西門子S7－300在煤氣加壓站中的應(yīng)用

97年太鋼引進的法國二十輥軋機、冷熱不銹帶鋼退火線、光亮線等新裝備，是擴大不銹鋼生產(chǎn)能力、發(fā)展民族工業(yè)、增強不銹鋼市場競爭能力，擴大不銹鋼市場占有份額的重要舉措。冷軋煤氣混合加壓站，是太鋼不銹帶鋼退火線的配套設(shè)施，有加壓機３臺，氣源為高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣；由于生產(chǎn)線工況不穩(wěn)而造成用量大幅度頻繁波動；同時由于氣源管網(wǎng)方面的狀況較差，高爐煤氣壓力波動范圍3～10Kpa，焦?fàn)t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(diào)節(jié)產(chǎn)生震蕩、用人工調(diào)節(jié)措手不及；經(jīng)常出現(xiàn)長時間的低壓，造成混壓困難，使得保壓力保不了熱值，保熱值保不了壓力，甚至造成高爐煤氣蝶閥關(guān)閉、機前負壓的險兆。不穩(wěn)的氣源、多變的用戶，使處于中間環(huán)節(jié)的冷軋煤氣混合加壓站成為矛盾的集中點和保障不銹鋼生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵。原設(shè)計的儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)根本無法滿足生產(chǎn)要求。
　　太鋼于1999年6月成立了項目攻關(guān)組，經(jīng)過幾個月的艱辛努力，采用先進的德國西門子SIMATICS7300PLC、德國UNI公司熱值儀、德國西門子變頻技術(shù)，投入了全過程自動控制，實現(xiàn)了混合煤氣熱值、加壓機后壓力雙穩(wěn)定的目標(biāo)，確保了不銹鋼的正常生產(chǎn)，節(jié)能效益非?？捎^。
　　1 系統(tǒng)概要
　　改造后的系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，僅調(diào)節(jié)閥就有九個，此外還要增加變頻器，由計算機控制切換調(diào)節(jié)三臺風(fēng)機轉(zhuǎn)速；增加熱值儀，串級調(diào)節(jié)高焦配比。采用德國西門子S7-300 PLC可編程控制 器和 臺灣研華IPC 610工控機構(gòu)成DCS系統(tǒng)。S7-300PLC可編程控制器作為下位來實現(xiàn)所有信號的采集、運算、調(diào)節(jié)，其特點是：模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布、運行可靠、性價比高。CP5611卡為 S7300PLC與工控機的通訊接口卡。RS485物理結(jié)構(gòu)和187.5K的波特率，傳輸距離可達50m，使用中繼器可達9100m。
　　2 控制原理
　　本系統(tǒng)含四個調(diào)節(jié)回路：
　　2.1 熱值調(diào)節(jié)
　　 熱值是用戶氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之一。
　　冷軋煤氣混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?fàn)t煤氣為輔氣，要求控制其兩道閥門,使高、焦配比約4：1，折合熱值1350大卡。
　　2.1.1 “高焦限幅”輔熱值
　　本回路為一串級、交叉限幅調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以熱值調(diào)節(jié)為主環(huán)，焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，加入了高焦煤氣流量單交叉限幅。焦?fàn)t煤氣流量的設(shè)定值不單單取決于熱值調(diào)節(jié)器輸出信號MV，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(yīng)配焦?fàn)t煤氣流量值，乘以1.05和0.95作為MV的上、下限幅值MH1、ML1。
　　該控制思想一則使焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)量不至于過大，從而使高焦配比值在小范圍內(nèi)波動；二則使主環(huán)調(diào)節(jié)器不至于產(chǎn)生調(diào)節(jié)飽和，加快了滯后較大的主環(huán)的動態(tài)響應(yīng)，改善了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
　　對熱值儀信號故障也有保護性，在實際的運行中，我們發(fā)現(xiàn)工人有時忘記了給熱值儀過濾器排水，使煤氣入口壓力太低，燃燒不夠，造成儀表信號顯示偏低很多，即使焦?fàn)t煤氣閥開到最大，也不可能把熱值調(diào)至“正常”，但此時熱值調(diào)節(jié)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?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，從而使焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)閥被約束在了一定的閥位，最終使混合煤氣熱值波動穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
　　2.1.2 “雙閥同控”避“瓶頸”
　　原設(shè)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(diào)節(jié)器，二閥閥位更加混亂,當(dāng)系統(tǒng)工況變化較大時，其中一閥就會成為調(diào)節(jié)的“瓶頸”；若采用雙調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，二閥各自進行動作，雖能使系統(tǒng)在某一閥位組合狀態(tài)下穩(wěn)定，但有可能造成二閥閥位相差太大，同樣可導(dǎo)致“瓶頸”的現(xiàn)象。
　　對此采用單臺調(diào)節(jié)器串調(diào)雙閥的控制方案，即在計算機中設(shè)置一臺軟調(diào)節(jié)器，其輸出信號給到兩臺手操器，同時帶動兩臺電動蝶閥。為防止二閥同時動作造成超調(diào)，將兩手操器內(nèi)的死區(qū)設(shè)置的有所差別，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出要求的閥位信號與實際閥位反饋信號出現(xiàn)偏差時，死區(qū)小的手操器（電動調(diào)節(jié)閥）首先動作，若偏差不大時，就能糾正過來；當(dāng)調(diào)節(jié)量不夠時，偏差增大，死區(qū)大的手操器（電動調(diào)節(jié)閥）也動作，加大調(diào)節(jié)力度，使系統(tǒng)迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)上。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差時，常會出現(xiàn)同時超出二者死區(qū)范圍的現(xiàn)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(qū)的電動調(diào)節(jié)閥停止動作，剩余的小偏差靠死區(qū)小的調(diào)節(jié)閥來進一步精調(diào)到位。
　　總之，本控制思想避免了上述兩種調(diào)節(jié)方法的弊端，使操作人員對兩個閥位“知其一即知其二”，無須高度緊張地頻繁操作，既提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)，又減少了工人勞動強度。
　　2.2 混壓調(diào)節(jié)
　　混壓調(diào)節(jié)表面上看來于用戶的要求“無關(guān)”，實際中卻扮演非常重要的角色，它既影響熱值、又影響加壓機后壓力?？梢哉f，混壓調(diào)節(jié)不好，則熱值調(diào)節(jié)、加壓機后壓力調(diào)節(jié)都無從談起。
　　2.2.1 “水漲船高”調(diào)混壓
　　本回路為一串級隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在控制回路中建立數(shù)學(xué)模型，煤氣混合壓力的設(shè)定值隨著高、焦氣源的壓力波動而自動計算設(shè)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(wěn)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(diào)整，保證了焦?fàn)t煤氣能夠按所需的量順利配入；從加壓機后壓力的穩(wěn)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(diào)節(jié)的干擾?；靿赫{(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器控制兩臺電動調(diào)節(jié)閥的方式，減少對機后出口壓力調(diào)節(jié)的干擾。
　　2.3 加壓機后壓力（變頻）調(diào)節(jié)
　　加壓機后壓力是用戶氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之二。
　　本回路為一定值單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其設(shè)定值為13.5Kpa,當(dāng)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(zhuǎn)速，以“變”求“穩(wěn)”。
　　在計算機和變頻器上都設(shè)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(shè)備安全、用戶正常生產(chǎn)的兩道防線。
　　2.4 加壓機后壓力（泄放）調(diào)節(jié)
　　 這是加壓機后壓力調(diào)節(jié)的另一手段。
　　本回路為一定值單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其設(shè)定值為14KPa，當(dāng)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(wěn)”。
　　2.4.1 變頻、泄放“雙管齊下”穩(wěn)壓力
　　通常，泄放調(diào)節(jié)器的設(shè)定值高于變頻調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，一般情況下，變頻器“全權(quán)負責(zé)”系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，而泄放閥處于關(guān)閉的“休閑”狀態(tài)。當(dāng)用戶突然大減量，造成出口壓驟然升高，變頻的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)。 泄放回路比例帶、積分時間都設(shè)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(wěn)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(shè)備安全。
　　在調(diào)節(jié)過程中，絕不會出現(xiàn)既保持加壓機轉(zhuǎn)速較高，又使泄放開啟一定高度的“穩(wěn)定平衡”狀態(tài)。――這就是將設(shè)定值設(shè)得不同的奧妙所在。
　　綜上所述,本系統(tǒng)在控制思想和軟件編制上有許多新穎的特點：
　　(1)小偏差小動作、大偏差大動作，既加快了響應(yīng)速度，又提高了調(diào)節(jié)精度。
　　(2)兩閥在調(diào)節(jié)過程中，不會造成“瓶頸”現(xiàn)象。閥位死區(qū)大的南閥閥位“階 段”性地跟蹤死區(qū)小的北閥閥位。當(dāng)偏差產(chǎn)生時，北閥“有錯必糾”，南閥對北閥在調(diào)節(jié)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(diào)一把”（當(dāng)北閥閥位調(diào)到一定開度時效果就不顯著了，此時取決于南閥的開度）。
　　(3)不怕“死機”、掉電保變頻
　　軟件多次調(diào)試后，尋找出一種方法，使得無論主機死機或PLC死機，或二者中任一掉電，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(chǎn)。
　　 (4)簡單可靠易“倒機”
　　通過軟件的巧妙設(shè)計，使加壓機的切換變得非常簡單：將變頻器輸出頻率下調(diào)為零，此時原運行的加壓機處于停止?fàn)顟B(tài)，電流很小，可拉掉其刀開關(guān)，并馬上再合上另一臺備用加壓機的刀開關(guān)，因變頻器未停，3～4分鐘即可調(diào)頻加速到工作狀態(tài)。當(dāng)然二者切換期間，需關(guān)照冷軋關(guān)小燒嘴。
　　3 系統(tǒng)軟件
　　控制系統(tǒng)在WIN98環(huán)境下運行，組態(tài)軟件為STEP7 V5.0及Kingview5.0。
　　系統(tǒng)利用組態(tài)軟件Kingview5.0的驅(qū)動程序與下位S7-300PLC進行 數(shù)據(jù)通訊， 包括數(shù)據(jù) 采集和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令；下位S7-300PLC則通過 MPI卡與 上位計算機交換數(shù)據(jù)，每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運行。
　　4 系統(tǒng)畫面
　　系統(tǒng)監(jiān)控操作畫面多達20多屏，包括：方便工人操作的監(jiān)控畫面和為軟件工程師提供接口的整定畫面；形象直觀的模擬畫面；易于統(tǒng)計抄表的參數(shù)畫面；便于追查事故原因的歷史趨勢畫面；提供技術(shù)分析信息的實時曲線畫面等等。
　　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(shù)據(jù)、曲線、功能鍵，顯示內(nèi)容豐富鮮明、操作簡捷可靠。系統(tǒng)中畫面的組態(tài)編制有很多新穎之處，其中模擬畫面中九個調(diào)節(jié)閥的閥位均可以從畫面中翻板示意的角度來得知，并在閥旁邊給出了三位有效數(shù)字（一位小數(shù)）的百分開度，形象、準(zhǔn)確地反映了現(xiàn)場閥門的實際開度，使操作人員感到熟悉親切；系統(tǒng)共有三臺加壓機，通常開１備２，為了準(zhǔn)確反映各加壓機的運轉(zhuǎn)情況，該畫面中設(shè)置了加壓機動態(tài)旋轉(zhuǎn)葉片，運轉(zhuǎn)的加壓機其葉片在旋轉(zhuǎn)，備用的加壓機無葉片顯示，故操作人員可以清晰明了的看到三臺加壓機的開備情況；因加壓機的轉(zhuǎn)速與變頻頻率成正比，所以加壓機中的旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)速隨變頻器的頻率大小而改變，頻率大時，旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速大；頻率小時，旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速小，動態(tài)顯示十分逼真；在整個系統(tǒng)管網(wǎng)的各個控制點均有相應(yīng)的采集數(shù)字顯示，真實的反映了各個控制點的瞬時值，總之，畫面中三大管道走向明了，主體設(shè)備位置確切，工作狀態(tài)形象生動，各種參數(shù)“就地顯示”，整個系統(tǒng)運行工況集于一屏，一目了然，實為操作員、技術(shù)員所喜愛的主畫面之一。
　　工程師畫面：為軟件工程師提供了進行系統(tǒng)整定的良好界面，是工程師在調(diào)節(jié)中進行參數(shù)修改和設(shè)定的重要環(huán)境，也是自控系統(tǒng)的核心。
　　5 結(jié)束語
　　該系統(tǒng)自投運以來，在生產(chǎn)正常的情況下，熱值穩(wěn)定在6.0左右、壓力穩(wěn)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(guān)閉的狀態(tài)，大大減少了泄放煤氣量和凈焦煤氣量，達到了預(yù)期的安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗的目的。系統(tǒng)的控制思路和方法十分新穎、獨特，是太鋼乃至全國各大鋼廠均未采用過，這些獨特的控制方法為所有鋼廠的煤氣混合加壓站提供了新思路，也為節(jié)能、降耗的實現(xiàn)樹立了榜樣。