成后，讀取煙氣出口實時溫度T，對T進行區間判斷，將T的取值范圍分為T<140 ℃、140 ℃≤T≤150 ℃、T>150 ℃三個區間。下面將分別講述溫度T落入三個不同區間的程序執行過程。

(1)T<140 ℃

當程序檢測到煙氣出口溫度T<140 ℃時，對變量X的當前值進行讀取，將X的當前值分為兩個區間，區間1：X=0，區間2：1≤X≤6。

當X的值落入區間1時，再對當前溫度進行判斷，若溫度T<138 ℃，則給噴霧冷卻器發送低溫報警信號，若138 ℃≤T<140 ℃，程序不做任何處理，處于等待狀態。

當X的值落入區間2時，對變頻器當前頻率進行判斷，若為最低頻率25 Hz，則執行X-1，即關閉一臺風機，若不為最低頻率25 Hz，則變頻器在原頻率的基礎上以5 Hz/s的步長進行降頻(步長可在觸摸屏上修改)。

(2)140 ℃≤T≤150 ℃

當程序檢測到煙氣出口溫度在140 ℃≤T≤150 ℃范圍內時，說明煙氣出口溫度在正常范圍內，程序無需改變執行動作，即保持變量X的值不變即可。同時變頻器的頻率也保持不變。

(3)T>150 ℃

當程序檢測到煙氣出口溫度T>150 ℃時，對變量X的當前值進行讀取，將X的當前值分為三個區間，區間1：X=0，區間2：1≤X≤5，區間3：X=6。

當X的值落入區間1時，執行X+1運算。

當X的值落入區間2時，對變頻器當前頻率進行判斷，若為最高頻率50 Hz,則執行X+1，即啟動一臺風機，若不為最高頻率50 Hz，則變頻器在原頻率的基礎上以5 Hz/s的步長進行升頻。

當X的值落入區間3時，對變頻器當前頻率進行判斷，若為最高頻率50 Hz，再對當前溫度進行判斷，若不為最高頻率50 Hz，則變頻器在原頻率的基礎上以5 Hz/s的步長進行升頻；若最高頻率為50 Hz且當前溫度T>152 ℃，則給噴霧冷卻器發送高溫報警信號，若150 ℃

3.1.2 料位控制程序設計

當灰斗料位到達料位計的設定處高度時，料位計給出反饋信號，控制系統發出報警信號，并自動開啟倉壁振動器與卸灰閥進行卸灰。星型卸料器與倉壁振動器還設置了手動操作模式，啟動與停止采用一個旋鈕控制。倉壁振動器分為1#倉壁振動器和2#倉壁振動器，分別有各自對應的啟動/停止按鈕。以1#倉壁振動器為例說明手動操控方式：按下1#倉壁振動器啟動按鈕，按下后不松手，1#倉壁振動器開始運行，當需關閉1#倉壁振動器時，松手按鈕即可關閉。2#倉壁振動器的手動操控方式與1#倉壁振動器相同，不再贅述。

3.2 人機界面設計

人機交互采用觸摸屏的方式，觸摸屏主界面如圖3所示。主界面用于顯示煙氣冷卻器出口溫度，系統運行狀態，以及煙氣冷卻器設備的運行狀態等信息。

圖3 觸摸屏主界面

3.3 與DCS的通信設計

DCS系統可以通過DP通訊與煙氣冷卻器控制系統的CPU模塊DP接口進行通訊。需要做下列操作：(1)DCS主站系統插入CM1242- 5PROFIBUS DP從站模塊對應GSD文檔；(2)Profibus DP從站子站號出廠設定為22(十進制)；(3)設置輸入輸出數據，通過GSD文檔導入設置1個8字(16字節)輸入1個8字(16字節)輸出。

PLC接收DCS發送的控制信號詳解如表1所示，DCS接收PLC發送的狀態信號詳解如表2所示。

表1 PLC接收DCS控制信號

表2 DCS接收PLC狀態信號

續表2

4 結語

文中介紹了煙氣冷卻器自動控制系統的設計，用PLC、觸摸屏及DCS聯合控制，實現就地與遠程控制，簡化了操作步驟，提高了系統的靈活性。此套控制系統已經在白銀有色集團投入使用，獲得了良好的控制效果。隨著有色冶煉行業的快速發展，對煙氣冷卻的要求也在提高，列管式煙氣冷卻器操作方便，性能可靠，將會被越來越多的冶煉廠所應用。