基于閥門控制器與PLC的煤氣穩壓控制系統改造＊

江陰職業技術學院 沈燦鋼 馬青 王曉蓮

在軋鋼生產的加熱環節廣泛使用高爐煤氣，煤氣壓力穩定性對生產過程非常重要。本文研究利用閥門控制器和PLC，在煤氣穩壓控制系統中進行應用，提高了煤氣管網安全性和壓力穩定性。整個系統由PLC控制系統、穩壓閥組、壓力檢測元件組成，經過實際測試，該系統對節能降耗、產品質量改善、煤氣安全方面都有良好的效果。

煤氣是特鋼企業冶煉制造的主要能源，煤氣管網壓力的檢測控制直接關系到冶金鋼鐵企業的生產質量和安全。對煤氣主管網壓力的穩定控制，直接決定了煤氣輸送的質量和可靠性，如果主管網壓力超出控制范圍或者異常，將造成嚴重的安全和質量事故。主要有三個方面安全問題：（1）煤氣管網和運行設備的安全；（2）影響企業生產的正常運行；（3）可能造成煤氣泄漏和煤氣中毒[1]。所以冶金鋼鐵企業對煤氣壓力控制和調節都非常重視。高線是煤氣從高爐產生后管網上的第一家用戶，在未使用穩壓閥前盡管有煤氣柜能起到一定的穩壓作用，但當高爐休風，其他大用戶使用量驟升驟降時，管網高壓達到20Kpa，低壓僅有6Kpa，對爐內坯料加熱質量和煤氣管網安全性都會造成極大影響。為了消除影響提高安全性，分廠對接入的煤氣管路進行改造，增加一套穩壓系統。高爐煤氣管網外部圖如圖1所示，整個系統由PLC控制系統、穩壓閥組、壓力檢測元件組成[2]。

1 閥門控制器和PLC介紹

1.1 閥門控制器

閥門控制器與執行機構配套使用，以控制閥門的開啟和關閉，或精確控制開度。廣泛地應用于使用管道閥門的給排水、供熱、電站、代工、食品、紡織、造紙、船舶、鋼鐵和煤炭等工業部門，煤氣穩壓系統中使用電動閥門裝置。高線分廠的所使用的煤氣閥門控制器如圖2所示。

圖2 煉鋼煤氣閥門控制器Fig.2 Steelmaking gas valve controller

1.2 防爆型氣體壓力變送器

煤氣穩壓控制系統的信號采集，采用高精度氣體壓力變送器，采集管網氣體模擬量信號給PLC[3]。本系統采用防爆型壓力變送器，由一體化智能傳感器和外圍電路組成，如圖3所示。傳感器部分由壓力傳感器、信號調制電路、專用數字處理芯片、溫度傳感器和數據存儲器等組成，外圍電子線路部分由LCD顯示屏、功能鍵和EMC電路組成。

圖3 305lDP管道氣體壓力變送器Fig.3 305IDP pipeline gas pressure transmitter

煤氣壓力信號經壓力傳感器轉換為電信號，電信號經調制后送到專用數字處理芯片進行數據處理，然后轉換為與壓力信號對應4～20mA電流輸出，并在電流信號上疊加HART數字信號進行通訊，傳輸給PLC[4，5]。

氣體壓力變送器參數：

測量范圍：-0.1～60Mpa；

外殼防護等級：lP65；

精度等級：0.2；

輸出信號：4～20mA(兩線制)、0～10VDC、0～ 5VDC、1～5VDC(三線制)；

防爆型壓力變送器供電電壓：24V DC；

介質接觸材料：316不銹鋼；

除了對用戶進行有關網絡安全的法律法規和規章制度進行宣傳教育外，還必須讓用戶知道如何使用密碼、管理文件、收發郵件和正確地運行應用程序。

外殼材料：304或316不銹鋼；

安裝方式：螺紋安裝；

壓力接口：M20×1.5、M12×1、G1/4、G1/2陽螺紋等；

引線方式：四芯屏蔽電纜。

1.3 西門子PLC控制器

SIMATIC S7-300PLC是模塊化小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統。S7-300PLC采用模塊化結構，具備高速（0.6～0.1μs）的指令運算速度；用浮點數運算比較有效地實現了更為復雜的算術運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數賦值；方便的人機總線系統；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統及其他自動化控制系統SIMATICS7/M7/C7等[6]。分廠煤氣穩壓技改項目，采用西門子S7-315 PLC如圖4所示。

圖4 西門子S7-315PLCFig.4 Siemens S7-315 PLC

2 高爐煤氣穩壓系統改造

2.1 PLC系統硬件組態

該系統主要由PLC、閥門電動執行機構、壓力傳感器。整個系統通過控制3只閥門的開度變化來穩定煤氣壓力[7]。PLC具體配置：1臺S7-300PLC、1個16口DI模塊、1個8口AI模塊、1個4口AO模塊，如圖5所示。

圖5 PLC硬件組態配置Fig.5 PLC hardware configuration

其中5個AI輸入點分別是：

（1）閥前壓力變送器輸入；

（2）閥后壓力變送器輸入；

（3）1#閥開度反饋；

（4）2#閥開度反饋；

（5）3#發開度反饋；

3個AO輸出點分別是：

（6）1#閥開度給定；

（7）2#閥開度給定；

（8）3#閥開度給定。

2.2 煤氣穩壓系統PI調節

通過對閥后壓力的測量與目標值比對，經PI調節后由PLC向閥門控制器發出指令再傳至執行機構[8]。設定值為8KPa，Kp為0.7，Ti為60s，如圖6所示。

圖6 PI調節程序優化Fig.6 PI regulator optimization

從安全方面考慮，3#閥只設置手動模式，1#、2#閥設自動時，可在操作界面中選擇一個作為動作優先級，如圖7所示。

圖7 穩壓閥PID控制界面Fig.7 PID control interface of pressure stabilizing valve

由圖7可看出2#優先，3#開度固定，則當閥前壓力減小時，自動開大2#閥，當2#閥開度達到100%時仍不滿足壓力要求則開啟1#閥，直到滿足要求為止[9]。PLC程序運行后的穩壓閥前后壓力對比，閥后壓力較穩定，如圖8所示。

圖8 穩壓閥PID控制界面Fig.8 PID control interface of pressure stabilizing valve

3 高爐煤氣穩壓系統運行調試

穩壓閥在運行一段時間后，非優先調節閥內部控制板報故障（閥門開關限位漂移，閥門進入控制死區），此時狀態指示燈為紅色閃爍。穩壓閥組無法投用自動調節功能，只能手動調節。為消除報警，需要對閥門開關限位進行重新設置[10]。設置步驟如圖9所示。

圖9 閥門開關限位設置Fig.9 Valve switch limit setting

閥門開關限位調節設置步驟：

（1）將設置運行開關撥到設置檔位。

（2）按方向1按鈕，將閥門關閉，與機械檔塊留下5mm間隙。按全關按鈕5s以上，指示燈顯示紅色后松開，再按關限按鈕5s以上，指示燈為紅色后松開。

（3）按方向2按鈕，將閥門打開，與機械檔塊留下5mm間隙。按全開按鈕5s以上，指示燈顯示紅色后松開，再按開限按鈕5s以上，指示燈為紅色后松開。

（4）設置好后將開關撥到運行檔位，通知操作工投用自動[11，12]。

4 總結

高爐煤氣穩壓控制系統改造完成后，經過特鋼分廠的運行測試。穩壓閥后分廠高爐煤氣壓力基本穩定在設定值8Kpa左右，滿足使用要求。煤氣穩壓控制系統技改，對節能降耗、產品質量改善、煤氣安全使用方面都產生了較好的效果，本項目后期將在公司其他分廠推廣應用。