煉鋼路干法布袋除塵自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉 偉

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

在我國(guó)鋼鐵行業(yè)的環(huán)保技術(shù)中，比較成熟的除塵技術(shù)主要有干法布袋除塵、電除塵以及濕法壓迫洗滌除塵等，其中布袋除塵尤其適合應(yīng)用于鋼鐵廠上料、出鐵等場(chǎng)合，具有工作效率高、運(yùn)行成本低、工作安全、除塵效果好等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)的首選。但該除塵系統(tǒng)一直存在著控制工藝復(fù)雜、自動(dòng)化程度要求高等因素，采用傳統(tǒng)控制方式，已經(jīng)很難達(dá)到控制要求。

影響布袋除塵器性能的主要因素有清灰方式、濾料特性、過(guò)濾風(fēng)速、差壓、風(fēng)壓等，這些參數(shù)對(duì)干法布袋除塵器的結(jié)構(gòu)、性能以及使用壽命等起到了決定性的作用，本文將對(duì)工藝中的難點(diǎn)問(wèn)題及解決方案進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、科技智能化的除塵控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)概述

煉鋼路干法布袋除塵自動(dòng)化系統(tǒng)采用矩陣式脈沖閥控制，安全可靠、準(zhǔn)確快捷。根據(jù)干法除塵工藝要求，設(shè)計(jì)出定時(shí)、差壓、混合和遠(yuǎn)程手動(dòng)、自動(dòng)連鎖、就地操作六種清灰方式；通過(guò)復(fù)雜連鎖關(guān)系實(shí)現(xiàn)“一鍵卸灰”，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中控制、統(tǒng)一管理、規(guī)范操作、高效除塵，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等功能，解決了行業(yè)內(nèi)的布袋除塵控制難、過(guò)程復(fù)雜等難題，徹底改善了煉鋼路區(qū)域環(huán)境。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)硬件集成

系統(tǒng)采用施耐德M340系列PLC，CPU采用BMX P34 2020。DI/DO模塊采用16通道，AI/AO模塊使用8通道。采用專用的熱電阻RTD模塊并配套專用飛線連接，保證模擬量檢測(cè)精度和信號(hào)穩(wěn)定性。輸入輸出信號(hào)采用繼電器或安全柵進(jìn)行信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性的安全防爆處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2.2 軟件系統(tǒng)配置

本控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于win 7平臺(tái)，HMI軟件采用施耐德Vijeo Citect 7.2，PLC軟件采用Unity Pro XL。Vijeo Citect 支持完全的熱備組態(tài)，支持 Cicode 和 VBA 兩種腳本語(yǔ)言，提供完整的 I/O 設(shè)備冗余，可以指定主備設(shè)備，在主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)地切換到備機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，避免CPU停機(jī)導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PLC主站和從站之間采用專用擴(kuò)展機(jī)架套件及通訊電纜XBE 1000。外部網(wǎng)絡(luò)基于TCP/IP 通訊協(xié)議，通過(guò)光電交換機(jī)構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用單模光纖通訊，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換共享。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)分析和研究PLC控制系統(tǒng)對(duì)工藝控制中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題，最終設(shè)計(jì)出符合工藝要求、滿足生產(chǎn)需要、安全穩(wěn)定、科學(xué)創(chuàng)新的自動(dòng)化系統(tǒng)。

3.1 脈沖閥控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 傳統(tǒng)脈沖閥控制方案

一般的布袋除塵器脈沖閥是由邏輯順序控制元件和時(shí)間繼電器組成的，自動(dòng)化程度不高，可靠性低。焦線除塵系統(tǒng)有16個(gè)除塵箱，每個(gè)除塵箱有10個(gè)脈沖閥，即需要16×10=160個(gè)數(shù)字量輸出控制點(diǎn)，對(duì)所有的脈沖閥一一控制，輸出控制點(diǎn)數(shù)多且浪費(fèi)控制電纜，故障點(diǎn)增多，維護(hù)成本高，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

除塵過(guò)程中，如果不能準(zhǔn)確及時(shí)開(kāi)啟相應(yīng)的脈沖閥，將會(huì)對(duì)煙氣粉塵差壓影響較大，降低除塵效率。另外，不能準(zhǔn)確把握干法除塵各箱體噴吹清灰的頻率，也會(huì)影響除塵布袋的壽命。隨著對(duì)控制成本要求越來(lái)越高，此種方式已經(jīng)逐步被淘汰。

3.1.2 矩陣脈沖閥控制方案實(shí)現(xiàn)

針對(duì)傳統(tǒng)脈沖閥控制問(wèn)題，根據(jù)干法布袋除塵器的工作特點(diǎn)，160只脈沖閥同一時(shí)刻只有1只在工作，若將160只脈沖閥按清灰倉(cāng)分為16組，每組10個(gè)，便可搭建16×10的虛擬矩陣方式，將每個(gè)除塵器箱體各脈沖閥的位置關(guān)系一一確定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)脈沖閥的精確控制。

利用虛擬矩陣原理，設(shè)計(jì)出矩陣式脈沖閥控制電路(如圖2所示)。

圖2 矩陣式脈沖閥控制電路

圖2中脈沖電磁閥通過(guò)PLC的數(shù)字量輸出模塊驅(qū)動(dòng)。當(dāng)選擇1#倉(cāng)清灰時(shí)，驅(qū)動(dòng)Q0.0中間繼電器輸出，需要控制A-J 中其中任意一個(gè)脈沖閥時(shí)，只需驅(qū)動(dòng)該脈沖閥相對(duì)應(yīng)的中間繼電器。這樣只需(16+10)個(gè)PLC輸出點(diǎn)便完成了對(duì)160個(gè)脈沖電磁閥精確控制。

3.1.3 傳統(tǒng)與矩陣式脈沖閥控制方案成本比較

以焦線轉(zhuǎn)運(yùn)站除塵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，16個(gè)除塵箱體，每個(gè)箱體10個(gè)脈沖閥，平均每個(gè)脈沖閥到PLC控制模塊的距離為120 m，矩陣式與常規(guī)脈沖電磁閥控制參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)電磁閥控制與矩陣電磁閥控制參數(shù)對(duì)比表

3.2 清灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 清灰原理

除塵系統(tǒng)中，當(dāng)含塵氣體從進(jìn)氣總管進(jìn)入布袋除塵器后,首先與進(jìn)氣總管中的斜隔板相碰撞,氣流轉(zhuǎn)向流入灰斗,此時(shí)氣流擴(kuò)散,速度變慢,在慣性作用下,氣流中的粗顆粒粉塵直接落入灰斗底部,這種在線狀態(tài)是通過(guò)布袋對(duì)粗顆粒的初步過(guò)濾，起到預(yù)除塵作用，在線狀態(tài)時(shí)清灰原理如圖3(a)所示。

進(jìn)入灰斗的氣流折而向上,通過(guò)內(nèi)部裝有的袋籠濾袋,粉塵被捕集在濾袋的外表面；凈化后的氣體進(jìn)入收塵室上部的凈氣室,匯集到排氣總管排出。隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)，濾袋上的粉塵層不斷增厚，除塵設(shè)備的阻力不斷上升，當(dāng)設(shè)備阻力上升到設(shè)定值時(shí)，清灰裝置開(kāi)始進(jìn)行清灰。灰箱氣缸關(guān)閉，處于離線狀態(tài)，將過(guò)濾氣流截?cái)?，然后脈沖電磁閥開(kāi)啟，壓縮空氣以極短促的時(shí)間在上箱體內(nèi)迅速膨脹，涌入濾袋，使濾袋膨脹變形產(chǎn)生振動(dòng)，并在逆向氣流沖刷的作用下，附著在濾袋表面的粉塵被剝離落入灰斗中，離線狀態(tài)時(shí)清灰原理如圖3(b)所示。在線和離線除塵時(shí)，除塵布袋的受力及工作情況不同，除塵原理也不同，在線和離線狀態(tài)除塵布袋的截面圖如圖3(c)所示。

(a) 在線狀態(tài) (b) 離線狀態(tài) (c) 除塵布袋截面圖

圖3清灰原理

3.2.2 清灰方式

系統(tǒng)根據(jù)工藝需求，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)操作箱、遠(yuǎn)程手動(dòng)、單箱體自動(dòng)、差壓自動(dòng)循環(huán)、定時(shí)自動(dòng)循環(huán)、混合自動(dòng)循環(huán)六種清灰方式。下面著重介紹差壓、定時(shí)和混合自動(dòng)清灰方式如圖4所示。

圖4 清灰方式選擇及參數(shù)設(shè)置

3.2.2.1 差壓自動(dòng)循環(huán)清灰

差壓自動(dòng)循環(huán)清灰方式是全自動(dòng)清灰的一種，要求氣缸和脈沖閥處于遠(yuǎn)程狀態(tài)，設(shè)定脈沖閥噴吹時(shí)間、噴吹間隔時(shí)間、噴吹差壓、箱體停歇時(shí)間、清灰循環(huán)時(shí)間、清灰差壓設(shè)定等。差壓值設(shè)定為700 Pa、1 000 Pa、1 500 Pa分別對(duì)應(yīng)慢速清灰、正常清灰和快速清灰模式。

在差壓吹掃模式下，箱體差壓大于設(shè)定值時(shí)清灰系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)清灰，系統(tǒng)按照邏輯程序進(jìn)行吹掃清灰。以南頭焦線轉(zhuǎn)運(yùn)站為例，共2排16個(gè)清灰箱，清灰順序?yàn)?#箱—2#箱……16#箱依次進(jìn)行。本次過(guò)程結(jié)束后程序檢查當(dāng)時(shí)差壓值，如差壓值大于設(shè)定值時(shí)則繼續(xù)清灰，若差壓值小于設(shè)定值則停止清灰。

3.2.2.2 定時(shí)自動(dòng)循環(huán)清灰

定時(shí)自動(dòng)清灰和差壓自動(dòng)清灰類似，操作人員設(shè)定清灰循環(huán)間隔，由清灰系統(tǒng)定時(shí)自動(dòng)清灰。

3.2.2.3 混合自動(dòng)循環(huán)清灰

混合清灰的實(shí)質(zhì)是將差壓和定時(shí)清灰方式一起激活，無(wú)論除塵器當(dāng)前工況滿足哪一種清灰條件都將進(jìn)行清灰。

3.3 卸灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

3.3.1 卸灰流程

系統(tǒng)根據(jù)灰倉(cāng)料位進(jìn)行判斷，料位高報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行卸灰程序，進(jìn)行自動(dòng)卸灰控制，卸灰控制流程如圖5所示。

圖5 卸灰控制流程

3.3.2 卸灰控制

3.3.2.1 控制方式

卸灰控制方式分為就地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)、單箱體自動(dòng)、“一鍵卸灰”全自動(dòng)卸灰控制。這里著重介紹“一鍵卸灰”控制方式和全自動(dòng)卸灰控制。焦線轉(zhuǎn)運(yùn)站除塵系統(tǒng)控制畫面如圖6所示。

圖6 焦線轉(zhuǎn)運(yùn)站除塵系統(tǒng)控制畫面

3.3.3.2 “一鍵卸灰”啟動(dòng)控制

首先設(shè)定好卸灰閥運(yùn)行時(shí)間、箱體間隔時(shí)間、斗式提升機(jī)延時(shí)停止時(shí)間、刮板輸灰機(jī)延時(shí)停止時(shí)間等，作為連鎖條件需要根據(jù)工況條件設(shè)定。選擇“連鎖自動(dòng)”模式，點(diǎn)下“連鎖啟動(dòng)”啟動(dòng)卸灰系統(tǒng)。卸灰設(shè)備依次打開(kāi)斗式提升機(jī)、刮板輸灰機(jī)，啟動(dòng)1#螺旋輸灰機(jī)開(kāi)啟1#箱和9#箱卸灰，開(kāi)啟相應(yīng)的星型卸灰閥(1#和9#)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間到后關(guān)閉卸灰閥，延時(shí)10 s關(guān)閉氣動(dòng)球閥，關(guān)到位后延時(shí)20 s停止1#螺旋輸灰機(jī)，此時(shí)完成1#箱體和9#箱體的卸灰控制。箱體卸灰間隔時(shí)間計(jì)時(shí)到后開(kāi)始2#箱和10#箱的卸灰控制，邏輯順序同1#和9#箱。依次完成剩下箱體卸灰后，延時(shí)停刮板輸灰機(jī)和斗式提升機(jī)，完成整個(gè)卸灰控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守控制。

3.3.3.3 故障停車、智能等待

卸灰控制過(guò)程為順序啟動(dòng)、逆序停車。在卸灰過(guò)程中兩個(gè)箱體同時(shí)卸灰，其中一個(gè)卸灰故障時(shí)不能影響對(duì)應(yīng)箱體卸灰，要“智能等待”，等對(duì)應(yīng)箱體卸灰結(jié)束后，同時(shí)進(jìn)入下一對(duì)箱體卸灰，針對(duì)此情況程序設(shè)置以下連鎖關(guān)系：(1)如果氣動(dòng)球閥故障時(shí)，延時(shí)關(guān)閉星型卸灰閥；(2)當(dāng)本箱體星型卸灰閥故障時(shí)，立即關(guān)閉氣動(dòng)球閥，等待對(duì)應(yīng)箱體卸灰結(jié)束后，延時(shí)停止螺旋輸灰機(jī)；(3)如果本箱體螺旋輸灰機(jī)故障時(shí)，立即關(guān)閉兩個(gè)箱體的卸灰設(shè)備，同時(shí)進(jìn)入后續(xù)箱體卸灰工作；(4)如果刮板輸灰機(jī)故障時(shí)，立即停所有箱體的卸灰工作，延時(shí)停斗提；(5)如果斗提故障時(shí)，立即停止上游所有卸灰設(shè)備。

這樣復(fù)雜的連鎖關(guān)系，更好的保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)降低了操作人員的危險(xiǎn)系數(shù)和操作強(qiáng)度。

3.4 除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)門自動(dòng)調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)

干法布袋除塵系統(tǒng)核心動(dòng)力是除塵風(fēng)機(jī)，采用離心風(fēng)機(jī)，采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)門調(diào)節(jié)，分為就地手動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)等方式，操作人員根據(jù)工藝需求進(jìn)行選擇。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的風(fēng)機(jī)出口壓力值，利用PID高級(jí)算法自行調(diào)節(jié)風(fēng)門開(kāi)度，根據(jù)風(fēng)門位置反饋信號(hào)，分析判斷壓力設(shè)定值和實(shí)際值，不斷跟蹤調(diào)節(jié)縮小差值，始終保持風(fēng)機(jī)出口壓力保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)智能化控制、無(wú)人值守操作。

4 除塵自動(dòng)化系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 先進(jìn)性和實(shí)用性

根據(jù)工藝要求，科學(xué)的配置系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，加強(qiáng)了前后工序之間的有效聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守，提高生產(chǎn)效能和產(chǎn)品質(zhì)量，提升了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了大量的人力物力。

4.2 科學(xué)性和創(chuàng)新性

自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)、新科技層出不窮，本系統(tǒng)采用先進(jìn)技術(shù)、前沿科技，對(duì)落伍方式方法進(jìn)行革新，創(chuàng)新思維、精益求精，降本增效保安全。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC系統(tǒng)對(duì)煉鋼路干法布袋除塵系統(tǒng)的控制方式方法、控制過(guò)程中的難點(diǎn)和工藝控制理論重點(diǎn)進(jìn)行了研究和分析，并提出先進(jìn)的解決方案，具有安全穩(wěn)定、先進(jìn)科學(xué)、高效可靠等特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了布袋除塵控制系統(tǒng)的無(wú)人值守控制。

[1] 李志杰.基于PLC的煤氣除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù),2015，6(6):35-37.

[2] 鄒軍，張晶娜，李燕. PLC在轉(zhuǎn)爐煙氣干法除塵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].包鋼科技，2007,33(6):40-42.

[3] 夏悅，陳志鵬，熊盛濤，攀成鋼電爐煉鋼廠布袋除塵PLC控制系統(tǒng)[J] .冶金自動(dòng)化，2009，2(2):28-31.