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西门子S7—300PLC在煤气加压站中的应用设计

时间:2011-11-14 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

 1997年太钢引进的按国二十辊轧机、冷热不锈带钢退火线、光亮线等新装备,是以扩大不锈钢生产能力。冷轧煤气混合加压站,是太钢不锈带钢退火线的配套设施,有加压机3台,气源为高炉煤气、焦炉煤气。由于生产线工况不稳而造成用量大幅度频繁波动;同时由于气源管网方面的状况较差,高炉煤气压力波动范围3—10kPa,焦炉煤气压力波动范围1.5。6.5kPa;其波动有时频率很快,仅靠仪表调节产生震荡,无法通过人工调节;经常出现长时间的低压,造成混压困难,甚至造成高炉煤气蝶阀关闭、机前负压的险兆。
  太钢于1999年6月采用了西门子SIMATICS7—300PLC、德国UNI公司热值仪、西门子变频技术等进行全过程自动控制改造,实现了混合煤气热值、加压机后压力双稳定的目标,确保了不锈钢的正常生产,节能效益非常可观。
1系统概要
  改造后的系统构成复杂,仅调节阀就有九个,此外还要增加变频器,由计算机控制切换调节3台风机转速;增加热值仪,串级调节高焦配比。采用西门子S7—300PLC和研华IPC 610工控机构成DCS系统。S7—300PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节,其特点是:模块化、无排风结构、易于实现分散、运行可靠、性价比高。CP5611卡为S7—300PLC与工控机的通讯接口卡,具有RS485接口和87.5kbps的通信速率,传输距离可达50m,使用中继器可达9100m。
2控制原理
本系统含四个调节回路:
2.1热值调节
  热值是用户气源的主要质量指标之一。
  冷轧煤气7昆合加压站以高炉煤气为主气,它不可控制,取决于用户用量;焦炉煤气为辅气,要求控制其两道阀门,使高、焦配比约4:1。
2.1.1“高焦限幅”辅热值
  本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环,焦炉煤气流量调节为副环,加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号,而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制,即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值,乘以1.05和0.95作为输出信号的上、下限幅值。
  该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大,从而使高焦配比值在小范围内波动;二则使主环调节器不至于产生调节饱和,加快了滞后较大的主环的动态响应,改善了系统的调节品质。
  对热值仪信号故障也有保护性,在实际的运行中,我们发现工人有时忘记了给热值仪过滤器排水,使煤气人口压力太低,燃烧不够,造成仪表信号显示偏低很多,即使焦炉煤气阀开到最大,也不可能把热值调至“正常”,但此时热值调节器输出信号受到高炉煤气流量的交叉限幅,故在此三个信号中,最终以上限值为焦炉煤气流量调节器的设定值,从而使焦炉煤气流量调节阀被约束在了一定的阀位,最终使混合煤气热值波动稳定在一定范围内。
2.1.2“双阀同控”避“瓶颈”
  原设计一阀自动、另一阀手动,实际上两阀都在手动方式,因而常常顾此失彼,致使南、北阀位相差太大;若采用两路单独的调节器,二阀阀位更加混乱,当系统工况变化较大时,其中一阀就会成为调节的“瓶颈”;若采用双调节器进行调节,二阀各自进行动作,虽能使系统在某一阀位组合状态下稳定,但有可能造成二阀阀位相差太大,同样可导致“瓶颈”的现象。
  对此采用单台调节器串调双阀的控制方案,即在计算机中设置一台软调节器,其输出信号给到2台手操器,同时带动2台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成超调,将2台手操器内的死区设置的有所差别,当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时,死区小的手操器(电动调节阀)首先动作,若偏差不大时,就能纠正过来;当调节量不够时,偏差增大,死区大的手操器(电动调节阀)也动作,加大调节力度,使系统迅速回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时,常会出现同时超出二者死区范围的现象,则二阀一同动作,使偏差迅速减小到一定范围,此时大死区的电动调节阀停止动作,剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。
2.2混压调节
  混压调节在实际中既影响热值、又影响加压机后压力。所以,混压调节不好,则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。本回路为一串级随动调节系统,在控制回路中建立数学模型,煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定,同时又加以上下限幅,使工艺操作变得更加合理。从热值的稳定方面来看,机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整,保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配人;从加压机后压力的稳定方面来看,机前压力变化范围不至于太宽,减少了对加压机后出口压力调节的干扰。
  混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门。为了避免“瓶颈”,同样如上所述,也采用了一台软调节器控制2台电动调节阀的方式,减少对机后出口压力调节的干扰。
2.3加压机后压力(变频)调节
  加压机后压力是用户气源的主要质量指标之一,本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为3.5kPa,当加压机后出口压力升高/降低时,增大/减小变频器的输出频率。从而改变加压机的转速,以“变”求“稳”。在计算机和变频器上都设置了最低运行频率,从而保证出口压不至于太低,也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量,以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备安全、用户正常生产的两道防线。
2.4加压机后压力(泄放)调节
  这是加压机后压力调节的另一手段。本回路为一定值单回路调节系统,其设定值为14kPa,当加压机后出口压力升高/降低时,增大/减小泄压阀的开度,以“泄”求“稳”。
2.4.1变频、泄放“双管齐下”稳压力
  通常,泄放调节器的设定值高于变频调节器的设定值,一般情况下,变频器负责系统全部的调节,而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量,造成出口压骤然升高,变频的调节速度不足以使出口压迅速降下来时(即出口压超过14kPa),泄放回路立即参与调节。泄放回路比例带、积分时间都设得很小,因而,动作很快,与变频“双管齐下”,可使压力迅速降下来,保证了用户气源压力稳定,避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能,保障了设备安全。在调节过程中,绝不会出现既保持加压机转速较高,又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。
  综上所述,本系统在控制思想和软件编制上有如下的特点:
(1)小偏差小动作、大偏差大动作,既加决了响应速度,又提高了调节精度。
(2)两阀在调节过程中,”不会造成“瓶颈”现象。阀位死区大的南阀阀位“阶段”性地跟踪死区小的北阀阀位。当偏差产生时,北阀“有错必纠”,南阀对北阀在调节中所累计的阀位变化不会坐视不管,而是“该出手时就出手”,大力度地“调一把”(当北阀阀位调到一定开度时效果就不显著了,此时取决于南阀的开度)。
(3)死机情况下、变频器仍然能保证运行。无论主机从机中任一掉电,或二者都掉电,变频器都运行在其保护下限频率上,加压机不会停机,保证了用户的正常生产。
(4)简单可靠易“倒机”。通过软件的巧妙设计,使加压机的切换变得非常简单:将变频器输出频率下调为零、此时原运行的加压机处于停止状态,电流很小,可拉掉其刀开关,并马上再合上另一台备用加压机的刀开关,因变频器末停,3—4分钟即可调频加速到工作状态。当然二者切换期间,需关照冷轧关小烧嘴。
  控制系统在WIN98环境下运行,组态软件为STEP7V5.0及Kingview5.0。系统利用组态软件Kingview5.0的驱动程序与下位S7—300PLC进行数据通讯,包括数据采集和发送数据/指令;下位S7·300PLC则通过MPI卡与上位计算机交换数据,每一个驱动程序都是一个公共对象,这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统,保证了系统高效率地运行。
3系统画面
  系统画面分为两大类:操作员画面、工程师画面。
操作员画面:向操作人员提供了各种数据、曲线、功能键,显示内容丰富鲜明、操作简捷可靠。
工程师画面:工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境,也是自控系统的核心。
4结束语
  该系统自投运以来,在生产正常的情况下,热值稳定在6.0左右,压力稳定在13.5kPa左右,完全满足了用户的要求,同时变频运行于30—40Hz左右,泄放阀一般处于关闭的状态,大大减少了泄放煤气量和净焦煤气量,达到了预期的安全生产、提高产品质量、节能降耗的目的。

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