基于新型通訊方式的轉爐煤氣柜并聯控制研究

（梅山鋼鐵股份有限公司能源環保部，江蘇南京 210039）

引言

轉爐煤氣作為煉鋼工序轉爐吹煉過程中的副產品，其回收是周期性、間斷性的，而用戶的使用卻是連續的，故設置轉爐煤氣柜平衡間斷回收與連續使用之間的矛盾，并穩定煤氣壓力。煤氣自柜出口后經電除塵、加壓機送至用戶使用。為了安全、順利地回收轉爐煤氣，轉爐工序需要得到煤氣柜的運行狀態信息，作為煤氣回收或放散的聯鎖判斷條件。常見的控制是1 個煉鋼工序對應1 座轉爐煤氣柜，本文則探索了2 個煉鋼工序和2 座轉爐煤氣柜之間的并聯控制。

1 原有工藝功能分析

1.1 轉煤工藝

梅鋼現有2座轉爐煤氣柜，柜容為8萬m3與12萬m3，分別負責回收一煉鋼、二煉鋼轉爐煤氣，煤氣柜進出口為調試方便設置有連通管及附屬閥門。基本流程如圖1所示。煤氣加壓站設置了加壓機進口調節閥、加壓站回流閥、高壓變頻器等，用于調整穩定供氣壓力。

其主要工藝及控制功能為：

煤氣柜分別設置兩套柜容檢測裝置L1、L2，當柜容高于設定值時自動關閉進口蝶閥，柜容低于設定值聯鎖停運加壓機，同時柜容信號L1,L2 分別送至能源調度與煉鋼工序。

1.2 控制系統

2座氣柜信號傳輸如圖2所示。

8 萬m3柜與12 萬m3柜主控制系統分別采用西門子s7-300 與s7-400 型PLC,將煤氣柜的運行信號（柜容、進口閥門位置、回收允許信號等）計算與轉換后，輸出模擬量與數字量并以電纜接線的方式至轉爐，轉爐將信號（正在回收、請求回收等）以同樣的方式回傳給其對應的煤氣柜，即：二煉鋼與12 萬m3柜間進行信號數據傳輸，8 萬m3柜與一煉鋼進行信號數據傳輸。

圖1 轉煤系統工藝流程圖

圖2 兩座氣柜信號傳輸示意圖

HMI 后臺監控主機與8 萬m3柜控制器之間通過TCP∕IP 網絡通訊，與12 萬m3柜控制器之間采用工業以太網通訊（配置1623通訊卡），為了更好地監控與遠傳，2 座氣柜的主控PLC 通過交換機連接，處于同一網段。

1.3 主要問題

2 座轉爐煤氣柜間雖然設置有連通管及閥門，但主要是用于新上12 萬m3轉爐煤氣柜調試使用，并未考慮正常生產條件下2 座氣柜的并聯運行，因而存在以下問題：

各自獨立運行時，2 座氣柜的回收能力遠遠沒有得到充分發揮，如：經計算按照目前的一煉鋼生產狀況，氣柜有效容積在2.5 萬m3即可滿足其回收的需求，柜容有較大的富裕。二煉鋼轉爐煤氣回收量為一煉鋼的3倍，需要更大的柜容。

當其中1 座氣柜，特別是12 萬m3柜故障時，將有大量煤氣放散，嚴重影響周邊環境與煤氣供給平衡。

為此，實現2座氣柜的并聯運行勢在必行。

2 控制要求的分析與實施

2.1 需求分析

借助現有2 座氣柜進出口存在聯通管、回收控制邏輯一致的工藝條件，為了實現2 座氣柜的并聯運行，控制系統及工藝設備需要實現如下功能與調整：

（1）氣柜運行狀態信號，如：柜容、進口閥門開度、允許回收命令；一、二煉鋼返回的信號，如：請求回收、正在回收、回收結束等，需要在2 座氣柜的控制器內實現通訊與相互讀取；

（2）運行狀態信號在2座氣柜間相互讀取后，利用原有與煉鋼工序間的信號傳輸鏈路，實現8 萬m3柜與二煉鋼工序的數據傳輸及12 萬m3柜與一煉鋼的數據傳輸；

（3）針對2座氣柜間的相關數據類型、設定值的不同，進行相應的轉換，如：8萬m3柜容檢測裝置，其量程為0～8萬m3，而二煉鋼得到的柜容信號量程為0～12 萬m3，故需要在12 萬m3柜控制器中將其量程進行轉換，以確保二煉鋼得到8 萬m3柜柜容的真實數據，并根據回收安全的考慮重新修改部分聯鎖控制邏輯；

（4）增加相關閥門的控制程序，如：在獨立運行向并聯過程中需自動打開聯通管閥門，或關閉故障氣柜進口的閥門。

（5）增加信號選擇及替代功能，即：在一座氣柜故障退出運行時，需要將其聯鎖信號（包括遠傳煉鋼工序及機組信號）替代為另外一座氣柜的相關信號，參與工藝控制。

2.2 信號傳輸方式研究分析

2 座氣柜為了實現數據相互讀取與共享，就需要建立通訊鏈路，首先考慮到的通訊方式有兩個方向：

（1）電纜直連方式，利用控制器的輸入輸出模塊連接見圖3，將各自的信號利用調理器一分為二，見圖4。

這兩種方式存在的弊端是：增加控制系統硬件（輸入輸出模塊，調理器等），需要重新敷設大量電纜，同時需要對現有的輸入輸出單元、回路進行改造，影響到生產的正常運行。

圖3 輸入輸出模塊直連示意圖

圖4 信號一分二連接示意圖

（2）兩套CPU 間通過以太網通訊，利用兩套控制系統接入同一臺交換機，可以采用TCP∕IP協議,分別設置硬件連接組態，調用專門功能塊，實現通訊，如圖5所示。

圖5 PLC間直接通訊方式示意圖

但這種通訊方式存在的問題是：硬件組態設置完畢，下裝過程中，需要控制系統停機和工藝停役，特別是涉及到2 座氣柜及煉鋼，會對生產造成極大影響。另外由于12 萬m3柜采用的S7-400 冗余PLC，僅有一臺主控CPU 接入交換機，當其故障時通訊將中斷。

為了不影響生產的正常運行，減少工作量，需要采用一種新型的通訊方式。

2.3 新型通訊方式研究與實施

考慮到兩區域的控制器（分別為西門子s7-300與s7-400 PLC)，可以通過不同方式（TCP∕IP 以太網與基于1623通訊卡的工業以太網）與同一監控主機相連，可通過該監控主機的WINCC 軟件編制C 腳本，讀取其中一臺PLC 寄存器內的某一運行狀態參數，賦值給另外一臺PLC 寄存器的接收地址，實現兩者間的數據通訊；而后通過各自現有的信號傳輸模式，將得到的數據經過轉換、處理后，傳輸至其對應的轉爐控制系統。如：12 萬m3柜PLC 將WINCC平臺賦值過來的8萬m3柜柜容數據讀到本身的寄存器中，經過量程轉換。判斷比較后，模擬量輸出模塊以直接電纜通訊方式將標準4～20 mA傳輸給二煉鋼轉爐。見圖6。

圖6 新型通訊方式鏈路示意圖

具體實施過程如下：

（1）在集中監控的WINCC平臺中根據通訊方式與路徑的適配方式不同增加需要連接PLC 的驅動程序，設定連接所需要的參數。

（2）根據現場監控、報警需要，利用單臺PLC 可與監控主機WINCC 平臺收發數據的特點，在WINCC 新建的PLC 連接中建立參與數據交互的變量（組），設置變量參數并使之通過點位地址與PLC各變量寄存器、存儲區（輸入輸出映像、位存儲器、定時器、計數器、外設輸入輸出、共享數據塊、背景數據塊等）勾連，即：在需要發送的PLC 連接中建立需要讀取的變量或變量組、在接受PLC 連接中建立需要寫入PLC 寄存器的變量或變量組，在此過程中視情況可能需要在PLC 的用戶程序中增加部分中間變量（不會引起控制系統停機）。見圖7。

圖7 通訊原理及過程示意圖

（3）完成變量的建立后，接下來就是新建全局腳本，編輯腳本語句、調試、調用，根據實際需要通過全局腳本調用不同PLC 種變量數據、邏輯運算、并將運算結果通過賦值語句，寫入需要使用數據的PLC系統的變量寄存器。

以本次12 萬m3柜讀取8 萬m3柜運行狀態數據為例，見圖8。

圖8 部分腳本例圖

其中：8wgr、8wfk、8wyx、12t8hs為WINCC中設置對應8 萬m3煤氣柜PLC 控制器的相應地址的變量，WINCC 軟件讀取后，由圖中所示腳本按照設定的運行周期或觸發器賦值給8t12gr、8t12fk、8t12yx、2lghs 4 個變量，按照地址對應12 萬m3柜PLC 控制器，通過地址信息保存到相應寄存器中。這段腳本所代表的的含義為：8萬m3柜運行過程中的柜容、閥門位置、允許回收信號通過上述腳本按照設定周期（250ms）給到12萬m3柜控制器；12萬m3柜控制器按照設定條件，選擇是否將該數據傳輸至二煉鋼轉爐控制系統；同時12萬m3柜將其對應的二煉鋼的回收信號通過變量2lghs 賦值給12t8hs 變量，最終按照12t8hs變量地址反饋至8萬m3柜控制器。

通過上述步驟，即可利用WINCC 的腳本功能（其他可編程平臺可根據軟件具體步驟修改）實現了其所連接的PLC 間的通訊，同時由于組態修改及簡單調整不需要控制系統停機，也就不會引起工藝生產的停役。

2.4 邏輯新增與完善

在已建立的通訊連接的基礎上，對數據進行處理，根據工藝與安全運行的需要，增加部分邏輯與控制連鎖，以8 萬m3柜并聯回收二煉鋼轉爐煤氣為例：

（1）12 萬m3柜接收到8 萬m3柜運行狀態數據后，對其進行處理，并保存在自身的寄存器中，如：需要將8萬m3柜的量程進行轉換，使其與12萬m3柜量程一致，便于傳輸與比較，確保二煉鋼工序得到實際的8萬m3柜柜容；

（2）在12 萬m3柜WINCC 控制畫面中增加選擇按鈕，并設定操作權限（主要是防止誤操作、核定并聯運行條件、確保工藝運行的安全性）。該按鈕設定在12萬m3柜控制程序中，可以通過上述通訊方式分別觸發8 萬m3柜控制器與12 萬m3柜控制器中設定的并聯回收邏輯，主要包括：

(a)12 萬m3柜將實時讀取到的8 萬m3柜數據（柜容、進口閥門狀態、允許回收信號等），替代本身的數據傳送給二煉鋼工序，同時通過12萬m3柜控制器將二煉鋼的回收狀態數據（請求回收、允許回收、氧含量等）反饋至8萬m3柜控制器。

(b)部分閥門的自動運行：打開2 座氣柜的進口連通管閥F3 及密封裝置，8 萬m3柜進口管閥F2，關閉12萬m3柜進口管閥F1（見圖1），投用密封裝置。

(c)8萬m3柜激活針對回收二煉鋼煤氣專門設計的報警程序，如柜容由7.2 萬m3報警降低至6.5 萬m3，以應對二煉鋼3倍于一煉鋼的回收量。

(d)考慮到氣柜實際運行狀態，給出一煉鋼拒絕回收信號，如：一二煉鋼的回收節奏要求8萬m3柜有效柜容在7.5 萬m3左右，此時如果12 萬m3柜故障無法回收，出于安全考慮將拒絕回收一煉鋼轉爐煤氣，實現抓大放小。

反之，8 萬m3柜亦可以通過上述步驟讀取12 萬m3柜數據，從而分享至一煉鋼轉爐控制終端，在工藝允許的情況下，實現12 萬m3柜回收并聯一煉鋼煤氣。

3 結語

通過創新通訊方式，完善控制邏輯，總結出一套可跨不同廠家、型號與連接方式的PLC 控制器間的通訊方案。實現了2座氣柜在其中一臺氣柜故障的情況下，單臺氣柜回收2 座煉鋼工藝的并聯運行模式，不但簡單易行，并使得氣柜故障時的轉煤煤氣放散量減少75%。