自动化控制系统在260T/H干熄焦中的应用

摘要：本文对干熄焦控制系统进行了综述,重点介绍了干熄焦控制系统的结构和主要控制功能及联锁的实现。自动控制功能的实现保证了干熄焦系统的稳顺运行。

关键字：自动化PLCPCS7WinCC

中图分类号：TN830文献标识码： A

引言：随着自动化控制水平的不断提高，干熄焦现场实现了全自动控制，大大提高生产效率和控制精度，降低了人员的劳动强度，实现了高效稳定生产。本文以唐山首钢京唐西山焦化有限责任公司260T/H干熄焦控制系统为例简单介绍。

一．系统软、硬件配置

260T/H干熄焦主体控制系统采用E&I三电一体化控制，其中控制系统采用了西门子公司的双冗余控制系统，包括I/O单元、扩展I/O单元、CPU模块、连接模块、各种I/O模块，实现数据采集、回路控制、顺序控制等功能。硬件采用了西门子417H系列双冗余CPU，ET200远程I/O站等，硬件配置如图1-1所示。

图1-1干熄焦控制系统硬件配置图

260t/h干熄焦上位监控软件采用了西门子公司的WinCC 6.0，服务器、客户端计算机采用了工控机，操作系统为WindowsXP，现场控制系统汇编软件为Siemens的PCS7，用于下位控制系统的配置、组态、编程与调试。下位控制系统如图1-2所示。

图1-2PCS7软件编程环境

二．系统功能

本系统主要完成干熄焦各工段工艺设备的电气控制和仪表控制。其中电气设计范围主要包括本工艺设备配带电机以及电动阀、电磁阀等部分；仪表设计范围主要包括生产工艺流程温度、压力、流量、液位、料位等检测与控制。最终通过PLC与HMI实现对现场在线设备及工艺参数的实时监测与监视、模型运算、逻辑控制、回路调节、保安联锁、事故信号记录与报警管理、历史数据存储、报表打印等功能。

根据工艺系统控制要求，主要监控功能包括：

1)干熄车APS对位系统联锁与控制；

2)提升机起升及走行体统联锁与控制；

3)装入装置联锁与控制；

4)气体循环系统联锁与控制；

5)冷焦排出与输送系统联锁与控制；

6)锅炉系统联锁与控制；

7)焦粉收集系统联锁与控制；

8)环境除尘系统联锁与控制；

9)干熄炉预存室温度检测、上下料位检测与料位演算；

10)干熄炉预存室压力、斜烟道导入空气量、循环气体旁通管流量调节；

11)除盐水箱液位调节；

12)锅炉给水流量、汽包液位调节；

13)主蒸汽温度、压力及放散压力的调节；

14)除氧器给水预热器入水温度、除氧器压力、液位调节；

15)排焦速度调节；

16)循环气体流量调节；

17)循环气体O2、H2、CO、CO2含量在线检测、报警；

18)干熄焦生产工程运行设备状态及工艺参数的检测、显示、报警。

2.1 冗余安全控制技术

(1) 根据现场无人值守控制要求，260t/h干熄焦控制系统采用了冗余控制器；

(2) 该控制系统采用操作管理级工业以太网，网络设备选用了目前国际上较为先进的工业级产品，光线、交换机采用冗余配置，现场控制网络冗余。同时利用网络管理软件对网络进行监视和管理，保证网络的安全性、可靠性和实时性；

(3) 增强系统诊断与报警功能，及时消除系统隐患，减少故障率。

2.2 信号预处理与联锁确认技术

在干熄焦生产过程中，由于某些关键参数的变化可直接反应生产过程的变化规律和系统内部的相互联系，然而在传感器的测量过程中，不可避免地受到各种噪声、测量环境、测量位置等因素的影响，在实际应用中，对传感器测量信号进行滤波、温度补偿、多重信号综合评定等预处理措施。对引起提升、气体循环、锅炉、排焦等关键设备故障停机的联锁信号，需做记录、报警及联锁确认。通过实施上述措施，减少了故障率，提高了生产效率，对实现干熄焦生产的自动运行，保障生产的可靠、稳定运行具有深远的意义。

2.3 系统MCC保安联锁控制

干熄焦生产过程中，气体循环、汽水循环等子系统相辅相成，若某一环节出现异常，整个生产系统应尽快做出反应，否则将造成不可估量的损失。根据工艺生产控制要求，编制严密可靠的联锁控制程序，减少事故率，保障干熄焦生产的顺利进行。系统MCC联锁保护如图2-1所示。

图2-1 系统MCC联锁保护逻辑控制关系

三．干熄焦本体系统

3.1 预存室料位模拟运算与自动标定

干熄焦正常生产情况下，系统装焦量与排焦量应保持一致。由于装焦计量方法导致误差存在，排焦量设定与装焦量难免有偏差，需要参考干熄炉存料情况，因此预存室料位控制是控制干熄焦生产节奏，保障安全生产的重要因素。控制画面如图3-1所示。

操作画面说明如下：

（1）干熄炉内的焦炭的数量为计算值（在设计过程中，当装焦到电容料位时，干熄炉内为417t，将不允许再装红焦，如提升机此时正在装焦，则允许装完当前罐；当达到ｒ射线时，校正料位为208t），按照每一罐44t计算，减去排焦皮带上皮带秤所计量的数值；

（2）画面左部有“校正时间设定”是指在设定规定的时间内，必须做一次料位校正。当计时超过该设定值还没有进行校正，则HMI上会产生一个“校正间隔大”的报警；

（3）“手动补正”是指操作人员认为改变料位值的操作，在需要补正时可根据实际需要，点击“+补正”或“-补正”；

（4）“投入TEST ON”是指提升机在检修过程时，焦罐门开的信号不带入装入量计算中。检修完毕后该按钮恢复则料位继续正常运算；

图3-1 干熄炉料位画面

（5）“排出TEST ON”是指皮带秤如果出现故障需要处理时，用设定值代替皮带秤的流量值进行计算，皮带秤恢复后将该按钮恢复即可恢复到正常的运算。

3.2 排出智能化控制技术

排焦装置采用变频振动给料器，根据设定排焦量与皮带秤实时检测值进行对比，自动控制振动给料器的下料量。正常生产时，排焦量应与装焦量匹配，确保预存室焦炭料位恒定。

3.3 粉尘气体输送自动控制技术

首钢京唐焦化厂的粉尘收集采用气体输送方式，经一次重力除尘、二次多管旋风除尘分离出粉尘进入料仓，格式排灰阀根据选择料位控制或时间控制来自动控制粉尘的排泄。通过气体输送装置相关阀的开启顺序控制，保障系统粉尘的正常输送，防止粉尘泄露，减少环境污染，达到节能减排的目的。

3.4 环境除尘风机分级控制

干熄焦装置采用了较完善的密封除尘措施：装入装置、排焦装置、预存室放散及循环风机后常用放散等处排出的烟尘均进入地面站除尘系统除尘后放散，根据除尘点的实际吸尘情况，分级控制除尘风机转速，达到节能环保的目的。

四．干熄焦锅炉控制系统

4.1 锅炉给水泵保安联锁

锅炉系统设10KV高压给水泵两台，互为备用。工作给水泵故障停机时，备用泵自动启动；生产过程中锅炉给水泵给水压力下下限时，备用泵自动启动；当锅炉给水压力达上上限时，原工作泵自动停止，从而保证锅炉汽水的平衡，确保干熄焦生产的正常进行。锅炉控制系统如图4-1所示。

图4-1 锅炉控制系统

4.2 汽包液位智能控制

A单冲量给水调节系统

给水调节器接收的反馈信号为汽包液位，其控制输出信号送至给水调节阀调节汽包给水量。干熄焦处于非正常工况时，要采用单冲量给水调节系统（图4-2）。例如，在干熄焦开工调试时，由于干熄炉内红焦较少，即锅炉循环气体风量不足，产生的蒸汽很少，甚至可以忽略不计，使得锅炉不需要连续稳定补水，汽包单冲量给水调节系统内压力很低。在这种非正常生产情况下，需要单冲量给水调节系统解决这一难题。此外，干熄焦正常生产后，如果蒸汽发生量或给水流量检测系统出现故障，导致三冲量给水调节系统不能正常工作时，也可将单冲量给水系统投入运行，以解燃眉之急。所以，在干熄焦工艺中，单冲量给水调节系统有存在的必要（见图4-2）。

图4-2 单冲量给水调节系统示意图

B三冲量调节

在正常生产时，影响汽包液位的主要因素有给水流量、蒸汽消耗量以及循环气体风量。

a给水流量W对汽包液位变化动态特性

在锅炉工况稳定的状况下，当给水量W发生阶跃扰动时，汽包液位H的响应曲线可以用图4-3说明。

图4-3 汽包液位的响应曲线 图4-4 蒸汽量D对汽包液位的影响

当加大锅炉给水流量，汽包液位理论应上升，水位的相应曲线如图4-3中的和H2所示，水位与给水量成正比。但实际情况并非如此，这是由于锅炉给水温度低于锅炉内的饱和水温度，给水在进入汽包后，吸收了饱和水中的部分热量，造成汽包内的水温下降，从而使水面以下的气泡数量减少，气泡占据的空间减少，进入锅炉内的水首先填补因气泡减少而降低的水位。气泡对水位的影响可以利用图中H1表示。汽包水位的H1 和H2实际响应曲线是H的综合。

b蒸汽量D对汽包液位变化动态特性

当蒸汽耗量突然增多，蒸发量高于给水量，汽包内物质平衡状态被改变，汽包液位无自平衡能力，使得水位下降。同时，由于耗气量的增加，汽包内的气泡增多。此时由于锅炉的其他工况没有变化，所以汽包内压力下降，使水面以下的蒸汽气泡膨胀，气泡占据的空间增大，而导致汽包液位上升。蒸汽量阶跃扰动下，汽包液位H的实际响应曲线是H1 和H2之和，在一段时间内，汽包液位H不但不下降，反而明显上升。这种现象通常称为“假水位”现象，见图4-4。

c排焦量B对汽包液位的影响

当循环气体风量增大时，锅炉吸收的热量增加，从而使蒸发量增大。锅炉内气压增高，蒸汽流量增大，这时蒸发量大于给水量，水位理论上应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高使汽水混合物中的气泡容积增加，而这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，而引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些。蒸汽量对汽包液位的影响，见图4-5。

图4-5 排焦量B对汽包液位的影响

三冲量调节就是与汽包系统中相关的锅炉给水流量，减温水流量，主蒸汽流量，排污水流量，通过平衡其关系，减少在调节中的惯性环节（PID调节时，当然在工况稳定的情况下更为准确，以汽包液位为例，即是通过对给水流量的控制实现的，但是，在生产过程中，汽包的液位随着主蒸汽和排污水的输出而减少，PID调节时增加了惯性环节，造成调节过程中误差的增加）。

如图4-6所示，以汽包为基准，锅炉给水流量（FT208）+减温水流量（FT211）=主蒸汽流量（FT220）+排污水流量（FT223），通过工艺的总结，得出以下公式：

SV=（K1×a + K2×b +K3×c）+K4×d +K5

式中，K1~K5分别为系数（由工艺决定）；a 为减温水流量；b 为排污水流量；c 为主蒸汽流量；d 为锅炉给水流量（调节汽包液位）。

图4-6 三冲量示意图

因此，三冲量调节即设定汽包液位，通过以上公式，计算出所需的给水量，从而调节汽包液位。

4.4 循环风机的保安控制与风量调节

主蒸汽压力稳定是保障系统安全稳定生产的关键因素之一。正常生产时，通过控制主蒸汽压力调节阀、主蒸汽放散压力调节阀来稳定主蒸汽压力，当主蒸汽压力失控达不到设计要求时，关闭主蒸汽切断阀，打开主蒸汽放散阀。循环风机如图4-7所示。

图4-7干熄炉&循环风机控制系统

五．报表生成与报警功能

5.1 报表自动生成技术

干熄焦自动报表实现了重要参数的定时自动记录与查询，有利于生产人员对现场数据进行挖掘和深度分析，进一步优化生产工艺和操作管理。

5.2 上位监控画面报警功能

整个控制系统设计为现场全自动控制，为了能直观、及时了解、处理现场发生的故障，在上位监控换面中，当某一个现场设备出现故障时，单击故障提示，监控画面显示该设备故障的所有可能情况，现场故障标明红色，维检人员可以根据故障提示快速查找、处理故障。

同时为了加强远程监控操作、事故调查分析，还汇总了重要操作信息、报警信息，进行画面声光报警如图1-19所示。

图5-1 报警信息汇总

结束语：260t/h干熄焦自动控制技术在唐山首钢京唐西山焦化有限公司应用已5年多,系统运行可靠, 最大限度减少了操作人员的劳动强度，同时在环保和节能方面为公司做出了贡献,带来了较高的经济效益，为发展循环经济作出了重要贡献。

参考文献：

1.《首钢京唐钢有限公司干熄焦控制系统操作规程》2009年3月 熊啸松 龙凯 主编武钢工程技术集团自动化有限公司

2.《首钢京唐钢铁联合有限公司干熄焦工程初步设计》（第六章 干熄焦工程 第二册 主要设备清单北京首钢设计院&北京中日联节能环保工程技术有限公司

3.《干熄焦生产操作与设备维护》 2009年第一版 罗时政 乔继军 主编冶金工业出版社

4.《实用锅炉》1999年6月第一版 林宗虎 徐通模 主编北京化学工业出版社

5.《锅炉实用技术》 2003年9月第一版 宋业林 主编中国石化出版社