布袋除塵器自動化控制系統在電爐煉鋼中的應用

1 除塵控制系統簡介

電爐煉鋼過程中產生大量棕紅色濃煙，除塵系統的作用就是將這些濃煙進行有效的收集、處理和利用，改善車間崗位環境，并使排放到大氣中的氣體清潔無害。某煉鋼廠于2005年對原90t電爐除塵系統進行了改造和擴建，針對現場電動設備多、分布距離較遠的特點，我們設計了一套基于現場總線技術的除塵自動控制系統。

圖1

除塵系統工藝要求整個除塵系統工藝過程如圖1所示。

在引風機的作用下，超高功率電爐的一次煙氣(爐內煙氣)經第4孔、水冷煙道、重力沉降室、機力冷卻器后與部分由屋頂罩收集來的二次煙氣混合，降溫后進入1號除塵器;二次煙氣(彌散到車間內的煙氣)除一部分與一次煙氣混合進入1號除塵器外大部分被屋頂罩收集后直接進入2號除塵器。兩臺LF精煉爐的煙氣經收集罩收集并在一臺增壓風機作用下也送入2號除塵器。進入兩臺除塵器的煙氣經過長布袋過濾后在引風機作用下經煙囪排到大氣。布袋過濾下來的灰塵在脈沖噴吹作用下落到除塵器底部，經卸灰閥卸到鏈式埋刮板機上，由鏈式埋刮板機輸送并經斗式提升機將積灰送入儲灰倉儲存。為保證除塵系統的高效運行，要求控制系統對風機、變頻器和除塵器等設備運行情況進行實時監控;在人機界面上模擬顯示整個工藝過程和重要工藝數據，設定修改各工藝參數;以一定的控制策略自動完成布袋的脈沖清灰、卸灰和輸灰等工藝;根據煙氣溫度變化自動調節二次煙氣的風量;在冶煉周期的不同時段，自動調節風機風量，以實現節能降耗。

2 控制系統硬件設計

根據以上工藝及控制要求，針對各控制點分布距離較遠的特點，采用現場總線技術，設計了以S72400PLC為核心的控制系統。

控制系統硬件結構控制系統為典型的多級計算機控制結構，主要由HMI工業計算機、PLC、遠程I/O模塊和高壓變頻器組成。位于除塵控制室的本地HMI和位于爐前控制室的遠程HMI與S72400PLC通過基于TCP/IP協議的SimaticH1工業以太網通信，并和工廠的局域網相連。網絡拓撲為總線型，采用粗纜作為傳輸介質，傳輸速率為10Mb/s。S72400PLC通過CP44321以太網模板接入網絡，HMI通過CP1613以太網卡接入網絡。遠程HMI的所有監控畫面都與本地HMI相同，爐前操作人員可以通過遠程HMI了解除塵系統工作狀況。工業以太網是基于國際標準IEEE802.3的開放式網絡，采用CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)介質訪問控制方式，有極強的信息集成和網絡擴展能力。在系統的頂層應用工業以太網可方便地實現管理-控制網絡的一體化。

除塵器上有大量的脈沖閥、卸灰閥等被控設備，在兩臺除塵器上就近設置兩臺遠程I/O模塊ET200M接收這些信號;兩臺中壓變頻器位于變頻器室，也有大量信息需要與主PLC交換。將中壓變頻器、ET200M模塊和S72400PLC通過Profibus2DP現場總線網絡建立連接，網絡介質為西門子MPI/DP兩芯專用電纜，傳輸速率設為18715Kb/s。設定除塵控制室的S72400PLC為主站，中壓變頻器及遠程I/O模塊ET200M均設為從站。Profibus2DP現場總線采用主從介質訪問控制方式，具有通信的實時性和確定性，站點每次得到網絡服務間隔時間是確定的，可以保證站點完成它確定的任務。

3 控制策略

HMI上的監控畫面采用WinCC組態，完成數據采集、過程監控和數據歸檔等任務。PLC程序采用Step7編制，根據系統的工藝過程，PLC程序可分為清灰控制、卸灰和輸灰控制、風量調節和除塵室溫度控制等幾部分。其中卸灰和輸灰系統主要是邏輯控制，程序的編制較為容易，在此不再敘述，下面主要介紹其它部分的控制策略。

3.1 清灰控制

清灰的目的是清除布袋上的灰塵，使布袋粉塵保持合適的厚度，除塵器有較高的除塵效率和較低的能耗。早期的除塵系統風量一般恒定，常用的清灰控制方式有定時清灰和定阻力清灰。定時清灰是指按照預先設定的清灰周期和脈沖間隔控制清灰機構動作，屬于開環控制，不考慮除塵器的實際阻力。若時間設置不合理，會使除塵效率太低或系統能耗太高。定阻力清灰是根據除塵器實際阻力來控制清灰。通常設定一個目標阻力，當實際阻力高于目標阻力一定范圍時開始清灰，直到實際阻力小于目標阻力一定范圍時停止清灰。這種方式相比定時清灰實現了阻力的簡單閉環控制，因此在風量恒定的除塵系統中應用較為廣泛。由于本系統中采用了變頻調速，除塵風量不再恒定，定時清灰和定阻力清灰都不適用，經分析和試驗，系統采用了變阻力清灰控制策略。即除塵器的阻力目標值根據風量變化實時計算和調整。

3.2 除塵室溫度控制

除塵器布袋所能允許的最高溫度為130℃，而在煉鋼的有些工藝時段，爐內的一次煙氣在經水冷管道和機力冷卻器冷卻后溫度仍高達250℃左右，此時必須混入部分二次煙氣降溫。但入口溫度也不能太低，否則會使風機負荷增加過多，造成風機電機超載;同時會使煙氣產生酸露，引起粉塵在濾袋上板結，導致清灰困難。因此，在實際應用中，一般通過調節二次煙氣管道上的風量平衡閥將除塵器入口溫度控制在110℃左右。

3.3 風量調節

由于電爐在冶煉周期的不同時段產生的煙塵量不同，因此要求的除塵風量不同，風機應通過變頻器的頻率調節變速運行。PLC從電爐控制系統中讀取加料、吹氧、混鐵水和出鋼等不同時段的開關量觸發信號，控制變頻器運行在不同的頻率段，具體頻率值在HMI上設定并可根據運行效果調整。感器轉換成毫伏級模擬電壓信號后被送到稱重儀表，稱重儀表將此信號轉換成重量數據信號，并將此數據通過串行通信方式傳送到PLC。此數據與觸摸屏上(或計算機上)預設的單秤目標值減去提前量后相比較，若此數據小于該值，則PLC上的進料輸出點保持接通，進料閥門保持打開，進料過程繼續;此數據(即秤斗中的物料重量)達到該值時，PLC上的進料輸出點斷開，秤的進料閥門關閉?？罩形锪先柯淙氤佣分星页臃€定后，記錄物料毛重;接著進入秤的放料過程，PLC上的放料輸出點自動接通，秤的放料閥打開，開始放料;秤放空后，放料閥門自動關閉，此時記錄物料皮重，則物料凈重=毛重-皮重，累計秤數和物料重量。至此，本次稱量循環結束，下次稱量循環的進料過程自動開始，如此不斷循環，直至最后一秤稱量循環結束后系統自動停止工作。

4 散料秤與其它計量設備應用比較

散料秤系統的設計綜合了多種應用技術，在冶金行業特別是對散裝物料的計量上有廣泛的應用市場。它與常用于散裝物料計量的皮帶秤和國際港口通用的水尺計量相比，在應用上有其優越的性能和指標。

5 應用效果

整個控制系統根據除塵工藝要求，通過工業以太網和Profibus現場總線技術，將現場諸多設備聯系起來，大大減少了電纜鋪設量;充分利用SimaticS7PLC和WinCC緊密集成特性，使操作人員通過計算機屏幕直觀地監控整個除塵系統運行情況。該系統自2005年11月運行至今，除塵器的除塵效率平均在95%以上，溫度控制響應迅速，超調量不超過8℃，穩態精度較高;控制系統整體性能穩定可靠，故障率極低，改善了煉鋼車間的工作環境，提高了工作效率，取得了較好的經濟效益和社會效益。