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高炉煤气喷水降温控制系统

文档作者：姜志方王孝军等文档来源： 1．山东建筑大学机电工程学院 2．山东省冶金设计院股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年03月11日
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2011正
第12期
仪表技术与
Instrument Technique
2O11
No．12
高炉煤气喷水降温控制系统
姜志方 ，王孝军 ，费5A~,I ，郑明刚
(1．山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2．山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101)
摘要：针对高炉煤气流量大，温度高，要求降温至小于55。的低温的情况，设计了基于PLC的自动控制系统。系统通
过温度传感器采集进出口的烟气温度，用以实现温度的闭环控制。根据温度的变化，PLC自动调节变频器的输出频率，达
到自动改变喷水量的目的。同时针对现场噪音大，距离监控室远的实际情况设计了远程控制系统，使操作人员在DCS控
制室内就能监视、操作喷水降温设备。该系统增强了喷水降温系统的自动化程度，具有很强的实用价值和推广价值。
关键词：s7—200 PLC；OPC；喷水降温；远程控制系统
中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1002—1841(2011)12—0061—03
Design and Implementation of Clinker Cooler W ater Spraying Control System
JIANG Zhi—fang ，WANG Xiao-jun ，FEI Sheng—gang ，ZHENG Ming—gang
(1．School of Mechanical and Electronical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；
2．Shandong Metallurgical Design Institute，Jinan 250101，China)
Abstract：An automatic control system based on PLC was designed according to big flow，high temperature and maximum cool—
ing temperature 55℃ of the blast furnace gas．To realize closed—loop control of temperature．the system collected inlet and outlet
gas temperature using temperature sensors．According to the change in temperature，PLC automatically changed the working water
jet capacity by regulating frequency converter output frequency automatically．Considering the big noise and long distance from mo—
nitoring room，a remote control system was designed to help operators in DCS control room monitor and operate the water cooling eqnipment．
The system enhances the automation of water cooling system，and it has great practical and spreading value．
Key words：s7—200 PLC；OPC；cooler water spraying；remote control system
0 引言
由于现用煤气管网要求的煤气温度<55 oC，然而经过电炉
余压发电机组(TRT)后煤气温度依然在180℃ 以上，因此在进
入煤气管网前仍需要对煤气进行喷水降温处理，使其满足进入
煤气管网的温度要求。由于现场噪音大，将喷水降温系统设置
了就地和远程控制两种方式，远程控制工控机设置在TRT控制
室内，便于工作人员操作和监控。同时能够大大提高高炉煤气
的回收利用率，环境和经济效益十分显著。
1 系统简介及工作原理
1．1 系统简介
系统由上位机(远程控制计算机)、PLC控制器及扩展模
块、变频器2台(一备一用)、水泵2台(一备一用)、主水路、主
气路、喷水机构(分组控制箱、双流体喷枪)和温度测量及控制
系统等部分组成。
系统主要硬件：PLC采用S7—200 CPU226，扩展模块有数
字量输 出EM223，模拟量模块EM231、EM235，扩展从站模
块EM277 PROFIBUS—DP，工控机采用PC547B，总线连接器及
接口卡CP5611，触摸屏采用K—TP178Micro，变频器采用ABB
ACSSIO，系统的硬件结构框图如图1所示。
1．2 工作原理
双流体喷枪以顺煤气流动方向喷水，控制系统按照选定工
收稿日期：2011一O3—15 收修改稿日期：2011—08—12
13处理电路}— 人13热电阻l 喷枪分组控制箱
竺 墨堕 I_—————————— I
盈 。 一 篓 墨堕l l
接口处理电路 一出口热电阻I
图1 系统硬件结构图
艺参数(水压、气压、喷枪开启数量、目标温度)，控制主水路和
主气路的运行，冷却水以雾状与热煤气混合吸热蒸发，从而达
到降低煤气温度的目的。温度测量采用热电阻，入口1支，出
口2支。控制系统检测入口温度和出口温度，实现温度的PID
闭环控制。整个系统控制原理图如图2所示。
系统配备了一套电气控制柜，主要是PLC控制器加AD／DA
转换模块和触摸显示屏(HMI)。所有的参数可以通过HMI直接
设定，或者通过远程控制计算机设置。控制柜内还包括信号隔
离模块和低压电气元器件等。手动打开气路人口球阀V ，过滤
器入口和出口球阀V 、V。：。启动时先启动气路电磁阀B：。和气
动调节阀B．．，气路工作；再启动水泵P。。或P ：，一台水泵运行，一
台备用，此时喷枪开始喷水。系统采集人口和出口热电阻的温
度，根据目标出口温度自动调节变频器的开度，调节喷枪的喷水
量及喷枪开启的支数，使出口温度达到期望的温度值。系统停
机时，先关闭变频器和水泵，供水立即停止，一段时间后(可以设
定)电磁阀B 关断，切断气路。当出现严重的报警时，系统自动
切换到其他方式控制，也可以手动启动喷枪。
Instrument Technique and Sensor Dee．2011
图2 系统原理图
1．3 系统器件功能介绍
控制温度的调节元件是变频器。当检测到的温度与设定
温度不相同时，如果此时烟气出口温度高于目标值，通过提高
变频器的输出频率来增加水泵的供水压力，提高喷枪喷雾量。
如果烟气出口温度低于目标值，通过降低变频器的输出频率来
减小水泵的供水压力，减少喷枪喷雾量，最终将烟气出口温度
始终控制在目标值附近。
泵站系统中配备2台水泵，当一台工作时，另一台处于备
用状态，以防止水泵出现故障影响系统工作。在工作到一定的
时间后(默认设定时间为8 h)，系统会自动切换，启动另一台水
泵工作，使两台水泵的运行时间大致相同(相同的磨损)；也可
通过柜面按钮泵1、泵2切换按钮来进行彼此的切换。
压力开关PS 和Ps 检查并确认水泵是否正常工作。当
一台水泵出故障时(比如：压力开关显示水泵故障)，系统会自
动切换到另一台水泵工作，如果另一台水泵也出现故障则整个
系统停止工作。
系统喷水量由电磁流量计Fr。：检测并显示；出口水压由压
力表PI， 检测并显示；系统出口气压由压力表PI2 检测并显示；
入口气压由压力表PI 检测并显示；同时，喷枪人口水压由压力
变送器 检测并将信号传送给PLC控制器；喷枪人口气压由
压力变送器PT20检测并将信号传送给PLC控制器；水泵出口水
压由压力变送器P，r ：检测并将信号传送给PLC控制器；系统入
口气压由压力变送器P 检测并将信号传送给PLC控制器。
当煤气入口温度低于设定温度时，喷枪不喷水，此时只有
压缩空气以事先设定好的压力(通过闸阀H： ／H：：调节)供给喷
枪以防止灰尘进入喷枪，导致堵塞。
2 系统的状态图
系统设置了就地和远程2种操作方法，分别位于主控制柜
和远程工控机。就地控制的操作界面由触摸屏显示操作，如图
3所示；远程控制的操作界面如图4所示。
就地和远程两种操作方法都具有自动控制、手动控制两种
操作模式，总体控制顺序图如图5所示。
图3 触摸屏HMI主菜单画面
图4 远程工控机系统运行主画面
3 系统远程通讯原理
3．1 OPC技术
OLE是Object Linking and Embedding(对象链接与嵌入)
的缩写。OPC(用于过程控制的OLE)是一个标准化的、与供应
商无关的软件界面，它是基于Windows的COM(组件对象模
型)、DCOM(分布式COM)和XML(可扩展的标记语言)技术基
础上开发的一个开放和互操作的接口标准。OPC系统配置简
单，最少包含一台OPC服务器和一台OPC客户机。应用OPC
服务器，可使数据用于OPC客户机，客户机取回这些数据并做
进一步处理。WinCC可以使OPC客户机与任何PLC进行通
信，相应地，OPC服务器也可以与该PLC进行通信 。
第12期 姜志方等：高炉煤气喷水降温控制系统 63
系统送水电气，调压，检查设备完好
就地 远程
自动／手动
检屏查参触数摸 l Il检查触摸 I l检聋人机
屏参数I l参数设置
l手霉露动l匦
手动启动
水路
T
启动水泵
T
设置频率
启动分组控制箱
启动完成，系统自动倒换水泵， 自动
泄压，不改变频率
自动／手动
— — — 土——一
检查人机
参数设置
— — — — — 一
启动气路
+
启动水路
t
启动水泵
j
设置频率
-● ___。_- __-● _- _-一
— — — L
启动分组
控制箱
启动完成．系统自动倒
换水泵。自动泄压，不
改变频率
图5 控制顺序图
3．2 OPC服务器与WinCC、PLC通讯
系统采用Profibus DP方式进行数据通讯，并通过OPC的
数据采集方式采集PLC的数据，然后WinCC以OPC Client的方
式读取OPC Sever中的数据 J。
CPU226提供2个RS一485接口，可以实现同时与上位机
和触摸屏通讯。CP561 1与s7的Profibus DP通讯通过WinCC
实现，一般是在DP链路上使用s7协议，驱动内置，直接支持，
可连接8个PLC 。
工控机上安装KEPSeverExV4．0，搭载CP561 1，配置PCsta．
tion CP卡做主站，将支持PROFIBUS DP协议的设备配置为从
站。打开KEPServerEx，选择适当的通信协议新建一个通道，然
后在该通道建立相应的设备，最后在设备下建立所需变量，如
图6所示。用WinCC Explore，打开WinCC文档，导入KEP中的
变量，添加变量至变量管理器即可 j。
a 温度偏差值设定
a 压力偏差值设定
a P设定
a I设定
a D设定
a 采样时间设定
a 水路下限报警设定
a气路下限报警设定
a 水泵1切换时闻
a 水泵2切换时间
a 泄压值设定
a 泄压值偏差设定
a 泄压值延时设定
0 PT11_ Val
0 PTl2一
Val
口PI_2I_V出
口 22一
Va】
0 TO—
Val
0 T1_va1
0 T2一
Va1
0 Waterl Frr Val
图6 KEPSeverExV4．0变量
4 结束语
设计的OPC数据访问服务器实现了对数据的实时读写，具
有实用价值。控制系统软件可以高效、稳定地对硬件设备进行
数据存取，系统应用软件之间也可以灵活地进行信息交互，极
大地提高了控制系统的互操作性和适应性。
该控制系统在济南钢铁四号高炉煤气管网喷水降温系统
中得到应用，经过实际使用验证，能够及时、准确地显示现场运
行数据，实现对降温要求的控制。具有可靠性高，反应快，功能
完善，硬件成本低，人机界面友好的优点。
参考文献：
[1] 许志军．工业控制组态软件及应用．jE京：机械工业出版社，2005：
157—158．
[2] 钟时，别永辉．基于WinCC的港口移动机械监控系统的设计与应
用．港口科技，2007(5)：20—22．
[3] WinCC技术手册．西门子(中国)有限公司．
[4] 廖常初．西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术．北京：机械工
业出版社，2007：130—138．
作者简介：姜志方(1984一)，硕士研究生，研究方向为机器人技术与计
算机制造。E—mail：jiang．xinzi@163．con
(上接第60页)
3．2 模拟信号采集数据
表1列举出了模拟采集的部分数据，通过虚拟仪器的采集
1
值与6÷ 安捷伦万用表的采集值对比，计算发现，在0．3—25 V
二
的范围内，虚拟仪器的采集精度与线性度都能达0．1％ 以上。
经过多次反复测量，重复度也能达到0．1％ 。
表1 电压采集数据对比
4 结束语
通过多次实验的结果分析表明：基于虚拟仪器技术的自动
测试系统在满足高精度、高可靠性、高响应速度的前提下，能够
实现对控制设备的电气性能的自动化检测。现已成功应用于试
验检测工作中，该系统人机接口友好，运行稳定可靠，大大缩短
了测试时间，提高了工作效率，取得了满意的效果。该系统的设
计研制经验对未来测试系统的开发工作具有重大的指导意义。
参考文献：
[1] 林君．虚拟仪器原理及应用．北京：科学出版社，2006：3—5．
[2] 戴鹏飞．测试工程与LabVIEW 应用．北京：电子工业出版社，
2006：100．
[3] LabVIEW User Manua1．National Instruments Corporation，2000．
[4] GB／T 18459-2001 传感器主要静态性能指标计算方法．
[5] 阮奇桢．我和LabVIEW．北京：北京航空航天大学出版社，2009．
[6] Using External Code in LabVIEW．National Instruments Corporation，
2000．
作者简介：夏梦芝(1986一)，工学硕士，从事电气、测试自动化方面的工
作。E．mail：xiamengzhi@163．con

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