高炉环保型渣处理PLC控制系统的设计与实现

孙 虎

（中冶南方工程技术有限公司智能制造事业部，湖北 武汉 430223）

环保型渣处理系统是一种先进的炉渣处理技术，其技术成熟，具有连续冲渣、水渣质量高和环境条件好等优势，在国内外得到较快推广。目前国内外有很多钢铁企业采用该技术处理高炉炉渣。以国内某高炉环保型渣处理系统为例，本文对该套渣处理系统的控制系统的设计与实现进行了全面的分析论述。

1 工艺流程

环保渣处理的工艺流程：高炉炉渣经渣沟送入粒化槽，粒化槽外侧的粒化箱喷射冷却水快速冷却水淬炉渣，并使之跌落入粒化槽的水中进一步冷却，渣水混合物沿渣水管沟进入脱水转鼓的分配器，并被装有筛板的脱水器旋转提升过滤。当转鼓转到最高点时，水渣落入转鼓内的皮带运输机上，再转运到水渣仓，汽车外运；滤过的水被收集到热水槽中[1]。

炉渣粒化过程中产生的蒸汽进入粒化槽上部的冷凝塔中，内设冷凝喷嘴喷水冷凝蒸汽，冷凝水经接水盘后收集入热水槽；冷凝水和热水槽中的水合并后，再由冷却回水泵将混合后的水送入冷却塔循环使用。热水槽中的粉渣由循环泵抽出送入脱水器再过滤，防止水渣粉粒在热水槽中沉积。

由于采用封闭的冷凝塔对粒化产生的蒸汽进行喷水冷却，装置基本无蒸汽和其他有害气体排入大气中；冲渣水循环使用，补充设置集水槽，收集热水槽等处的溢流水，生产过程无污水排出，有利于环境保护。

整个环保型渣处理系统工艺流程可以分为两个子流程：水渣从转鼓分离落入转鼓内皮带上之前的流程称为渣制备流程；水渣落入皮带然后转运至渣仓的流程称为渣储运流程。

2 控制系统构成

控制系统设计主要包括硬件设计与实现、软件设计与实现。

2.1 硬件配置设计

控制系统的硬件配置主要工控机、PLC、交换机等。工控机与PLC系统之间通过以太网通讯方式进行数据交换。本设计采用两套控制系统分别对两套渣处理系统进行控制，两套系统间通过以太网通讯进行数据交换。控制系统结构图如图1所示。

图1 控制系统结构图

PLC采用西门子公司的S7-400系列CPU以及S7-300系列的IO模块。西门子S7-400 PLC有极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要[2-3]。

PLC硬件配置：PLC部分包括CPU单元、电源模块、IO模块等，配置表如下页表1所示。

表1 PLC硬件配置表

2.2 软件设计

软件设计包括人机界面设计和程序设计。人机界面软件采用Siemens WINCC 7.3软件制作，编程软件采用Siemens step7 V5.6软件对PLC进行编程和组态。Step7中提供了功能模块图、梯形图、指令表和顺序功能图等图形化组态手段，使编程调试的过程变得更加简单[4]。工控机操作系统采用Windows7操作系统，WINCC和Step7都是在Windows操作系统平台上工作。

2.2.1 程序设计

程序设计分为单体设备程序设计和流程逻辑控制设计。

渣处理的设备主要包括转鼓、泵、阀、皮带等，设备类别少，同类设备数量多。针对这一特点，可以采用模块化设计。对于电气功能相似的设备，比如泵类，设计统一的公共模块，所有泵类都可以调用该模块。简化了程序设计过程，使设计思路更加清洗明了，对于程序的修改、调试和维护都更加方便。这部分主要是单体设备的程序设计，可以用Step7中的FB功能块编写单体设备程序模块，方便反复调用[5]。

另外，根据渣处理系统的运行特点，整个系统分为两个子流程：渣制备系统流程和渣储运系统流程。

渣制备系统流程启动流程依次为：启动转鼓—粒化泵—回水泵—冷凝泵—内循环泵—冷却塔风机—启动完毕。

渣制备系统流程停止流程依次为：停止粒化泵—回水泵—冷凝泵—内循环泵—冷却塔风机—转鼓—停止完毕。

渣储运系统流程启动流程依次为：启动Z03皮带—Z02皮带—Z01皮带—启动完毕。

渣储运系统流程停止流程依次为：停止Z01皮带—Z02皮带—Z03皮带—停止完毕。

2.2.2 人机界面设计

人机界面的设计包括工艺流程画面、控制面板画面、历史趋势画面、报警画面。

工艺流程画面包括整个渣处理工艺流程概貌，直观显示各种数据及信号信息。它将复杂工艺流程变为一个人机交互的总界面。

单体设备控制面板，实现对单体设备的控制功能。控制面板也是模块化设计，同类设备使用同一控制面板，可反复调用，方便修改和调试。

历史趋势画面：为了保证生产过程的顺利进行，并以高生产率、小事故率生产出合格的产品，在任何时刻都能准确地了解工艺过程的全貌是十分必要的。测量值趋势曲线正是了解和控制工业生产的基本手段。本系统主要记录了转鼓转速、泵出水压力、流量、水池液位、水温等等参数的数据，绘制了相应的历史趋势曲线。

人机界面中设计了功能完善的故障报警画面，在生产过程中如果出现了某些故障，系统自动发出报警信号的画面，并且输出声音报警。操作人员发现报警信号后，可以在人机界面上查看报警信息，并且可以通过故障处理界面查看该故障的相应处理措施。有些故障通过人机界面可以直接处理，有些故障需要到现场处理，针对所有故障报警都提供了完善的故障处理方案，使故障处理更加准确、高效。

3 控制功能实现

整个渣处理系统的控制方式分：集中自动、集中手动和机旁手动三种操作方式。

机旁操作：各个设备在机旁操作箱上无联锁操作，主要用于设备安装、检修和调试。机旁箱上的操作不进PLC控制。

在每台设备的机旁操作箱上都有机旁与集中的选择开关。当选择机旁操作时，通过机旁操作箱按钮可启停设备；选择集中操作时，HMI上有集中手动和自动的选择来决定集中的操作方式。

集中手动：各个设备在画面上进行手动操作，保留有基本的联锁关系。

集中自动：由本机按照预先设定的程序进行自动控制。

系统设备处于集中自动状态下，渣处理系统可以实现一键启停。“一键启停”包括两部分：渣制备系统和渣储运系统。

对于渣制备系统，点击“一键启动联锁”按钮，按钮变为绿色，如果各设备满足启动条件，则“可以启动系统”按钮前面的方框变为绿色。点击“启动”按钮，则各设备按照顺序依次启动，设备启动过程中，启动按钮前的方框处于绿闪状态，直至应该启动的所有设备启动。系统运行起来后，“渣制备系统运行”前的方框变为绿色。点击“停止”按钮，则各设备按照顺序依次停止，停止按钮前的方框处于蓝闪状态，直至所有设备停止。

对于渣运输系统，点击“一键启动联锁”按钮，按钮变为绿色，如果各设备满足启动条件，则“可以启动系统”按钮前面的方框变为绿色。点击“启动”按钮，则各设备按照顺序依次启动，设备启动过程中，启动按钮前的方框处于绿闪状态，直至应该启动的所有设备启动。系统运行起来后，“渣制备系统运行”前的方框变为绿色。点击“停止”按钮，则各设备按照顺序依次停止，停止按钮前的方框处于蓝闪状态，直至所有设备停止。

4 结论

本文针对环保型渣处理系统，设计了基于Siemens Simatic S7-400 PLC的控制系统，介绍了该控制系统的构成及控制功能，实现了渣处理系统的自动控制，提高了工作效率，减少了故障率。并建立了完善的故障处理机制，是故障处理更加准确及时。操作简单，极大地降低了运营成本。经过几年的运行测试，该系统控制效果良好，达到了预期设计要求，很值得进一步运用和推广。