高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)自動控制方案研究

原慶軍

（武漢都市環(huán)保工程技術股份有限公司，湖北武漢 430205）

前言

軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)作為高爐主循環(huán)水系統(tǒng)的主要組成部分，承擔著冷卻高爐爐體溫度的關鍵任務，其運行的可靠性和有效性直接關系著高爐的使用壽命。一旦軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題，將嚴重威脅到整個高爐的生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此不斷改進該系統(tǒng)的控制方法，提高高爐供水可靠性是我們的重要任務。

將PLC控制技術應用到軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中，利用PLC控制系統(tǒng)程序簡便易懂、運行可靠性高、維護方便以及監(jiān)控畫面清晰易懂、便于操作等優(yōu)點，可以極大提高系統(tǒng)運行的可靠性。

本文結(jié)合在方大特鋼新2#高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試工作，總結(jié)了在高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中的連鎖控制方案，包括各個供水泵組的備用自投控制以及高爐本體膨脹罐液位壓力連鎖等。

1 軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)工藝流程簡介

方大特鋼新2#高爐的軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)包括供水泵組（包括軟水補水泵組、主供水泵組、中壓泵組、高壓泵組等）、冷卻設備、膨脹罐、脫氣罐、蒸冷器組和風口管閥。

軟水補水泵組包括并聯(lián)的兩臺軟水補水泵和一臺補水柴油機泵。軟水補水泵組輸出端分為兩路，一路通過補水氣動閥與蒸冷器組相連，一路直接連接風口小套；輸入端通過軟水池與外部軟水管道相連。

主供水泵組包括并聯(lián)的三臺主供水電動泵和一臺主供水柴油機泵。主供水泵還并聯(lián)有主泵旁通閥。

中壓泵組和高壓泵組分別包括兩臺并聯(lián)的電動泵。中壓泵組和高壓泵組之間也為并聯(lián)關系，并在輸出端通過中高壓泵組旁通閥相連。

冷卻設備包括爐底冷卻壁直管及蛇形管。

風口管閥包括風口小套、風口中套、直吹管、熱風閥。風口小套連接在高壓泵組和脫氣罐之間；風口中套、直吹管和熱風閥連接在中壓泵組和脫氣罐之間。

圖1 軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)主工藝流程圖

系統(tǒng)的主工藝流程如下：高爐本體、熱風爐用后的軟水回水利用余壓流入蒸發(fā)冷卻器冷卻，冷卻后的軟水進入主供水泵吸水管，主供水泵組將冷卻后的軟水送至冷卻壁供水環(huán)管，一部分水冷卻冷卻壁直冷管，一部分水先經(jīng)過爐底再冷卻冷卻壁蛇型管，兩部分回水回至冷卻壁回水集管；回水中的一部分經(jīng)高壓增壓泵組加壓供風口小套冷卻，一部分經(jīng)中壓增壓泵組加壓供風口中套、直吹管及熱風閥冷卻，其余回水采用旁通，三部分回水均進入脫氣罐脫氣后，再經(jīng)回水總管進入蒸冷器，經(jīng)冷卻后循環(huán)使用。在整個運行過程中系統(tǒng)是密閉循環(huán)的，水質(zhì)不受外界污染。為保證水質(zhì)，系統(tǒng)中設加藥裝置及排污等水質(zhì)穩(wěn)定措施。為穩(wěn)定系統(tǒng)壓力和控制系統(tǒng)補充水及排出系統(tǒng)中產(chǎn)生氣泡，設有穩(wěn)壓罐和脫氣罐。

2 自動化控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用了施奈德公司Quantum系列 PLC，并設置遠程IO Quantum子站，通過同軸電纜與本地Quantum子站連接。監(jiān)控軟件采用西雅特公司的Citect軟件，并在主循環(huán)泵站操作室設置兩臺計算機操作站，通過以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)兩臺操作站之間的通訊。

2.2 系統(tǒng)控制方式

系統(tǒng)的控制方式分為：集中自動、集中手動和機旁手動。

1）集中自動：按照工藝要求，系統(tǒng)自動運行停止。

2）集中手動：各設備在操作站計算機上進行集中手動操作，設備間有聯(lián)鎖關系。

3)機旁控制：各設備在機旁操作箱上無聯(lián)鎖操作，主要用于設備安裝和調(diào)試。每臺設備在機旁操作箱上設置“機旁/集中”控制轉(zhuǎn)換開關。其中機旁操作不進PLC控制，通過硬接線來實現(xiàn)，控制電源為AC220V。

2.3 程序軟件與畫面監(jiān)控系統(tǒng)

2.3.1 程序軟件

本系統(tǒng)利用施耐德公司的Unity Pro v5.0編程軟件編寫控制程序。編程語言采用梯形圖語言和功能塊圖FBD語言。本系統(tǒng)的程序編寫具有以下特點：

（1）單體設備的數(shù)據(jù)類型用DDT來定義。Unity Pro編程軟件可以用導出的數(shù)據(jù)類型DDT對結(jié)構(gòu)或數(shù)組定義數(shù)據(jù)類型。對于系統(tǒng)中的泵、電動閥、氣動閥等單體設備每個設備均用DDT來聲明變量。例如：對于系統(tǒng)中所有的電動閥，都用DD_VALVE數(shù)據(jù)類型來定義，DD_VALVE內(nèi)部又包含了集中機旁、開關到位、手動自動、解鎖閉鎖等每個電動閥門通用的變量。以1#軟水補水泵為例，在編寫它的自動控制子程序時就可以用一個數(shù)據(jù)類型為DD_VALVE的變量SCL_BSP1來寫入程序塊的引腳，而不需要將每個通用變量均寫入引腳。這樣不但使程序結(jié)構(gòu)變得清晰易懂，還簡化了程序篇幅，減少了程序出錯的概率。

（2）利用導出的功能塊類型DFB表示系統(tǒng)中需要調(diào)用的子程序。系統(tǒng)中的泵、電動閥、氣動閥等每個單體設備的控制以及泵組備用自投、流量累計、泵閥間連鎖、報警點設置、模擬量轉(zhuǎn)換等連鎖關系均由一個單獨的DFB類型子程序塊來表示。在編寫每個單體設備的程序時可以直接調(diào)用這些DFB功能塊，從而簡化了程序的內(nèi)容，提高了編程效率，不但節(jié)省了大量編程時間，也為以后程序的維護提供了良好的條件。

2.3.2 畫面監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控畫面采用西雅特公司的Vijeo Citectv 7.10軟件編寫。本系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要特點有：

（1）按照工藝流程的順序和邏輯結(jié)構(gòu)設計主監(jiān)控畫面，以使整個畫面層次清晰，便于操作人員理解掌握。主監(jiān)控畫面上還包括了報警列表、歷史記錄查詢、流量累積、連鎖解鎖功能，方便操作人員掌握整個系統(tǒng)的運行狀況。

（2）每個單體設備用一個單獨的子畫面控制。點擊主監(jiān)控畫面上的單體設備，彈出子畫面窗口即可對單體設備進行操作。這種設計方法避免了將大量操作按鈕集中在主監(jiān)控畫面上，使主畫面簡潔清晰，同時又在可以畫面編寫中多次調(diào)用同一類型設備的子畫面，提高了編寫效率。

（3）將影響系統(tǒng)運行的重要參數(shù)如管道的流量、壓強、溫度、水泵電機電流、膨脹罐音叉液位計的狀態(tài)、軟水池和膨脹罐液位等重要參數(shù)顯示在主監(jiān)控畫面上，便于操作人員整體把握整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高操作人員對故障的反應速度。

（4）系統(tǒng)各設備狀態(tài)采用統(tǒng)一的顏色標識，例如用綠色表示水泵運行和閥門開到位，紅色表示水泵停止和閥門關到位，黃色表示設備故障等，并在主監(jiān)控畫面上各個單體設備用顏色的動態(tài)變化表示設備的運行狀態(tài)，便于操作人員更加直觀快速地了解設備的運行狀況。

3 自動化控制方案

3.1 供水泵組的備用自投連鎖控制方案

為防止工作中的水泵突然出現(xiàn)故障導致供水中斷，當任意一臺工作泵出現(xiàn)故障時，備用泵自動起動，且出現(xiàn)故障的工作泵自動停止。對于主供水泵組和軟水補水泵組，如果備用泵起動失敗，則起動柴油機泵。

水泵的故障主要包括以下幾種情況：

（1）工作泵電機出現(xiàn)電氣故障；

（2）工作中高壓電泵電機定子或軸承溫度超過設定值；

（3）工作泵出水管上壓力降低至設定值。

對于第一種情況，由于工作泵電機電氣故障后水泵會立即停機，因此故障后必須立即起動備用泵。對于后兩種情況，由于故障發(fā)生后水泵仍在繼續(xù)運行，為防止工作泵停止后備用泵由于其他原因無法起動而使供水中斷，在故障信號持續(xù)5S鐘后，再起動備用泵，待備用泵起動成功并正常運轉(zhuǎn)5S鐘后，才停止工作泵。如果備用泵起動失敗，則工作泵繼續(xù)運行。

由于軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有閉路循環(huán)冷卻的特點，因此為了加強在主供水泵和中高壓供水泵組故障時供水效果，在程序控制中可以采用以下幾種措施，以提高供水可靠性：

（1）高壓、中壓供水泵組除了各自有一臺備用泵用于泵組內(nèi)部備用自投外，高、中壓泵組之間還可實現(xiàn)互為備用，互相切換。當兩臺高壓供水泵均故障時，自動起動兩臺中壓供水泵，并自動打開中高壓泵組旁通閥，由中壓供水泵向風口小套供水。當兩臺中壓供水泵均故障不能起動時，自動起動兩臺高壓供水泵，并自動打開中高壓泵組旁通閥，由高壓供水泵向風口中套供水。這是為了使兩臺中壓泵組或兩臺高壓泵組均不能正常工作時風口中套和風口小套仍能由另外一套泵組供水冷卻，短暫維持高爐的正常運行。

（2）當主供水泵組中的所有泵（電動泵和柴油機泵）都無法起動時，主供水泵旁通氣動閥自動打開，這時軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)就進入開路循環(huán)冷卻狀態(tài)。當主供水泵組任意一臺泵恢復工作之后，主供水泵旁通氣動閥自動關閉，恢復軟水密閉循環(huán)狀態(tài)。這樣是為了在主供水泵組都無法工作時使整個高爐冷卻水系統(tǒng)保持循環(huán)狀態(tài)從而起到一定的冷卻作用。

（3）中壓、高壓供水泵組少于兩臺泵運行，旁通閥自動關閉，以加強對風口小套和風口中套的供水效果；當中壓、高壓供水泵組有兩臺泵工作，旁通閥自動開啟。

3.2 高爐本體膨脹罐的連鎖控制方案

為了軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定和正常運行，在高爐本體設置膨脹罐，它一方面用于吸收系統(tǒng)中軟水由于溫度波動或滲漏引起的體積變化，另一方面通過控制罐內(nèi)的充氮量來穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力。

（1）軟水補水泵組與膨脹罐液位的連鎖控制

膨脹罐上設置了5個音叉式液位開關和1個電容式液位計，用于膨脹罐液位檢測。膨脹罐液位采用位置式控制，從上到下設置5個液位控制點，分別叫做LSAHH（高高）LSH（高）LSL（低）LSALL（低低）LSALLL（低低低），正常情況下，膨脹罐水位應在LSH（高）LSL（低）之間。

軟水補水泵組有兩臺電動泵和一臺柴油機泵，電動泵一用一備，互為備用，柴油機泵作為電泵的備用泵。

軟水補充水泵組需要與膨脹罐液位連鎖控制，關系如下：當膨脹罐液位低于LSL（低）時，起動一臺軟水補水泵向膨脹罐補水；當膨脹罐液位低于LSALL（低低），起動兩臺軟水補水泵向膨脹罐補水；當膨脹罐液位低于LSALLL（低低低），起動三臺軟水補水泵向膨脹罐補水。當膨脹罐液位高于LSH（高）時，停所有的軟水補水泵。

（2）膨脹罐閥門與膨脹罐液位和壓力的連鎖控制

膨脹罐系統(tǒng)有3個氣動切斷閥，分別是充氮閥、溢流閥、排水閥。這幾個閥門需要與膨脹罐液位和壓力連鎖，連鎖關系如下：

①充氮閥：當高爐主供水泵工作臺數(shù)少于兩臺時,或者膨脹罐水位超過LSAHH或壓力大于0.2 MPa,經(jīng)過約30 s后,水位或壓力仍未下降,則充氮閥自動關閉；當高爐主供水泵工作臺數(shù)大于等于兩臺時，充氮閥自動開啟。

②溢流閥：當充氮閥打開且膨脹罐液位低于LSAHH（高高）時，溢流閥自動關閉；當充氮閥關閉，或者膨脹罐液位高于LSAHH（高高）時或壓力大于0.2 MPa,經(jīng)過約30 s后,水位或壓力仍未下降,溢流閥自動打開。

③排水閥：當膨脹罐水位高于LSAHH（高高）時，排水閥自動打開；當膨脹罐水位低于LSH（高）時，排水閥自動關閉。

4 結(jié)語

本文結(jié)合在方大特鋼新2#高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中的設計和調(diào)試工作，闡述了PLC控制技術在該系統(tǒng)中的應用，并闡述了供水泵組的備用自投連鎖控制方案以及高爐本體膨脹罐的連鎖控制方案。