西門子S7－300在煤氣加壓站中的應用

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(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(jié)產生震蕩、用人工調節(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質量的關鍵。原設計的儀表調節(jié)系統(tǒng)根本無法滿足生產要求。
　　太鋼于1999年6月成立了項目攻關組，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，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，確保了不銹鋼的正常生產，節(jié)能效益非?？捎^。
　　1 系統(tǒng)概要
　　改造后的系統(tǒng)構成復雜，僅調節(jié)閥就有九個，此外還要增加變頻器，由計算機控制切換調節(jié)三臺風機轉速；增加熱值儀，串級調節(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、調節(jié)，其特點是：模塊化、無排風結構、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物理結構和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)含四個調節(jié)回路：
　　2.1 熱值調節(jié)
　　 熱值是用戶氣源的主要質量指標之一。
　　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；焦爐煤氣為輔氣，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、交叉限幅調節(jié)系統(tǒng)。以熱值調節(jié)為主環(huán)，焦爐煤氣流量調節(jié)為副環(huán)，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(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配焦爐煤氣流量值，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爐煤氣流量調節(jié)器的調節(jié)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(huán)調節(jié)器不至于產生調節(jié)飽和，加快了滯后較大的主環(huán)的動態(tài)響應，改善了系統(tǒng)的調節(jié)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(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，即使焦爐煤氣閥開到最大，也不可能把熱值調至“正?！?，但此時熱值調節(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，最終以上限值為焦爐煤氣流量調節(jié)器的設定值，從而使焦爐煤氣流量調節(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。
　　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(jié)器，二閥閥位更加混亂,當系統(tǒng)工況變化較大時，其中一閥就會成為調節(jié)的“瓶頸”；若采用雙調節(jié)器進行調節(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，同樣可導致“瓶頸”的現(xiàn)象。
　　對此采用單臺調節(jié)器串調雙閥的控制方案，即在計算機中設置一臺軟調節(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，將兩手操器內的死區(qū)設置的有所差別，當調節(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（電動調節(jié)閥）首先動作，若偏差不大時，就能糾正過來；當調節(jié)量不夠時，偏差增大，死區(qū)大的手操器（電動調節(jié)閥）也動作，加大調節(jié)力度，使系統(tǒng)迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)上。當系統(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)的電動調節(jié)閥停止動作，剩余的小偏差靠死區(qū)小的調節(jié)閥來進一步精調到位。
　　總之，本控制思想避免了上述兩種調節(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，既提高了調節(jié)品質，又減少了工人勞動強度。
　　2.2 混壓調節(jié)
　　混壓調節(jié)表面上看來于用戶的要求“無關”，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，混壓調節(jié)不好，則熱值調節(jié)、加壓機后壓力調節(jié)都無從談起。
　　2.2.1 “水漲船高”調混壓
　　本回路為一串級隨動調節(jié)系統(tǒng)。在控制回路中建立數(shù)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(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整，保證了焦爐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節(jié)的干擾?；靿赫{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，也采用了一臺軟調節(jié)器控制兩臺電動調節(jié)閥的方式，減少對機后出口壓力調節(jié)的干擾。
　　2.3 加壓機后壓力（變頻）調節(jié)
　　加壓機后壓力是用戶氣源的主要質量指標之二。
　　本回路為一定值單回路調節(jié)系統(tǒng)。其設定值為13.5Kpa,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(wěn)”。
　　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(jié)
　　 這是加壓機后壓力調節(jié)的另一手段。
　　本回路為一定值單回路調節(jié)系統(tǒng)，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(wěn)”。
　　2.4.1 變頻、泄放“雙管齊下”穩(wěn)壓力
　　通常，泄放調節(jié)器的設定值高于變頻調節(jié)器的設定值，一般情況下，變頻器“全權負責”系統(tǒng)的調節(jié)，而泄放閥處于關閉的“休閑”狀態(tài)。當用戶突然大減量，造成出口壓驟然升高，變頻的調節(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節(jié)。 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(wěn)定，避免了以前類似情況下加壓機進入喘振的可能，保障了設備安全。
　　在調節(jié)過程中，絕不會出現(xiàn)既保持加壓機轉速較高，又使泄放開啟一定高度的“穩(wěn)定平衡”狀態(tài)。――這就是將設定值設得不同的奧妙所在。
　　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，既加快了響應速度，又提高了調節(jié)精度。
　　(2)兩閥在調節(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。當偏差產生時，北閥“有錯必糾”，南閥對北閥在調節(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)不怕“死機”、掉電保變頻
　　軟件多次調試后，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。
　　 (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(tài)，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，因變頻器未停，3～4分鐘即可調頻加速到工作狀態(tài)。當然二者切換期間，需關照冷軋關小燒嘴。
　　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，為了準確反映各加壓機的運轉情況，該畫面中設置了加壓機動態(tài)旋轉葉片，運轉的加壓機其葉片在旋轉，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；因加壓機的轉速與變頻頻率成正比，所以加壓機中的旋轉葉片的轉速隨變頻器的頻率大小而改變，頻率大時，旋轉葉片轉速大；頻率小時，旋轉葉片轉速小，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，是工程師在調節(jié)中進行參數(shù)修改和設定的重要環(huán)境，也是自控系統(tǒng)的核心。
　　5 結束語
　　該系統(tǒng)自投運以來，在生產正常的情況下，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，達到了預期的安全生產、提高產品質量、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。