西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0详细说明

西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0详细说明

PLC在莱钢120吨转炉烟气干法除尘控制系统中的应用

        1 引言 
    为适应转炉炼钢生产的不断发展和环保要求，继宝钢之后，莱钢3×120t转炉煤气净化和回收系统引进了德国鲁奇与蒂森两公司合作开发的干法除尘技术，简称LT法，并首次在国内进行了LT控制系统的开发和设计。LT系统主要由烟气冷却系统、净化系统、煤气回收和放散系统组成。控制系统采用了西门子S7-400系列的PLC，对蒸发冷却器、电除尘器及阀门等工艺生产线设备实现过程检测、监视、调节和控制。 
    2 工艺控制过程简述 
    转炉烟经汽化冷却烟道冷却后,温度为800~1000℃进入蒸发冷却器，根据烟气含热量精确控制喷水量，使蒸汽将水完全雾化后冷却烟气降至200℃左右，约有45%的粗粉尘沉降并通过链式输灰机、灰斗等装置送至灰仓;冷却后的烟气进入圆筒型电除尘器，电除尘器设四个电场，采用高压直流脉冲电源，根据系统运行的不同阶段控制电压，收集剩余的细粉尘，使经过电除尘器的烟气含尘量在10mg/Nm3以下;为适应转炉烟气的变化，轴流风机设变频调速，实现流量调节，并根据气体分析仪检测的CO浓度来控制切换站将煤气送至烟囱或煤气柜，实现放散或回收的快速切换。 
    3 自动化控制系统的构成 
    LT自动化控制范围是从汽化冷却烟道开始到煤气冷却器结束，设一级基础自动化，与转炉本体、汽包等自动化系统进行联网通讯，组成以太网光纤环网，通过服务器实现PLC与上位机之间的、存储和报警等功能。PLC由CPU、存储单元、电源模块、通讯模块、I/O模块、高速计数模块等组成，根据LT设备分散的特点，其自动化硬件系统构建更加灵活合理，上位机放在转炉主控室内，PLC按设备分布区域划分为主站和从站，从站为主PLC的远程扩展单元，通过IM460-4和IM461-4接口模块进行通讯,其中主站PLC柜与MCC、变频器及电除尘器的高压硅整流电源控制装置均放置在干法除尘配电室内;而从站则设在转炉主控楼的PLC控制室，主要是控制蒸发冷却器和相应的输排灰等转炉车间内的LT设备。 
    4 系统的控制功能和特点 
    PLC系统为西门子S7-400系列可编程控制器，主CPU为S7-416-2DP，采用功能强大的STEP7 5.2软件包进行软件开发，以实现计算机对干法除尘系统的在线检测、控制、调节和诊断功能;监控机采用WINCC 6.0组态软件，用于编制生产过程流程图，显示设备运行状态，对烟气量、炉口压力、蒸发冷却器入口及出口温度等重要工艺参数作实时和历史趋势，故障报警，报表打印，进行数据设定和操作显示等，完成人机对话。 
    4.1 蒸发冷却器的喷水控制 
    当蒸发冷却器入口温度达到预定温度时,供水阀打开,双介质喷嘴同时喷出蒸汽和水,使水在排出时被雾化，所需要的喷水速度是由要在蒸发冷却器中降低的转炉烟气热含量来决定的，因此使用单位时间从热输入推算出来的水流量作为设定值，将实际喷水量作为控制器的输入进行比例控制，通过快速气动调节阀自动调节水，其喷水响应时间在4s左右;另外，考虑炉气的比热随着炉气成分和温度而变化的因素，针对蒸发冷却器出口温度设置一个温度控制回路，其输出信号用来改变单位时间的喷水量和计算的水流量之间的比例关系，对上一个比例控制器起到前馈控制的作用，使蒸发冷却器的出口温度控制在设定温度范围内。 
    4.2 转炉的烟气流量控制 
    为了适应炼钢工艺，将炼钢过程分为不吹氧、预热、开始吹氧、吹氧、吹氧结束、炉口清理等六个阶段，分别设定各阶段由轴流风机的变频器控制的烟气流量，根据该设定值和炉口压力来实现转炉烟气流量的控制。   
    将吹氧量与炉口压力控制器的输出信号相乘所得到的值，加到各阶段烟气流量设定的串级比例控制器上。如果吹氧速度发生变化，这种比例控制能够通过炉口压力控制器的输出信号，确保烟气的流速在相同的比例上立即得到适应。   
    炉况的变化以及炉气温度等所导致的余热锅炉中的压力变化通过压力控制器对吹氧速度和烟气流量之间的比例关系加以修正来进行补偿。测量的烟气流量根据标准的条件进行压力和温度校正。此外，将喷入蒸发冷却器的水蒸汽含量从校正后的烟气流量中扣除，使得受控变量能够代表标准条件下干态的烟气流量。   
    烟气流量控制器的输出信号经过变频器控制轴流风机的转速。   
    4.3 切换站的压差控制和钟形阀的位置控制   
    在炼钢过程中，气放散或回收是由CO的浓度条件来触发切换的，通过切换站的两个分别通往煤气柜和烟囱的钟形阀的开启来实现控制。   
    在放散转回收之前，首先通过烟囱钟形阀对风机下游的压力进行憋压，直到高于煤气柜一定的压力才能进行回收操作;当回收切换至放散时，也必须保持一个小的正压，以防止煤气从煤气柜倒流，因此针对这两种不同的切换方式，在程序中也必须由具有两个不同设定值的差压控制回路来控制切换过程，该控制器的输出信号控制烟囱钟形阀的开度调节，使煤气柜钟形阀前后的压差达到相应的设定值，从而保证煤气在正常切换或紧快速切换过程中均能实现无压力扰动切换。LT系统的烟气切换所需时间仅为8秒，如在作业过程中发生事故，烟气流可在3秒内被迅速地从通往煤气柜切换到通往的通道里。   
    5 结束语   
    莱钢3×120t转炉烟气干法除尘系统已于2004年七月运行投产，目前运行效果良好。与传统的湿式OG法相比，LT系统采用了先进的工艺和控制技术，在各种性能指标的对比上均有着明显的优势，干法系统较湿法省水省电，节省运行费用和多回收的煤气效益之和为1060万元，另外，干法除尘的外排粉尘含量6.6mg/Nm3，湿法除尘的外排粉尘含量100mg/Nm3，经济效益和环保效益均十分显著。   
    优化简洁的系统配置，具有自适应功能的控制软件，使得干法除尘系统的运行更加符合炼钢工艺的实际变化情况，充分发挥其除尘效率高、综合运行费用低、能源回收利用率高等优势，干法除尘可以部分或全部补偿转炉炼钢过程中的能耗，有望实现转炉低能炼钢或负能炼钢的目标，已成为今后的发展方向，将逐步在炼钢生产中得到应用和推广

PLC是产业自动化的基础平台。PLC应用系统设计的首要题目是工程选型与编程平台的架构设计。其次，PLC在解决自动化工程题目时首先面临输进系统的工程设计正确性题目。对于大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电磁阀的开闭，电机的起停，温度、压力、流量的设定,产品的计数与控制等，产业现场中的这些自动控制节点需要事先进行分门别类的工程分析与正确设计。 

2 PLC及编程系统的选型设计

在当今行业市场上PLC产品种类众多，除国产品牌以外，国外的品牌有:日本OMRON、HITACHI、FUJI、IDEC、松下、MITSUBISHI、德国的西门子，韩国的LG等等，如何公道选型PLC产品？
2.1通讯要求与I/O点数裕量

首先，应该确定系统用PLC单机控制还是用PLC形成网络，由此计算出输进、输出(I/O)点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上预留10%的余量。

2.2I/O负载分析

确定负载类型。根据PLC输出端所带负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或是晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式对系统的稳定运行是极为重要的。

2.3运行速度

执行速度。存储容量与指令的执行速度是PLC选型的重要指标，一般存储量越大、速度越快的PLC,其价格就越高，尽管国外各厂家产品大体相同，但也有一定区别。

2.4独立I/O公用端口(COM)编组规模

“COM”点的选择。不同的PLC产品，其“COM”端口的点的数目是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带1个或2个输出点。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1—2个输出点的产品，当负载种类少，数目多时，采用一个“COM”点带4—8个输出点产品。

2.5系统兼容

系统的兼容性。由于各生产厂家的开发软件不同，系统的兼容性也是选购时的重点，目前还没有发现完全兼容的产品，应根据系统公道地选用PLC产品。

2.6编程平台

编程器的选购。PLC编程可采取三种方式:一是用一般的手持式编程器。它只能用厂家出厂规定的语句表中的语句来编程,其优点是易于现场调试并且体积小、本钱低，但它的效率低，适应机种类型少，比较适用于系统容量小、用量少的系统中。二是图形编程器编程，这种方式采用图形方式编程，方便直观，一般电气职员短期就可以应用自如，但编程器价格较高。三是用IBM及其兼容个人计算机+PLC软件包编程，这种方式是效率*高的一种方式，也是*常用的一种方式，但大部分软件包价格昂贵。

2.7PLC制造商选择

尽量选用至公司的产品。由于至公司的产品，质量有**，且技术支持好，一般售后服务也较好，有利于以后产品的扩展与软、硬件升级。

3输进、输出回路的设计

3.1本体电源回路

PLC供电一般为AC85-240V(也有DC24V)，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件(如电源滤波器、1:1隔离变压器等)。

3.2外部I/O驱动电源

若输进回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上的DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源，但该电源的“一”端不要与PLC的DC24V电源的“一”以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。

3.3自备I/O驱动电源

各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时应留意容量，同时做好防短路措施(由于该电源的过载或短路将影响PLC的运行)。

3.4输进灵敏度

生产厂家对PLC的输进电压和电流都有规定，当输进元件的输进电流大于PLC的*大输进电流或有漏电流时，就会有误动作，降低灵敏度，所以应适用弱电流输进并对漏电流采取防护措施，并且选用输进为共漏型输进的PLC。两线式传感器(光电开关、无触点开关)有LED的限位开关时，输进漏电流会产生错误输进或灯亮，对策为连接泄放电阻降低输进阻抗。

对于晶体管或双向可控硅输出端，若接到一个较大冲击电流的设备上，就必须考虑负载保护。

3.5感性负载处理

在输进、输出端接感性负载时，要在负载两端并联一个冲击抑制器或续流二极管。

3.6 PLC外部驱动电路

对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路，可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路。另外PLC的输进输出布线也有一定要求，请参照各公司的使用说明书。需要特别指出，对于常见的AC220V感性小负载，例如交流接触器、交流线圈继电器、电磁阀等，尽管技术标称可能符合直接驱动规范，工程上尽对不主张PLC直接驱动的简约设计，应该通过中间继电器间接驱动。

4扩展模块的选用

对于小的系统，如80点以内的系统，一般不需要扩展;当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块数目都有限制，当扩展仍不能满足需要时，可采用网络结构。同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编程时要留意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请参阅相关技术手册。

5PLC通讯设计

当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先应选用自己比较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深进的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应实时要求，造成系统崩溃。另外对通讯接口、通讯协议、数据传送速度等也要进行必要地考虑。

*后，向PLC的厂家寻求网络设计和软件支持及具体技术资料，至于选用几层工作站，依照系统大小而定。

6软件程序编制

在编制软件前，应首先熟悉所选用的PLC产品说明书，待熟悉后再编程。若采用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可以减少出错，速度也快，编成完成后先空运转，待各个动作正常后，再在设备上进行调试。

7PLC应用中需要留意的题目

固然PLC是一种用于产业现场的自动化技术基础装备，可以直接在多数产业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输进并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要进步PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家进步设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决题目，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应留意以下题目