PLC控制系統(tǒng)在除塵器卸輸灰氣力輸送中的應(yīng)用

靳 杰

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

氣力輸送是利用氣體的能量輸送粉料或固體顆粒的一種先進(jìn)技術(shù)，因具有環(huán)境污染小、自動化程度高、能源消耗低、可連續(xù)運行等常規(guī)機械輸送所不具備的優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力等行業(yè)。為使除塵器卸輸灰系統(tǒng)更加環(huán)保，天津鋼鐵有限公司煉鐵廠于2018年對1號高爐礦槽除塵器刮板機與斗提機組成的卸輸灰系統(tǒng)進(jìn)行改造，將其改造為環(huán)保型由PLC控制的除塵卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)。經(jīng)過10個月的運行表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好。本文將對煉鐵廠礦槽除塵卸輸灰氣力輸送設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 除塵卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的改造

傳統(tǒng)的刮板機與斗提機卸輸灰系統(tǒng)的缺點為機械設(shè)備磨損大、維修量及備件需求量大；完全依賴作業(yè)人員定期點檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題；導(dǎo)致二次污染等問題。將傳統(tǒng)的除塵卸輸灰系統(tǒng)改造為PLC控制的氣力輸送系統(tǒng)，能夠有效解決傳統(tǒng)除塵卸輸灰系統(tǒng)的缺點：全封閉確保不會有二次污染；PLC控制的自動化作業(yè)減輕了作業(yè)人員的勞動強度；減少了維修量和備件量；系統(tǒng)的畫面能夠?qū)崟r顯示現(xiàn)場設(shè)備運行情況，現(xiàn)場巡視的間隔時間變長；報警功能縮短了發(fā)現(xiàn)、應(yīng)對故障的時間，且更有針對性、減少了判斷時間。由于氣力輸送系統(tǒng)占地少，氣路布置靈活，倉泵結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，可以掛在灰斗下部，特別適用于對舊系統(tǒng)的改造。

1.2 氣力卸輸灰系統(tǒng)設(shè)備

煉鐵廠1號高爐礦槽除塵器配置灰斗6個，每個灰斗下方安裝一臺流態(tài)化倉泵氣力輸送裝置，共安裝6套。除塵器卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)由兩組組成。圖1是卸輸灰氣力輸送裝置中的第1組示意圖，每組由3個流態(tài)化倉泵及其附屬設(shè)備組成。同一組的3個流態(tài)化倉泵在PLC的指令下進(jìn)行動作；兩組的輸灰過程自動交替進(jìn)行。每個流態(tài)化倉泵上設(shè)置一個進(jìn)料閥，用于控制灰倉內(nèi)的除塵灰進(jìn)入倉泵；1號倉泵和3號倉泵各設(shè)置一個常閉排氣閥用于排氣時使用；3個流態(tài)化倉泵底部均設(shè)有助吹壓縮空氣接口，用于倉泵內(nèi)除塵灰的流態(tài)化；每個流態(tài)化倉泵設(shè)置1個料位傳感器，用于實時檢測流態(tài)化倉泵內(nèi)的料位；3號流態(tài)化倉泵上設(shè)置壓縮空氣進(jìn)氣閥，以幫助此組輸灰管道內(nèi)的除塵灰輸送至儲灰倉。每組的3個流態(tài)化倉泵共用1個出料閥，控制輸灰管道除塵灰的輸送；3個流態(tài)化倉泵共用1個助吹進(jìn)氣閥，控制壓縮空氣進(jìn)入倉泵；每組的3個流態(tài)化倉泵共用1個輸灰管道壓縮空氣進(jìn)氣閥。

倉泵的出口位于倉泵的下方，優(yōu)點是便于灰路系統(tǒng)的順暢，充分利用除塵灰的重力，且不易造成倉泵的堵塞。

圖1 除塵器卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)圖

1.3 氣力輸送控制過程

氣力輸送過程屬于正壓輸送。其控制過程可大致分為：進(jìn)料、灰氣混合及輸送、吹掃及為下一周期準(zhǔn)備。其均由PLC控制系統(tǒng)自動完成。1組和2組兩組輸灰系統(tǒng)按PLC指令進(jìn)行交替輸灰。

（1）進(jìn)料。首先1組的2個倉泵（1號和3號）上的排氣閥快速打開并關(guān)閉，以排除3個倉泵內(nèi)的空氣壓力，為進(jìn)料做好準(zhǔn)備。1組倉泵的進(jìn)料閥同時打開，共用出料閥關(guān)閉，共用助吹壓縮空氣進(jìn)氣閥同時關(guān)閉，布袋除塵器收集到的粉塵從3個除塵器灰斗分別進(jìn)入相應(yīng)的3個流態(tài)化倉泵；3個倉泵的3個料位傳感器實時檢測到進(jìn)入倉泵的粉塵量并傳至系統(tǒng)。當(dāng)料位達(dá)到預(yù)定值時，PLC控制系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉3個進(jìn)料閥，1組倉泵的進(jìn)料過程結(jié)束。

（2）灰氣混合及輸送。壓縮空氣助吹閥打開，倉泵內(nèi)粉塵的在助吹管道壓縮空氣作用下進(jìn)行灰氣充分混合（又稱流態(tài)化）。1組共用出料閥打開，3號倉泵壓縮空氣進(jìn)氣閥打開，輸灰管道壓縮空氣進(jìn)氣閥打開，粉塵在充分混合的流態(tài)化同時，在壓縮空氣的推動下，流態(tài)化灰氣混合物在輸灰管道內(nèi)進(jìn)行粉塵輸送，直至到達(dá)儲灰倉。

此過程中，PLC控制系統(tǒng)實時檢測1組輸灰管道內(nèi)壓力的變化，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，低于閾值時，進(jìn)行一定時間的吹掃；高于閾值一定時間，系統(tǒng)發(fā)出堵管報警信號并按程序進(jìn)行處理。

（3）壓縮空氣吹掃及下一周期準(zhǔn)備。當(dāng)1組輸灰管道中的除塵灰全部輸送到儲灰倉時，進(jìn)行短時吹掃，以保持輸灰管道內(nèi)的清潔。輸灰管道壓力的降低至閾值之下，表明管道干凈，以此作為輸灰完成的信號。之后關(guān)閉所有閥門，并短時間打開并關(guān)閉2個排氣閥以排出余壓，為下一周期的進(jìn)料做好準(zhǔn)備。1組粉塵輸灰過程結(jié)束以后，進(jìn)入2組的輸送過程。

1.4 壓縮空氣氣路配置

氣力卸輸灰系統(tǒng)使用廠區(qū)壓縮空氣管道為氣源。廠區(qū)管道壓縮空氣首先進(jìn)入儲氣罐，儲氣罐分出兩路：一路用于流態(tài)化、助吹、輸灰管道；另一路用于氣動控制氣源和應(yīng)急壓縮空氣氣源。

卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)配備一個儲氣罐，以保持卸輸灰系統(tǒng)壓縮空氣氣源壓力的穩(wěn)定。氣動控制閥門使用的壓縮空氣直接由儲氣罐引出，以確保氣動控制所需的壓縮空氣氣源的穩(wěn)定和優(yōu)先。當(dāng)壓縮空氣管網(wǎng)故障而失壓時，卸輸灰輸送系統(tǒng)根據(jù)程序?qū)Ω鏖y門的操作得到有效保證，系統(tǒng)關(guān)閉所有的閥門停止輸灰過程，關(guān)閉1組、2組兩組的出料閥、進(jìn)料閥、助吹閥等相關(guān)閥門。位于每組輸灰管道上出料閥之后的位置有一路應(yīng)急壓縮空氣管道，通過氣動閥門與輸灰管道相通。該路壓縮空氣與氣動控制壓縮空氣同路（共同來自儲氣罐），廠區(qū)壓縮空氣管道故障失壓時，應(yīng)急壓縮空氣管道閥門打開，用于清理從兩組出料閥至儲灰倉管道內(nèi)的除塵灰，使管道內(nèi)剩余的除塵灰送至儲灰倉，確保兩組公用的輸灰管路不被堵塞。

除塵器卸輸灰氣力輸送管路上設(shè)置兩套防堵控制設(shè)備，分別服務(wù)于兩組除塵輸灰系統(tǒng)。每組的1號、3號流態(tài)化倉泵各設(shè)置一個排氣閥，通往灰斗。在每組輸灰管路上的壓力傳感器實時檢測管內(nèi)壓力，當(dāng)輸送管路壓力超過設(shè)定值一定時間后，控制系統(tǒng)給出“堵管”的報警信號，并關(guān)閉此組壓縮空氣進(jìn)氣閥和此組輸送管道上的共用出料閥，進(jìn)入排堵程序，利用輸灰管路的壓縮空氣不斷沖擊堵管的除塵灰，直至輸灰管道“堵管”疏通完畢。

2 PLC控制系統(tǒng)

SIMATIC S7—300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。不與布袋除塵器共用一套PLC，使用單獨的PLC對卸輸灰氣力輸灰系統(tǒng)獨立控制，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。其與上位機軟件WinCC兼容性非常好。

煉鐵廠1號高爐礦槽除塵卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)使用西門子SIMATIC S7—300。1臺除塵器配置6套卸輸灰倉泵氣力輸送裝置，每3臺倉泵為一組，共2組。2組先后運行，各運行1次為1個周期。氣力輸送系統(tǒng)使用一臺控制柜，由除塵監(jiān)控計算機執(zhí)行上位監(jiān)控。

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取

現(xiàn)場閥門的開關(guān)信號與各種模擬信號是PLC進(jìn)行控制的依據(jù)和手段。卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)使用的傳感器信號分為兩類：閥門開閉的開關(guān)信號DO和料位、壓力的模擬信號AI。料位傳感器和壓力傳感器為4～20mA AI模擬信號；控制閥門均為DO開關(guān)信號。各傳感器信號直接進(jìn)入接入PLC系統(tǒng)，并將相關(guān)信號傳至上位機進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 PLC模塊配置及控制

煉鐵廠1號高爐礦槽除塵器設(shè)置6個灰斗，每個灰斗配備1套流態(tài)化倉泵氣力輸送裝置，共配置6套流態(tài)化倉泵氣力輸送裝置。6套裝置分成2組，每組有3套裝置，共用一路輸灰管道。根據(jù)I/O點數(shù)和信號的種類，控制系統(tǒng)PLC選用西門子SIMATIC S7—300。PLC配置一塊AI模塊模塊（AI 8×13 BIT）,一塊DI/DO模塊(DI16/DO16)。圖2為礦槽除塵卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)PLC模塊配置示意圖。

PLC根據(jù)按程序控制輸灰系統(tǒng)自動運行，也可以根據(jù)需要由作業(yè)人員在現(xiàn)場手動運行。

圖2 1號高爐礦槽除塵缷輸灰氣力輸送系統(tǒng)PLC模塊配置示意圖

3 上位機監(jiān)控軟件

作為SIMATIC全集成自動化系統(tǒng)的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S5 、S7和505系列PLC連接的方便和通訊的高效，WinCC語言與STEP7編程軟件的緊密結(jié)合，縮短了項目的開發(fā)周期。此外，WinCC還有對SIMATIC PLC進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件維護(hù)提供了方便。

采用上位機監(jiān)控軟件WinCC進(jìn)行軟件設(shè)計，具有效率高、便捷的優(yōu)點，與西門子SIMATIC S7—300PLC的通訊穩(wěn)定可靠。本軟件實現(xiàn)了除塵氣力輸送系統(tǒng)的實時監(jiān)控、故障報警、歷史數(shù)據(jù)的存儲、分析和查詢等多項功能，同時對過程控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)束語

礦槽除塵卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)的改造經(jīng)過近一年的運行，達(dá)到了卸輸灰氣力輸送系統(tǒng)的要求，自動運行穩(wěn)定順暢，輸送效率高，對環(huán)境更加友好，減少了設(shè)備維修時間和二次粉塵污染，節(jié)省了備件費用，減輕了勞動強度和現(xiàn)場巡視的頻次，提高了作業(yè)人員對故障的判別和反應(yīng)速度，保證了生產(chǎn)順利進(jìn)行。