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西門子S7-300 PLC在太鋼煤氣加壓站中的應用

西門子S7-300 PLC在太鋼煤氣加壓站中的應用

1997年太鋼引進的按國二十輥軋機、冷熱不銹帶鋼退火線、光亮線等新裝備,是以擴大不銹鋼生產能力。冷軋煤氣混合加壓站,是太鋼不銹帶鋼退火線的配套設施,有加壓機3臺,氣源為高爐煤氣、焦爐煤氣。由于生產線工況不穩而造成用量大幅度頻繁波動;同時由于氣源管網方面的狀況較差,高爐煤氣壓力波動范圍3—10kPa,焦爐煤氣壓力波動范圍1.5。6.5kPa;其波動有時頻率很快,僅靠儀表調節產生震蕩,無法通過人工調節;經常出現長時間的低壓,造成混壓困難,甚至造成高爐煤氣蝶閥關閉、機前負壓的險兆。
太鋼于1999年6月采用了西門子SIMATICS7—300PLC、德國UNI公司熱值儀、西門子變頻技術等進行全過程自動控制改造,實現了混合煤氣熱值、加壓機后壓力雙穩定的目標,確保了不銹鋼的正常生產,節能效益非??捎^。

1 系統概要
改造后的系統構成復雜,僅調節閥就有九個,此外還要增加變頻器,由計算機控制切換調節3臺風機轉速;增加熱值儀,串級調節高焦配比。采用西門子S7—300PLC和研華IPC 610工控機構成DCS系統。S7—300PLC作為下位機來實現所有信號的采集、運算、調節,其特點是:模塊化、無排風結構、易于實現分散、運行可靠、性價比高。CP5611卡為S7—300PLC與工控機的通訊接口卡,具有RS485接口和87.5kbps的通信速率,傳輸距離可達50m,使用中繼器可達9100m。

2 控制原理
本系統含四個調節回路:
2.1熱值調節
熱值是用戶氣源的主要質量指標之一。
冷軋煤氣7昆合加壓站以高爐煤氣為主氣,它不可控制,取決于用戶用量;焦爐煤氣為輔氣,要求控制其兩道閥門,使高、焦配比約4:1。
2.1.1“高焦限幅”輔熱值
本回路為一串級、交叉限幅調節系統。以熱值調節為主環,焦爐煤氣流量調節為副環,加入了高焦煤氣流量單交叉限幅。焦爐煤氣流量的設定值不單單取決于熱值調節器輸出信號,而且受到高爐煤氣流量的瞬時值的限制,即按高、焦理論配比值求出應配焦爐煤氣流量值,乘以1.05和0.95作為輸出信號的上、下限幅值。
該控制思想一則使焦爐煤氣流量調節器的調節量不至于過大,從而使高焦配比值在小范圍內波動;二則使主環調節器不至于產生調節飽和,加快了滯后較大的主環的動態響應,改善了系統的調節品質。
對熱值儀信號故障也有保護性,在實際的運行中,我們發現工人有時忘記了給熱值儀過濾器排水,使煤氣人口壓力太低,燃燒不夠,造成儀表信號顯示偏低很多,即使焦爐煤氣閥開到最大,也不可能把熱值調至“正常”,但此時熱值調節器輸出信號受到高爐煤氣流量的交叉限幅,故在此三個信號中,最終以上限值為焦爐煤氣流量調節器的設定值,從而使焦爐煤氣流量調節閥被約束在了一定的閥位,最終使混合煤氣熱值波動穩定在一定范圍內。
2.1.2“雙閥同控”避“瓶頸”
原設計一閥自動、另一閥手動,實際上兩閥都在手動方式,因而常常顧此失彼,致使南、北閥位相差太大;若采用兩路單獨的調節器,二閥閥位更加混亂,當系統工況變化較大時,其中一閥就會成為調節的“瓶頸”;若采用雙調節器進行調節,二閥各自進行動作,雖能使系統在某一閥位組合狀態下穩定,但有可能造成二閥閥位相差太大,同樣可導致“瓶頸”的現象。
對此采用單臺調節器串調雙閥的控制方案,即在計算機中設置一臺軟調節器,其輸出信號給到2臺手操器,同時帶動2臺電動蝶閥。為防止二閥同時動作造成超調,將2臺手操器內的死區設置的有所差別,當調節器輸出要求的閥位信號與實際閥位反饋信號出現偏差時,死區小的手操器(電動調節閥)首先動作,若偏差不大時,就能糾正過來;當調節量不夠時,偏差增大,死區大的手操器(電動調節閥)也動作,加大調節力度,使系統迅速回到穩定狀態上。當系統出現較大偏差時,常會出現同時超出二者死區范圍的現象,則二閥一同動作,使偏差迅速減小到一定范圍,此時大死區的電動調節閥停止動作,剩余的小偏差靠死區小的調節閥來進一步精調到位。
2.2混壓調節
混壓調節在實際中既影響熱值、又影響加壓機后壓力。所以,混壓調節不好,則熱值調節、加壓機后壓力調節都無從談起。本回路為一串級隨動調節系統,在控制回路中建立數學模型,煤氣混合壓力的設定值隨著高、焦氣源的壓力波動而自動計算設定,同時又加以上下限幅,使工藝操作變得更加合理。從熱值的穩定方面來看,機前混壓能夠隨高、焦煤氣壓力波動而適時適度地調整,保證了焦爐煤氣能夠按所需的量順利配人;從加壓機后壓力的穩定方面來看,機前壓力變化范圍不至于太寬,減少了對加壓機后出口壓力調節的干擾。
混壓調節就是控制高爐煤氣的兩道閥門。為了避免“瓶頸”,同樣如上所述,也采用了一臺軟調節器控制2臺電動調節閥的方式,減少對機后出口壓力調節的干擾。
2.3加壓機后壓力(變頻)調節
加壓機后壓力是用戶氣源的主要質量指標之一,本回路為一定值單回路調節系統。其設定值為3.5kPa,當加壓機后出口壓力升高/降低時,增大/減小變頻器的輸出頻率。從而改變加壓機的轉速,以“變”求“穩”。在計算機和變頻器上都設置了最低運行頻率,從而保證出口壓不至于太低,也保證了自帶油泵能夠給出足夠的油壓油量,以免燒壞軸瓦。這兩個頻率運行下限是保證加壓機設備安全、用戶正常生產的兩道防線。
2.4加壓機后壓力(泄放)調節
這是加壓機后壓力調節的另一手段。本回路為一定值單回路調節系統,其設定值為14kPa,當加壓機后出口壓力升高/降低時,增大/減小泄壓閥的開度,以“泄”求“穩”。
2.4.1變頻、泄放“雙管齊下”穩壓力
通常,泄放調節器的設定值高于變頻調節器的設定值,一般情況下,變頻器負責系統全部的調節,而泄放閥處于關閉的“休閑”狀態。當用戶突然大減量,造成出口壓驟然升高,變頻的調節速度不足以使出口壓迅速降下來時(即出口壓超過14kPa),泄放回路立即參與調節。泄放回路比例帶、積分時間都設得很小,因而,動作很快,與變頻“雙管齊下”,可使壓力迅速降下來,保證了用戶氣源壓力穩定,避免了以前類似情況下加壓機進入喘振的可能,保障了設備安全。在調節過程中,絕不會出現既保持加壓機轉速較高,又使泄放開啟一定高度的“穩定平衡”狀態。

綜上所述,本系統在控制思想和軟件編制上有如下的特點:
(1)小偏差小動作、大偏差大動作,既加決了響應速度,又提高了調節精度。
(2)兩閥在調節過程中,”不會造成“瓶頸”現象。閥位死區大的南閥閥位“階段”性地跟蹤死區小的北閥閥位。當偏差產生時,北閥“有錯必糾”,南閥對北閥在調節中所累計的閥位變化不會坐視不管,而是“該出手時就出手”,大力度地“調一把”(當北閥閥位調到一定開度時效果就不顯著了,此時取決于南閥的開度)。
(3)死機情況下、變頻器仍然能保證運行。無論主機從機中任一掉電,或二者都掉電,變頻器都運行在其保護下限頻率上,加壓機不會停機,保證了用戶的正常生產。
(4)簡單可靠易“倒機”。通過軟件的巧妙設計,使加壓機的切換變得非常簡單:將變頻器輸出頻率下調為零、此時原運行的加壓機處于停止狀態,電流很小,可拉掉其刀開關,并馬上再合上另一臺備用加壓機的刀開關,因變頻器末停,3—4分鐘即可調頻加速到工作狀態。當然二者切換期間,需關照冷軋關小燒嘴。
控制系統在WIN98環境下運行,組態軟件為STEP7V5.0及Kingview5.0。系統利用組態軟件Kingview5.0的驅動程序與下位S7—300PLC進行數據通訊,包括數據采集和發送數據/指令;下位S7·300PLC則通過MPI卡與上位計算機交換數據,每一個驅動程序都是一個公共對象,這種方式使通訊程序和組態軟件構成一個完整的系統,保證了系統高效率地運行。

3 系統畫面
系統畫面分為兩大類:操作員畫面、工程師畫面。
操作員畫面:向操作人員提供了各種數據、曲線、功能鍵,顯示內容豐富鮮明、操作簡捷可靠。工程師畫面:工程師在調節中進行參數修改和設定的重要環境,也是自控系統的核心。

4 結束語
該系統自投運以來,在生產正常的情況下,熱值穩定在6.0左右,壓力穩定在13.5kPa左右,完全滿足了用戶的要求,同時變頻運行于30—40Hz左右,泄放閥一般處于關閉的狀態,大大減少了泄放煤氣量和凈焦煤氣量,達到了預期的安全生產、提高產品質量、節能降耗的目的。
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