西门子PLC模块6ES7317-2FK14-0AB0型号规格
1 引言
焦炉集气管压力、鼓风机前吸力是焦化生产工艺上需要控制好的两个重要参数。其中集气管压力直接影响焦炭的质量、炉体寿命、焦化化产品回收率、能源消耗和环境污染等，而风机前吸力则是整个焦炉和化产回收系统能否在设计工艺条件下运行的关键参数。
2005年，我厂在原有两座4.3-80型顶装焦炉的基础上增建了一座60孔jndk43-03f型复热式、单集气管捣固焦炉，组成了共五根集气管，同用一套鼓冷系统的生产体系。复杂的工艺使各集气管压力自动调节相互间耦合现象严重，造成各集气管压力难以稳定，机前吸力也难以控制，原设计的集气管压力和机前吸力自动控制系统事实上难以完全满足新的生产工艺需要，并造成三座炉子冒烟冒火现象非常严重，直接影响了焦炉的正常生产以及生产环境。为此，我厂对焦炉集气管压力调节系统进行了优化改进。
2 原控制系统分析
在3#焦炉投产初期，原1#、2#焦炉集气管压力调节分别由数字调节器、压力变送器等仪表组成单回路控制系统来控制各自的集气管的压力，而3#炉是由交换机控制室的西门子s7-300plc计算机控制系统组成单回路控制系统分别控制a、b两根集气管压力。机前吸力则由鼓风机控制室西门子pcs7控制系统，通过鼓风机转速的自动调节达到控制机前吸力的目的。
2.1 原控制系统工作原理
(1)集气管压力调控。1#、2#焦炉现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4～20madc电信号，送到数字调节器进行pid运算处理，再根据当前压力值同内部给定值的偏差大小，从而输出相应的4～20madc电信号给电动执行机构，控制阀门的开关，达到压力控制的目的。3#焦炉则将现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4～20madc电信号送到模块转换成数字信号后再送至plc进行运算处理，再输出相应的4～20madc电信号给集气管a、b的电动执行机构，达到集气压力控制的目的。
(2)鼓风机前吸力调控。根据转速越大，吸力越大，转速越小，吸力越小的控制规律，风机前吸力变送器检测出的初冷器前吸力信号转换为4～20madc电信号，送到模块处理后再送至plc进行运算处理，plc再根据上位机的判断确定当前压力值同内部给定值的偏差大小，从而发出相应的指令通过模块输出信号给电动执行机构，控制风机转速，从而实现风机前吸力的控制。
2.2 系统存在问题
(1)焦炉耦合。集气管系统包括四个集气管管段的压力控制，四个集气管压力控制之间由于管道互通，存在非常强的耦合效应，导致各个集气管压力的调节相互干扰，互相激励，难以稳定。
(2)推焦、装煤、喷洒高压氨水等强扰动。推焦、装煤，尤其是喷洒高压氨水，引起集气管压力大幅度波动，由于焦炉间的耦合效应，诱发整个集气管压力很长时间难以稳定下来，由此引起炭化室压力偏高或者偏低，出现冒烟冒火或者负压等情况。
(3)焦炉换向。焦炉换向期间，焦炉停止加热。在使用焦炉煤气加热的情况下，回炉煤气量减少，使得机后压力改变，进而改变风机的吸气量，影响集气管压力，成为“诱发”集气管压力不稳定的根源之一。
(4)焦炉产气量波动。每座焦炉在结焦的不同阶段产生的荒煤气的量是变化的，对于同一座焦炉，不同的结焦周期下单位时间内产生的荒煤气的量也是不同的。任何一座焦炉荒煤气发生量的变化在改变自身集气管压力的将改变整个集气管系统内各点压力。
(5)初冷器和管道阻力变化。荒煤气中部分杂质会粘凝在初冷器和煤气管道内，实际的煤气流通截面面积相应变化，导致阻力变化，风机的实际吸气量改变，进而影响集气管压力。这种阻力的变化也影响风机与集气管压力之间的动态特性。阻力越大，集气管压力对风机吸力越不灵敏。
(6)风机转速的问题。由于临界转速与设计转速不符，当风机转速达到2000转/分或小于1500转/分时，风机就会发生异常声音，加上集气管压力的不稳定，在自动调节吸力时，可能将风机转速调至过大，以致风机油温升高而烧坏鼓风机。
因为上述原因造成1#、2#、3#焦炉集气管压力波动极大，焦炉浓烟滚滚，大火冲天，严重影响周边环境，并导致一度停产。
3 改进方案
为满足工艺要求，我们针对原控制系统设计的不足进行了一系列改进。
3.1 次改进
因为稳定的机前吸力是保证对集气管压力进行稳定调节的前提，在3#焦炉投产初期，针对自动调节风机转速仍难以把握鼓风机前吸力大小的现象，我们利用液力偶合器，通过盘装电动操作器手动调节翻板开关来控制、调节风机转速，以达到稳定控制吸力的大小。
次改进后系统工作原理如图1所示。
图1 机前吸力调节系统框图
次改进后确实稳定了机前吸力，并在一定程度上满足了工艺对压力的要求。但人工调节又无法满足工艺方面压力必须稳定均衡的要求，并且耦合现象仍然存在，各集气管压力还难以稳定。
3.2 第二次改进
为解决上述问题，2007年我们将集气管压力控制系统改用智能协调系统。该系统是一种**的控制手段，可解决传统控制方法无法解决的复杂生产过程的控制问题；实现更加优化的控制目标；满足更加苛刻的生产约束条件，如图2所示。
图2 工作原理图
(1)系统构成及工作原理。该系统主要由工业控制计算机，液力偶合器，电动执行器，传感器等构成。由工控机对系统进行实时监控，通过采集到的集气管压力，执行器状态，影响集气管压力波动的信号等参数，经工控机运算处理后，将控制信号送执行器执行——稳定集气管压力。其控制过程是：以一台工业控制计算机构成控制系统的核心,将集气管压力,碟阀开度,机前吸力，机后压力，风机转速等信号接入控制系统，控制系统根据设定的集气管压力对碟阀开度进pid控制——当实际压力高于设定压力时开阀：当实际压力低于设定压力时关阀。当碟阀关到一定程度(该值可以设定)集气管压力仍有低于设定压力的趋势时，控制系统将发出降低鼓风机转速的控制信号，以减小吸力，则**转速，增加吸力。若鼓风机的转速已降到接近临界转速，集气管压力仍低于设定压力(碟阀仍关到低值)时，为避免鼓风机共振，此时控制系统将不再将低鼓风机转速，而通过语音报警通知操作工进行相应的手动调节。若煤气用户的用气量减小(机后压力增高)，导致机前吸力降低而前述方法不能调节时，控制系统可自动打开煤气放散阀或向煤气气柜输气管的调节阀(并可发出语音报警)以提示操作工手动。
系统通过获得影响集气管压力信号，可对放散阀(或输气阀)等进行提前调节，以保证集气管压力的稳定。
通过鼓风机转速的调节，可使集气管碟阀角度在设定的范围内——保证足够的阻力参数，增加调节的灵敏度。终系统将稳定在至少有一碟阀处于开度大的状态下，以尽量减小系统的阻力，即大限度地节省电能。
由于在正常生产中，鼓风机机前(气液分离器，初冷器等)设备的阻力变化，为了保证生产的安全，设置鼓风机机前吸力上限指标——当机前吸力达到我们设定的上限时，不管集气管压力如何，鼓风机都将逐渐减速以使机前吸力恢复到安全值。
每座焦炉都增设一个控制器——这样，当协调控制系统出现故障时可由上升管工在现场手动控制，直至控制系统被修复为止。
(2)集气管压力智能协调控制系统主要功能有：稳定集气管压力，满足炼焦生产要求；采集炼焦、鼓风、化产数据，自动分析运行工况；动态调整系统运行参数；协调焦炉上升管翻板、初冷器前吸力、风机；克服推焦、装煤、喷洒高压氨水等强干扰；降低设备损耗；降低生产能耗；降低人工劳动强度，**系统运行可靠性。智能协调控制操作画面如图3所示。
图3 智能协调控制操作画面
4 应用效果
经过上述改造后，系统控制不仅满足了新的工艺要求，还产生了良好的效益。稳定了集气管压力，在正常生产工艺条件下，集气管压力90％以上的时间控制在压力设定值不大于±10～20pa范围内，满足了新的工艺要求。控制灵敏。若由于装煤，高压氨水等干扰因素使集气管压力超标时，将在30秒内调回，各个分集气管压力控制具有良好的设定值跟踪能力，设定值可在线修改，在强干扰的情况下35秒内恢复正常。减少了集气管压力电动执行机构动作频率，避免执行机构过热，**了可靠性，降低了磨损；在焦炉数量增减(如因某座焦炉集气管压力调节翻板暂时损坏的情况)集气管压力控制系统要对其余焦炉继续实施有效控制，在恢复正常后，可以无扰动地将其纳入控制系统。在提供新的集气管压力控制方式的保留常规控制方式，二者可以平稳、快捷的切换，对生产没有扰动。实现了风机转速的计算机自动调节，并具有主要参数高／低限报警功能。
1 引言
石灰是炼钢重要辅助原料之一，炼钢生产需要优质、活性度高的治金石灰。气烧石灰竖窑是以煤气为主要燃料的一种窑形，石灰的焙烧对温度要求较为严格，入炉煤气**和热值均要求保持均衡稳定。在钢铁企业里，存在着高炉、焦炉、转炉多种煤气，其成份和热值均有较大的差别，如何及时掌握入炉煤气成份、热值,以便实时调节炉况，对于气烧石灰生产而言就显得极为重要。
2 系统设计
三钢矿山公司1-7#气烧窑均由一总管供应煤气，经加压机加压后，分送至各座气烧窑，其总管前端所用气源既有高炉煤气，又有转炉煤气，焦炉煤气，煤气成份热值随各种煤气配入量的不同而大幅波动，以往纯靠司炉工观察火色来指导操作，生产调控极为困难。为解决煤气成份热值波动无法实时掌握的难题，根据现场具体工艺要求，三钢矿山公司1-7#气烧窑在煤气总管上安装取样探头，采用zd101-64煤气成份在线分析系统，来实时跟踪分析co、ch4、h2的含量，并与1-7#气烧窑plc系统联网通讯，实现检测自动化，入炉热值积算,自动化,系统其有外控运行和自动化运行两种状态,在分析状态下具备了完善上、下限控制、报警及曲线记录功能。
2.1 配置与总体设计
(1) 分析单元
气体分析仪采用德国abbel3000，分析精度±1%fs，线性度≤±0.5%fs，零点漂移<0.5%fs/months。
(2) 免维护取样探头
采用南京智达公司自主研制的探头，专利号zl00220707.9。
(3) 取样预处理系统
包含高精度复合硫过滤器、报警监视过滤器、抽气泵(knf)/冷凝气、自动排液式气液分离器组。
(4) 反吹系统
包含以下部分：大**防腐电磁阀组(ckd)、气源净化器组、超低声能自清灰装置、自动试漏装置等。
(5) 控制中心
采用西门子s7-300系统，软件采用step7v5.3，工控机采用台湾研华，界面软件采用wincc6.0。
(6) 标准气(连铝合金钢瓶、气体减压阀)。
控制系统如附图所示。
附图 控制系统
关键技术措施
(1)煤气中粉尘含尘量大的防堵措施。回收煤气虽经多方处理，煤气中粉尘含量仍然很大，粉尘粒度分布中，密度大而粘，细尘较多，这对于取样分析是十分恶劣和困难的情况。气体的成份分析,预处理是关键。以往取样探头前级过滤器承受恶劣的环境也易堵，这一现象是由于传统的过滤器采用钢性表面微孔过滤原理造成的。钢性表面微孔过滤器只靠表面积过滤，介质间隙很小，分析时大量烟尘阻挡过滤器的表面，易造成堵塞。一部分灰尘进入微孔，也有硫化物以气态和雾状进入微孔，在内部结成固体，在反吹时，间隙内的烟尘和结晶物无法清除，造成堵塞。解决这一问题必须从过滤原理上来找方法。现场采用的大容量介质过滤器，以保证分析精度，**过滤效率，不仅靠表面积过滤，还利用本身容积进行过滤，容尘量大，反吹时间隙变大，使清灰率大大增加，长期使用不堵塞。
(2)复合能量反吹系统。任何取样系统，必须经过反吹的步骤，一般情况下，采用的是脉冲气流反吹，单一的脉冲气流反吹达不到很好的清灰效率，反吹不彻底反而会导致余留在过滤器内的灰尘累积而堵塞。本系统采用了脉冲气流压力能、机械振动能和内置在过滤器内的次声能三种能量复合反吹，能有效滤除过滤器死角的灰尘板结现象，保证过滤器的长期使用不需要维护。
(3)完善的系统安全技术。系统采用原装进口高性能的siemense plc，具备自动生产反吹故障识别，超限报警、与生产过程连锁控制、安全连锁等控制功能，所有输入输出开关量控制信号和报警信号均为无源点信号。保证系统的安全运行，并在出现故障后及时帮助操作人员找出故障点，恢复系统的生产。
(4)控制与输出。系统具有全中文图形显示界面，可显示参数列表、曲线、棒状图、历史数据、报表自动生成等，在分析站只要轻轻点击，所有煤气成份数据一目了然，为确保系统安全运行，系统设置了完善超限报警，事故报警，通过设定必要的量，来实时调控各种成份煤气配入管仪表阀，来控制煤气热值，保持相对稳定，以确保石灰竖窑生产的均衡稳定。
系统还通过数据输出接口成功实现了与1#-7#气烧窑plc系统，dcs系统的对接，成功实现数据资源共享，并实现了各plc，dcs操作员站入炉煤气热值自动在线累积，为控制降低吨灰热耗提供了有力的指导。
3 结束语
本套系统自从投运后，至今一直运行良好，其系统**一直正常，稳定，取样探头没有堵塞，一次都没有维护，系统分析仪每三个月校对一次，其零点漂移、量程漂移均在0.4%以内，整个系统响应速度相当快，实时分析出来的煤气成份及其历史曲线，有力地指导了生产，为窑炉实时控制与调节提供了有力的依据，自系统投运以来，石灰质量稳步攀升，有力支持了炼钢生产，带来可观的经济效益