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布袋除尘器自动化控制系统

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1 除尘控制系统简介

电炉炼钢过程中产生大量棕红色浓烟,除尘系统的作用就是将这些浓烟进行有效的收集、处理和利用,改善车间岗位环境,并使排放到大气中的气体清洁无害。某炼钢厂于2005年对原90t电炉除尘系统进行了改造和扩建,针对现场电动设备多、分布距离较远的特点,我们设计了一套基于现场总线技术的除尘自动控制系统。

图1

除尘系统工艺要求整个除尘系统工艺过程如图1所示。

在引风机的作用下,超高功率电炉的一次烟气(炉内烟气)经第4孔、水冷烟道、重力沉降室、机力冷却器后与部分由屋顶罩收集来的二次烟气混合,降温后进入1号除尘器;二次烟气(弥散到车间内的烟气)除一部分与一次烟气混合进入1号除尘器外大部分被屋顶罩收集后直接进入2号除尘器。两台LF精炼炉的烟气经收集罩收集并在一台增压风机作用下也送入2号除尘器。进入两台除尘器的烟气经过长布袋过滤后在引风机作用下经烟囱排到大气。布袋过滤下来的灰尘在脉冲喷吹作用下落到除尘器底部,经卸灰阀卸到链式埋刮板机上,由链式埋刮板机输送并经斗式提升机将积灰送入储灰仓储存。为保证除尘系统的高效运行,要求控制系统对风机、变频器和除尘器等设备运行情况进行实时监控;在人机界面上模拟显示整个工艺过程和重要工艺数据,设定修改各工艺参数;以一定的控制策略自动完成布袋的脉冲清灰、卸灰和输灰等工艺;根据烟气温度变化自动调节二次烟气的风量;在冶炼周期的不同时段,自动调节风机风量,以实现节能降耗。

2 控制系统硬件设计

根据以上工艺及控制要求,针对各控制点分布距离较远的特点,采用现场总线技术,设计了以S72400PLC为核心的控制系统。

控制系统硬件结构控制系统为典型的多级计算机控制结构[1],主要由HMI工业计算机、PLC、远程I/O模块和高压变频器组成。位于除尘控制室的本地HMI和位于炉前控制室的远程HMI与S72400PLC通过基于TCP/IP协议的SimaticH1工业以太网通信,并和工厂的局域网相连。网络拓扑为总线型,采用粗缆作为传输介质,传输速率为10Mb/s。S72400PLC通过CP44321以太网模板接入网络,HMI通过CP1613以太网卡接入网络。远程HMI的所有监控画面都与本地HMI相同,炉前操作人员可以通过远程HMI了解除尘系统工作状况。工业以太网是基于国际标准IEEE802.3的开放式网络,采用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)介质访问控制方式,有极强的信息集成和网络扩展能力。在系统的顶层应用工业以太网可方便地实现管理-控制网络的一体化。

除尘器上有大量的脉冲阀、卸灰阀等被控设备,在两台除尘器上就近设置两台远程I/O模块ET200M接收这些信号;两台中压变频器位于变频器室,也有大量信息需要与主PLC交换。将中压变频器、ET200M模块和S72400PLC通过Profibus2DP现场总线网络建立连接,网络介质为西门子MPI/DP两芯专用电缆,传输速率设为18715Kb/s。设定除尘控制室的S72400PLC为主站,中压变频器及远程I/O模块ET200M均设为从站。Profibus2DP现场总线采用主从介质访问控制方式,具有通信的实时性和确定性,站点每次得到网络服务间隔时间是确定的,可以保证站点完成它确定的任务。

3 控制策略

HMI上的监控画面采用WinCC组态,完成数据采集、过程监控和数据归档等任务。PLC程序采用Step7编制,根据系统的工艺过程,PLC程序可分为清灰控制、卸灰和输灰控制、风量调节和除尘室温度控制等几部分。其中卸灰和输灰系统主要是逻辑控制,程序的编制较为容易,在此不再叙述,下面主要介绍其它部分的控制策略。

3.1 清灰控制

清灰的目的是清除布袋上的灰尘,使布袋粉尘保持合适的厚度,除尘器有较高的除尘效率和较低的能耗。早期的除尘系统风量一般恒定,常用的清灰控制方式有定时清灰和定阻力清灰。定时清灰是指按照预先设定的清灰周期和脉冲间隔控制清灰机构动作,属于开环控制,不考虑除尘器的实际阻力。若时间设置不合理,会使除尘效率太低或系统能耗太高。定阻力清灰是根据除尘器实际阻力来控制清灰。通常设定一个目标阻力,当实际阻力高于目标阻力一定范围时开始清灰,直到实际阻力小于目标阻力一定范围时停止清灰。这种方式相比定时清灰实现了阻力的简单闭环控制,因此在风量恒定的除尘系统中应用较为广泛。由于本系统中采用了变频调速,除尘风量不再恒定,定时清灰和定阻力清灰都不适用,经分析和试验,系统采用了变阻力清灰控制策略。即除尘器的阻力目标值根据风量变化实时计算和调整。

3.2 除尘室温度控制

除尘器布袋所能允许的最高温度为130℃,而在炼钢的有些工艺时段,炉内的一次烟气在经水冷管道和机力冷却器冷却后温度仍高达250℃左右,此时必须混入部分二次烟气降温。但入口温度也不能太低,否则会使风机负荷增加过多,造成风机电机超载;同时会使烟气产生酸露,引起粉尘在滤袋上板结,导致清灰困难。因此,在实际应用中,一般通过调节二次烟气管道上的风量平衡阀将除尘器入口温度控制在110℃左右。

3.3 风量调节

由于电炉在冶炼周期的不同时段产生的烟尘量不同,因此要求的除尘风量不同,风机应通过变频器的频率调节变速运行。PLC从电炉控制系统中读取加料、吹氧、混铁水和出钢等不同时段的开关量触发信号,控制变频器运行在不同的频率段,具体频率值在HMI上设定并可根据运行效果调整。感器转换成毫伏级模拟电压信号后被送到称重仪表,称重仪表将此信号转换成重量数据信号,并将此数据通过串行通信方式传送到PLC。此数据与触摸屏上(或计算机上)预设的单秤目标值减去提前量后相比较,若此数据小于该值,则PLC上的进料输出点保持接通,进料阀门保持打开,进料过程继续;此数据(即秤斗中的物料重量)达到该值时,PLC上的进料输出点断开,秤的进料阀门关闭。空中物料全部落入秤斗中且秤稳定后,记录物料毛重;接着进入秤的放料过程,PLC上的放料输出点自动接通,秤的放料阀打开,开始放料;秤放空后,放料阀门自动关闭,此时记录物料皮重,则物料净重=毛重-皮重,累计秤数和物料重量。至此,本次称量循环结束,下次称量循环的进料过程自动开始,如此不断循环,直至最后一秤称量循环结束后系统自动停止工作。

4 散料秤与其它计量设备应用比较

散料秤系统的设计综合了多种应用技术,在冶金行业特别是对散装物料的计量上有广泛的应用市场。它与常用于散装物料计量的皮带秤和国际港口通用的水尺计量相比,在应用上有其优越的性能和指标。

5 应用效果

整个控制系统根据除尘工艺要求,通过工业以太网和Profibus现场总线技术,将现场诸多设备联系起来,大大减少了电缆铺设量;充分利用SimaticS7PLC和WinCC紧密集成特性,使操作人员通过计算机屏幕直观地监控整个除尘系统运行情况。该系统自2005年11月运行至今,除尘器的除尘效率平均在95%以上,温度控制响应迅速,超调量不超过8℃,稳态精度较高;控制系统整体性能稳定可靠,故障率极低,改善了炼钢车间的工作环境,提高了工作效率,取得了较好的经济效益和社会效益。

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