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PLC 控制系统在钢渣热焖工艺中的应用 王雨清申丽 中国京冶工程技术有限公司， 北京100088 摘要 利用 PLC 控制系统， 实现在钢渣热焖工艺中的恒压供水和钢渣热焖定时定量喷水的自动控制要求， 具有国际先 进水平， 取得了良好的经济效益、 社会效益和环境效益。 关键词 钢渣热焖; PLC 控制系统; 恒压供水; 定时定量喷水 APPLICATION OF PLC CONTROL SYSTEM IN THERMAL PROCESS OF STEEL SLAG Wang YuqingShen Li China Jingye Engineering Co. ， Ltd， Beijing 100088， China AbstractUsing PLC control system， it has been realized the automatic control requests in constant pressure water supply and in time quantitative water spray in the thermal process of steel slag，which achieved international advanced level，by which good economic，social and environmental benefits have been obtained. Keywordsthermal process of steel slag;PLC control system;constant pressure water supply;time quantitative water spray 1概述 为了贯彻循环经济和可持续发展的方针， 实现钢 厂钢渣科学化处理和资源化利用， 提高企业经济效 益， 中国京冶工程技术有限公司在萍乡钢铁有限责任 公司九江钢厂建设一条规模为 50 万 t/a 钢渣热焖处 理和加工生产线， 实现了产品、 技术、 效益、 环境协调 发展。 2钢渣热焖工艺介绍 九江钢厂钢渣处理热焖水泵和热焖喷水系统工 艺流程如图 1 所示。 钢渣热焖处理工艺过程 首先根据生产要求启动 热焖变频供水泵组， 通过实时检测热焖供水总管的压 力， 调节热焖水泵的转速， 保证热焖系统用水总量的 需求。用桥式起重机将渣罐中的热熔转炉钢渣倒入 热焖池中， 打开热焖池冷却用水电动开关阀， 打水冷 却钢渣直到表面凝固为止， 用挖掘机松动钢渣， 保证 装置内钢渣表面无积水， 进行第二次倒渣 重复上一 次过程 ， 当热焖池中钢渣装载量达到设计要求时， 盖上热焖装置盖， 自动控制系统通过电磁流量计检测 热焖池热焖喷水的流量， 实时调节热焖池管道电动调 节阀的开度， 保证热焖池热焖过程定量喷水。自动控 制系统对热焖池进行定时定量喷水， 然后进行定时停 1手动蝶阀; 2热焖变频供水泵组; 3热焖供水总管压力检测; 4热焖供水总管流量检测; 5热焖池冷却用水流量检测; 6热焖池热焖水量调节电动调节阀; 7热焖池冷却水量电动开关阀; 8热焖池热焖用水流量检测 图 1钢渣处理热焖水泵和热焖喷水系统工艺流程 水热焖， 再定时定量喷水， 如此反复几个周期后， 热焖 装置开始出渣， 整个热焖过程结束。 在钢渣热焖处理控制过程中， 热焖水泵恒压供水 自动控制系统和钢渣热焖定时定量喷水自动控制系 401 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 统的好坏， 将直接影响钢渣热焖处理的效果。为了加 强现代化的控制和管理， 提高生产效率和降低成本， 同时要求控制系统操作简单、 可靠性高、 维护方便， 本 工程采用了具有高性能、 高可靠性并且经济实用的 PLC 控制系统， 即使在恶劣的工业环境下也能可靠工 作， 编程软件具有良好的用户界面， 使程序编写、 调试 和系统维护都极为简便。本文重点介绍为实现这两 个关键环节的自动控制系统所采取的设计思路和 方法。 3自动化控制系统 西门子 S7- 300 是模块化、 微型 PLC 系统， 方便用 户和简易的无风扇设计， 简单实用的分布式结构和多 界面网络能力， 当任务规模扩大并且愈加复杂时， 多 种性能递增的 CPU 和丰富的且带有许多方便功能的 I/O 扩展模块， 易于用户掌握等特点使其成为各种从 小规模到中等性能要求控制任务的方便且又经济的 解决方案。同时， S7- 300 具有丰富的功能块供用户 直接调用， 其中 FB41 功能块可用于过程控制系统中 的 PID 闭环连续控制， 比例 P、 积分 I 和微分 D 可以 单独激活或取消激活， 以适应工艺控制要求， 并且还 可实现手动和自动控制输出的无扰切换， 本项目工程 中充分利用 PLC 这一功能实现工艺控制要求。该工 程项目 控 制系统采用 S7- 300 系 列 PLC， CPU 选 为 315- 2DP， 工业以太网通讯模块为 CP343- 1， S7- 300 系 列 I/O 模 块，插 有 CPU 模 块 的 为 主 站，通 过 PROFIBUS-DP 现场总线协议串行连接 3 个远程 I/O 从站， 主站和从站均安装在电气室 2 面 PLC 控制柜 内。PLC 系统配置图如图 2 所示。 图 2 PLC 系统配置图 西门子 MICROMASTER 430 变频器传动平稳， 是 全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专 家。它按照专用要求设计， 具有高度可靠性和灵活 性， 调试简单、 便捷， 采用模块化结构， 组态特别灵活; 采用最新的 IGBT 技术， 数字微处理器控制， 采用较 高的脉冲开关频率， 电动机运行噪声很小; 磁通 － 电 流控制 FCC 功能改善动态响应特性， 优化电动机的 控制; 牢固的 EMC 设计， 控制信号的快速响应， 并带 有增强电机动态响应和控制特性的多点 V/F 控制特 性; 内置 PID 控制器; 快速电流限制， 防止运行中不应 有的跳闸; 可编程的数字量和模拟量端口， 采用 BiCo 技术， 实现 I/O 端口自由连接， 集成 RS- 485 通讯接 口， 可选 PROFIBUS-DP 通讯模块; 控制软件可以实现 专用功能 多泵切换、 手动 /自动切换、 旁路功能、 断电 及缺水检测、 节能运行方式等， 完善了对电动机和变 频器的保护功能。在该工程项目中， 热焖水泵电机的 变频控制采用 MM430 变频器， 不但满足工艺控制要 求， 而且节省大量的电能， 延长了电动机寿命， 为正常 生产做出了最大的设备保证。 3. 1热焖水泵供水自动控制系统 在九江钢渣热焖处理生产线中， 供水系统共设置 4 台热焖水泵， 3 用 1 备。由于 1 号 ～ 5 号热焖池可 能所处的工作状态不同， 有的热焖池处于倒渣后打水 冷却阶段， 有的热焖池处于热焖阶段， 即使两个热焖 池同时处于热焖喷水阶段， 不同的喷水周期所要求的 水量也是不一样的， 这就要求热焖水泵系统的供水量 不断调整变化， 以适应工艺的需水要求。为了满足工 艺要求和实现合理的自动控制要求， 本控制系统采用 1 台水泵变频运行、 2 台水泵工频运行的控制方案。 现以 1 号水泵变频运行， 2 号水泵和 3 号水泵工频运 行， 4 号水泵备用为例说明热焖水泵的控制过程， 热 焖水泵控制系统图如图 3 所示。 1电机保护断路器; 2进线电抗器; 3变频器; 4接触器; 5热继电器 图 3热焖水泵控制系统图 当热焖池热焖用水时， 由 PLC 自动控制系统发 501 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 出指令启动 1 号变频水泵， 当 PLC 控制系统检测到 变频水泵正常运行信号后， 调用 PLC 控制器自带 PID 闭环过程控制功能块 FB41， 采用 PI 调节实现热焖总 管压力的恒定。PLC 将实时检测热焖总管的供水压 力与工艺要求的设计供水压力相比较， 如果压力偏差 大于设定压力范围时， 则 PLC 控制器自动调节水泵 变频器的频率输出值， 改变变频水泵电机的转速， 使 实际热焖总管供水压力接近于设定压力。当 1 号变 频水泵变频器输出运行频率达到工频频率， 并且热焖 总管供水压力和设定值之间偏差仍大于设定压力范 围时， 通过热焖总管电磁流量计检测也表明外界需水 量增大， 完全依靠 1 号变频水泵运行无法满足要求， PLC 控制系统自动启动 2 号工频水泵运行， 和 1 号变 频水泵协调运行共同保证热焖水泵总管压力在设定 压力范围内。当 2 号工频水泵运行并且 1 号变频器 水泵输出运行频率达到工频频率时， 热焖总管压力仍 然低于设定范围区间时， PLC 控制系统自动启动 3 号 工频水泵运行， 和 1 号变频水泵、 2 号工频水泵协调 运行保证工艺用水需求。反之， 当 1 号变频水泵已经 最低速运行， 热焖总管供水压力高于工艺设计压力范 围时， 表明系统用水量降低， PLC 控制系统发出指令 自动停止 3 号工频水泵的运行， 2 号工频水泵和 1 号 变频水泵的运行满足系统要求; 如果 1 号变频水泵已 最低速运行的同时热焖总管供水压力仍然高于工艺 设计压力范围时， 表明系统用水量继续降低， PLC 控 制系统发出指令自动停止 2 号工频水泵的运行， 1 号 变频水泵变频运行即可满足系统用水的要求。 在该热焖水泵自动控制系统中， 我们采取了如下 措施， 提高了系统运行的可靠性和合理性 1 在热焖水泵控制系统图中， 1 号水泵和 2 号水 泵共用一个变频器， 3 号水泵和 4 号水泵共用一个变 频器， 这样设计的好处可实现变频器一用一备的功 能， 提高了系统运行的可靠性。 2 在热焖水泵组运行过程中， PLC 控制系统调 用自带 FB41 闭环控制功能块， 全程参与热焖水泵总 管恒压控制功能。FB41 是一个纯软件控制器， 采用 数字化、 模块化结构， 控制性能和处理速度只与所采 用的 CPU 性能有关， 参数设置和运行监控方便， 对系 统调试和运行带来便利。 3 变频运行水泵电机转速调节范围不宜太大， 通常不低于额定转速的 50 ， 当转速低于 50 水泵 本身效率明显下降， 并且在调节变频器输出频率时应 避开水泵的机械共振频率， 否则将损坏水泵机组。 4 热焖水泵控制系统中的 4 台水泵， 通过上位机 控制画面可以实现水泵功能的切换。也就是说， 其中 任何 1 台水泵可以设为变频运行方式， 2 台水泵设为 工频运行方式， 1 台水泵设为备用方式， 这样设计无 疑增加了系统运行的灵活性。 5 在热焖水泵控制系统中， 启动和停止工频水 泵之间在程序上加一段时间延时， 以防止当热焖总管 压力检测值受到外界干扰或短时间内非正常变化时， 热焖工频水泵频繁切换， 既减少了水泵工频启动对电 网的冲击， 又减少了供水对管道的冲击， 同时也延长 了设备的使用寿命。 3. 2热焖池热焖定时定量喷水自动控制系统 在该钢渣处理项目中， 1 号 ～ 5 号热焖池在热焖 喷水阶段和热焖阶段都有严格的时间要求， 对于热焖 池每一个热焖喷水阶段， 还有严格的喷水水量要求。 在该项目中， 采用 PLC 控制器系统自带的软件定时 器， 不需要增加硬件设备， 节省了设备投资， 从上位机 控制画面容易修改设定时间， 很好的实现热焖系统的 定时要求。从钢渣处理热焖水泵和热焖喷水系统工 艺流程图中 图 1 可以看出， 5 个热焖池热焖用水共 用一套供水设施， 通过 PLC 自动控制系统检测每一 个热焖管道水量， 实时调节相应热焖池热焖管道上电 动调节阀的开度， 可以实现不同的热焖池不同水流量 的要求。现以 1 号热焖池热焖过程为例说明 PLC 自 动控制系统的控制过程。 当 1 号热焖池装满钢渣并盖好热焖装置盖后， 由 PLC 自动控制系统发出热焖池热焖过程启动指令。 PLC 控制系统启动系统自带一个软件定时器， 对第一 步热焖喷水过程进行定时操作， 同时， PLC 控制系统 采集 1 号热焖池热焖管道电磁流量计的流量检测值， 并将实时检测热焖水量与工艺的设计第一热焖阶段 水量相比较， 如果流量偏差大于设定流量范围时， 调 用 PLC 系统内部闭环 PID 过程控制功能块 FB41， 通 过 PLC 控制程序实现 PI 计算， PLC 将计算结果传输 到热焖电动调节阀的控制器， 阀门控制器按要求改变 阀门的实际开度， 从而使热焖水量控制在设计的范围 内， 达到定量喷水的要求。当第一步热焖喷水定时时 间结束后， 停止 1 号热焖池热焖喷水， PLC 控制系统 启动系统自带另一个软件定时器， 对第一步热焖过程 进行定时。当第一步热焖定时时间结束后， 自动进行 下转第 31 页 601 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 5SBR 小试与实际工程的出水 COD 比较 4结论 1 实际工艺的沿程 COD 变化分析表明， 整个工 艺 COD 去除率约 68. 9 ， 其中一级好氧 COD 去除率 62. 6 ， 但出水达不到纳管要求， 需要进行额外处理 才能排放。后续缺氧水解和 CASS 组合 COD 去除效 果较差， 对总去除率的贡献只有 6. 3 ， 相对去除率 约 16. 2 ， 表明缺氧水解没有明显改善废水可生化 性。由于其投资规模、 占地等与一级好氧相近， 因此 其效费比很低。 2 温度对现有工艺有显著影响， 夏季系统出水 会进一步恶化， 采用适当的处理措施如防晒等， 处理 效果会有所改善。 3 对废水进行相应稀释的 SBR 小试结果显示， 有机负荷相近时， 四种稀释比的 COD 去除率收敛于 71 ， 因此， 盐度等基于浓度抑制的物质不构成对污 泥活性的抑制， 进一步对废水进行稀释没有意义。 4 比较 SBR 小试和实际工艺同一时期的数据， 温度适宜时，HRT 为 5d 的单级好氧过程就可以使出 水 COD 优于同期的现有工艺， 意味着系统有较大的 优化潜力。 参考文献 ［1 ］ 邢书彬，任立人. 制药工业废水污染控制技术研究［J］ . 精细 与专用化学品， 2009， 17 3 16- 18. ［2 ］ 胡晓东. 制药废水处理技术及工程实例［M］ . 北京 化学工业出 版社， 2008. ［3 ］ 国家环境保护总局水和废水监测分析方法 编委会. 水和废 水监测分析方法［M］ . 4 版. 北京 中国环境科学出版社， 2002. ［4 ］ Rinzema A，Lettinga G. 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