（机械电子工程专业论文）基于企业网的高炉电除尘计算机监控系统研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电除尘器以其高效率、低能耗、运行稳定等特点在钢铁厂高炉除尘装置 中占据了重要地位。电除尘器在钢铁行业的应用，很大程度上解决了高炉出 铁场烟尘排放、空气治理等环境问题。但是，实际运行中的电除尘系统仍然 存在很多问题。据有关数据统计，截止到2 0 0 1 年，电除尘器在钢铁行业除尘 系统中的应用比重为8 0 以上，达不到设计除尘要求的占4 0 以上。造成电除 尘器除尘效率低下的原因很多，主要表现在对电除尘系统缺乏科学地管理和 监督，电除尘系统设备分散，无法有效地对其进行集中控制和维护，系统已 有的监控和管理技术落后，造成运行人员工作量较大，无法及时发现运行中 的参数异常，从而导致设备故障运行或导致事故发生。 文中针对电除尘系统运行中存在的普遍问题，主要从以下几个方面进行 了研究： 高炉电除尘系统计算机监控技术的研究与应用。 高炉电除尘数据库管理系统的开发与实现。 高炉电除尘系统与企业网互联技术的研究。 文中以武汉钢铁公司炼铁厂3 号高炉电除尘系统为例，在分析和研究电 除尘系统存在的普遍问题的基础上，应用现代计算机技术、工业控制技术、 网络通信技术、故障诊断技术等提出合理的改进设计方案，组建了高炉电除 尘计算机监控系统、高炉电除尘数据库管理系统。同时，采用c 1 i e n t s e r v e r 和b r o s e r s e r v e r 相结合的网络通信结构，利用力控组态软件妥善解决了电 除尘系统与企业网互联问题。改进后的电除尘系统，增强了自动化管理水平 及控制能力，实现了电除尘系统故障预测，提高了除尘效率。该系统为实现 电除尘器和除尘输灰系统长期安全、高效运行提供可靠保证。文中对系统组 建过程做了详细阐述，该系统已投入使用，实践证明，改进设计方案是合理 的、有效的，既解决了系统存在的问题，又扩充了系统功能。 针对电除尘系统运行故障率偏高、故障发生的原因和部位错综复杂等问 题，本文最后提出了建造电除尘故障诊断专家系统的设想。由于时间关系， 笔者未能对电除尘故障诊断专家系统做深入的研究，但该系统基本框架及初 期工作笔者已经完成，系统还有待于完善。 关键词：企业网，高炉，电除尘器，监控系统，数据库管理系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r ( e s p ) t a k e s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h eb l a s t f u r n a c ed u s tr e m o v i n gd e v i c e so ft h es t e e l w o r k sf o ri t sh i g he f f i c i e n c y , l o we n e r g y c o n s u m i n ga n ds t e a d yp e r f o r m a n c e t h ea p p l i c a t i o no ft h ee s pi nt h ei r o na n d s t e e li n d u s t r yh a sg r e a t l ys e t t l e dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m ss u c ha ss o o te m i t t i n g ， a i rd i s p o s i n ge t c i nt h et a p h o l ep l a c e b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m si nt h e r u n n i n ge s ps y s t e m a sf a ra s2 0 0 1 ，t h er a t i oo f t h ea p p l i c a t i o no fe s pi nt h ei r o n a n ds t e e li n d u s t r yi sal i t t l em o r et h a n8 0p e r c e n ta m o n gw h i c ha l m o s t4 0 p e r c e n t a r en o tu pt op a r t h e r ea r em a n yr e a s o n so f 协el o w e f f i c i e n c yo fe s p s ，s u c ha s t h ea d m i n i s t r a t o r sd on o tm a n a g et h e ms c i e n t i f i c a l l y , t h ee s p sa r eh e r ea n d t h e r e ， s oi ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o la n dm a i n t a i n , t h et e c h n o l o g yo ft h ee p s si so u to f d a t e ， a sar e s u l t ，t h ew o r k l o a do ft h ec o n t r o l l e r si s g r e a ta n dt h e yc a nn o tf i n dt h e a b n o r m a lp a r a m e t e r t i m e l ya n dm a y l e a dt oe q u i p m e n tf a i l u r eo ra c c i d e n t a c c o r d i n g t ot h e g e n e r a lp r o b l e m s o fe p s ，t h i sp a p e rm a i n l ys t a t e dt h e a s p e c t sw e h a v es t u d i e d ： t h e s t u d ya n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t h e b l a s tf u m a c ee s p t h e d e v e l o p m e n ta n d r e a l i z a t i o no f t h ed b m so f t h eb l a s tf u r n a c ee s p t h c s t u d yo f i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n i q u eo f e s p s y s t e m a n dt h ei n t r a n e t o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h eg e n e r a lp r o b l e m se x i s t i n gi n a ne s pc o n t r o ls y s t e m ，t a k i n gt h et h i r db l a s tf u l t i a c ee s p s y s t e mi nw u h a ni r o n a n ds t e e l c o m p a n yf o re x a m p l e ，b yu s i n g o fc o m p u t e r t e c h n i q u e ，c o n t r o l t e c h n i q u e ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n df a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e ，t h i s p a p e rp r e s e n t s a ni m p r o v i n gw a yt oe s t a b l i s hab l a s tf l l r n a c ee s pc o m p u t e r s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma n dd b m s t h e nc o m b i n i n gt h en e t w o r kf r a m eo f c l i e n t s e r v e rw i t hb r o w s e r s e r v e rt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee s p s y s t e ma n d t h ei n t r a n e tb yu s i n go ff o r c e c o n t o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e n o w , t h e l e v e lo fa u t o m a t i cm a n a g e m e n t ，c a p a b i l i t yo fc o n t r o la n de f f i c i e n c yo nt h ee s p s y s t e ma r ei m p r o v e dg r e a t l y , i na d d i t i o n ，i tc a r la l s op r e d i c tt h ee q u i p m e n tf a u l t ， t h em o d i f i e ds y s t e mc a n h e l pw o r k e r t oi n s u r ee s p r u n n i n gs a f e l ya n de f f i c i e n t l y i nal o n gt i m e i ti si n t r o d u c e di nd e t a i l st h a tt h et e c h n i c a lr e f o m lo ft h e 武汉理工大学硕士学位论文 c o n s t r u c t i o no fs u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mf o re s p p r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w s t h a tt h er e f o r mi sr e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v e i na d d i t i o n ，t h ef u n c t i o no ft h es y s t e m i se x t e n d e dg r e a t l y a c c o r d i n gt ot h ec o m p l i c a t e de q u i p m e n tf a u l te x i s t i n gi ne s ps y s t e m ，t h i s p a p e rp r e s e n t st h ec o n c e p tt od e s i g naf a u l td i a g n o s i se x p e n s y s t e mo f e s et h e w r i t e rc a l ln o tm a k eat h o r o u g hs t u d yi nas h o r tt i m e b u tt h es y s t e m 疗锄ea n d i n c i p i e n tr e s e a r c hh a sb e e nd o n e k e yw o r d s ：i n t r a n e t ，b l a s tf u r n a c e ，e s p , c o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ， d b m s t l i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着我国钢铁行业的高速发展以及人类对环境保护意识的不断增强，钢 铁厂中高炉生产烟尘排放所引发的环境污染问题已经逐步成为行业人士高度 关注的焦点。 电除尘器以其高效率、低能耗、运行稳定等特点在钢铁厂高炉除尘系统 中得到了广泛应用。电除尘器在钢铁行业的应用，很大程度上解决了高炉出 铁场烟尘排放、空气治理等环境问题。但实际运行中的电除尘系统仍然存在 很多问题，据有关数据统计，截止到2 0 0 1 年，电除尘器在钢铁行业除尘系统 中的应用比重为8 0 以上，我国钢铁厂现有电除尘系统，由于管理和维护不善， 达不到设计除尘要求的高达4 0 以上。卜“1 。造成电除尘器除尘效率低下的原因 很多，但最突出的表现是对电除尘系统缺乏科学地管理和监督，电除尘系统 设备分散，无法有效地对其进行集中控制和维护，系统已有的监控和管理技 术落后，造成运行人员工作量较大，无法及时发现运行中的参数异常，或者发 现异常后由于本身素质，无法正确处理故障，从而最终导致设备故障运行或 导致事故发生”1 。 本文以武汉钢铁公司炼铁厂3 号高炉电除尘系统为例，针对电除尘系统 运行中存在的普遍问题，应用现代计算机技术、工业控制技术、网络通信技 术、故障诊断技术等对原有系统进行改进升级，提出合理的改进设计方案， 目的是提高电除尘系统的自动化管理水平及控制能力，提高除尘效率，实现 电除尘系统故障预测，为运行人员提供辅助工具，为电除尘器和除尘输灰系 统长期安全、高效运行提供可靠保证。 1 2 问题的提出 高炉是大型钢铁联合企业重要的炼铁设备，高炉出铁场是高温铁水经铁 水沟分配至多个铁水罐的工作平台。这个平台上有开口机、泥炮、撤渣器等 设备，还有长达4 0 5 0 m 的铁水立柱、支沟和渣沟。武汉钢铁公司现有五座 大型高炉，除5 号高炉采用摆动流嘴出铁外，其余四座均采用铁水沟铁水罐 武汉理工大学硕士学位论文 方式，高温铁水从出铁口到铁水罐途中，铁水表面与空气接触发生强烈的氧 化反应，沿途铁水降温不断析出石墨片，还有铁水与沟料的剧烈反应等会产 生大量的烟尘，这些烟尘遍及整个出铁场平台，烟尘量大而且尘粒细。一般 粒径小于1 0pm 的烟尘占6 0 ，如未经治理直接排放，会造成严重空气污染。 小于lum 的烟尘占4 0 ，而小于lum 的粉尘能长期悬浮于空气中，极易被操 作工人吸入体内，溶解于呼吸道的分泌液中，影响人体肺脏”3 。因此，出铁场 烟尘治理己视为武钢炼铁厂高炉生产必不可少的内容之一。 武汉钢铁公司炼铁厂于8 0 年代末设计和安装了一套电除尘系统，目的是 解决3 号高炉出铁场烟尘污染问题。经过几年的现场实践运行，该系统基本 达到了设计要求。但是，由于当时计算机技术和设备性能的限制以及系统维 护不善等原因，电除尘系统运行中暴露出很多问题，具体表现在： 电除尘器在线监控技术落后，系统实时性差( 延迟时间在3 到5 秒) ，数 据更新速度慢，导致电除尘监控系统运行周期过长，监控系统无法及时、 客观地反映除尘系统的当前运行状况。由于系统维护不善，原有上位机监 控系统已经彻底瘫痪，无法实现除尘系统的实时数据采集、命令发布以及 监控可视化等功能。 目前，电除尘系统运行的稳定性和可靠性欠佳，运行故障率偏高，故障发 生的原因和部位错综复杂，导致运行人员不能及时发现并正确分析故障原 因，以至无法及时排除故障，造成电除尘系统长期携带故障运行，除尘效 率下降，除尘排放超标，引风机磨损严重，影响了炼铁厂的正常生产。 除尘系统生产数据是实现安全、高效、高质量除尘的依据，电除尘系统应 具备完善的数据查询和追踪体系，用于存储和维护历史数据，为科学生产 提供数字化保证。3 号高炉电除尘系统高、低压设备较多，除尘数据和参 数多而复杂，对于数据和参数的保存和维护仍然采用手工记录，工作效率 极低，数据可信度不高，数据更新速度慢且工作量大。因此，建立电除尘 数据库管理系统势在必行。 武钢炼铁厂正致力于实现企业生产网络化管理和信息化管理的进程中，建 立一个基于工业现场的企业网络体系是该厂试图改变以往不尽合理的业 务流程、减轻维护人员日常劳动强度、为厂级中高层管理人员提供及时有 效的决策依据的唯一有效途径。电除尘系统的升级改造工作必须充分考虑 企业发展的总体要求。所以，如何借助网络技术建立电除尘系统与厂m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 网的互联、实现除尘现场的网络化 管理就成为该厂目前急需解决的技术问题。电除尘过程控制的生产数据及 2 武汉理工大学硕士学位论文 监控画面应能及时传送到相应的生产管理部门( 环保监管部门、设备管理 部门、设备维护部门等) ，实现工厂除尘设备自动运行和综合管理功能， 而原有除尘系统根本不具备上述功能，电除尘系统无法实现与企业内部生 产管理部门的网络互连。 1 3 研究内容 针对高炉电除尘系统存在的普遍问题，本文结合武汉钢铁公司炼铁厂3 号高炉电除尘系统重点对以下几个方面进行了探讨和研究： 高炉电除尘系统计算机监控技术的研究与应用。 高炉电除尘数据库管理系统的开发与实现。 高炉电除尘系统与企业网互联技术的研究。 本文通过对上述几个方面的研究，目的是在充分利用钢铁厂现有除尘设 备的基础上，以减少企业资源浪费和投入为目标，开发和组建一套可靠、实 用的电除尘器计算机监控与数据管理系统，并将该系统与企业m i s 网互联， 以此来保证电除尘系统能够长期安全、高效地运行。 溅汉理工大学硕士学位论文 第2 章毫除尘原理及控制功能描述 2 电除尘器工作原理 电豫垒器是遴遘嵩歪整流变糙器褥到静赢流电基巍放邀稷与l | 芟集檄之闯 建立起一个电场，在浆一电压下放电极与收集极间的气体发生电爨放电，使 得放电极附近产生大量载流子( 自由电子，正负离子) ，在电场的作用下。带 受电熬载滤子自收集掇移动，由予豢电载浚子豹辩羞瞧，赴予敖魄掇等牧集 极间的灰尘微粒也带上了负电。向收集极移动，灰尘沉集在收集板上，直到 振打装置将它们清除。勇外，还肖一些带上正电荷的获尘附着在放电极上产 生了定的绝缘作用，为保持放电极的放毫效果，放电极也鼹不凝地遴过振 打清灰。所有清下的灰尘通过刮灰机岛输送链送到灰尘仓。所以。只有具备 尽可能高熬除尘电压等足够大懿涂尘毫漉方缒产擞是够多静载子。旁诧，涂 尘电压被控制在诲穿电压( b r e a k - t h r o u g h ) 区域。当达到击穿电压时，高密 度的载流予形成等离予通道( p l a s m ac h a n n e l ) ，从而产生飞弧。除尘控制系 统礁缳在飞鞭产焱时不会形成持续挂熬电薮，姨嚣实瑗最，j 、运簿戏本与最氇 收尘效率的协调。卜n ”。 武汉钢铁公司炼铁厂3 号高炉电除尘系统选糯的燕e s p - 2 2 4 m 2 电除垒器 ( 共2 台) 。主攒分a 、b 嚣室，每室分3 个电场，每个电场的弱、阳极板分 别采用振打锤进行振打。其结构见图2 - i 。 搌打褥 图2 - ie s p - 2 2 4 m 2 电除尘器主体结构示意图 2 2 电除尘系统控制功畿概述 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 过程控制 电除尘系统过程控制包括电除尘器本体阴阳极定时振打、保温箱恒温控 制、卸灰控制、输灰联锁控制等。 2 2 1 1 电除尘器本体阴阳极定时振打控制 由于电除尘器各电场粉尘量不同，各电场阳极振打装置设置为不同的振 打时间和周期，从而避免粉尘的二次飞扬。该系统设置的振打时间和周期是 对每组振锤而言的，在每个电场的阳极振打轴上装有2 5 个振锤，按角度分1 3 组，振打轴由阳振电机带动，旋转一周需2 1 0 秒，每组振锤振打间隔时间约 为1 7 秒，也就是说阳振电机启动1 7 秒就必然有一组振锤对极板施行了振打。 因此本系统设置的振打时间为1 7 秒，停打时间根据各电场粉尘量不同而不同， 各电场振、停时间比一般在1 ：l l ：2 0 的范围内选择，系统将振、停时间比 设定为可选参数( 见表2 一1 ) ，用户可在实践中选择最佳比例。 表2 - 1 阳极振、停比参考表 【电场序号 123 【振、停比 1 ：l 1 ：51 ：5 1 ：1 01 ：l o 1 ：2 0 2 2 1 2 保温箱恒温控制 为了使高压绝缘瓷套的温度始终高于露点温度，防止产生高压击穿故障， 除尘器为它设置了保温箱。系统对保温箱旌行上、下限定温的双位控制。当 温度检测仪检测回的温度高于上限值时，p l c 停掉电加热器，停止对保温箱加 温，从而完成保温箱的恒温控制。 2 2 1 3 卸灰控制 对于卸灰控制，除尘系统采用两种控制方式：上下限料位卸灰控制和定 时卸灰控制。并设置了选择按键，用户可任选其中的一种控制方式。 上下限料位卸灰控制 在本系统中电除尘器的三个电场灰仓都设置了下限料位检测仪，仅第一 电场的灰仓上设置了上限料位检测仪，三个电场的卸灰启动信号就是由它提 供的。每个电场卸灰停止信号是由本电场灰仓上的下限料位检测仪提供的。 由于三个电场共用一个输灰分支螺旋机，所以，为避免发生堵灰现象，三个 电场的灰仓不能同时卸灰。p l c 程序编排的次序是：从一至三电场依次卸灰， 并提供了软件联锁，以确保二个电场不能同时卸灰。每个电场卸灰后，经一 武汉理工大学硕士学位论文 段延迟时间，p l c 要启动该灰仓的振动器，清除积累在仓壁上的粉尘，延时时 间和振动时间都可以进行修改。 定时卸灰控制 这种方式是在料位检测仪失灵的情况下使用的，可以人为选择，也可以 由p l c 自动选择。在2 4 小时内，如果系统没有发生过一次卸灰作业，p l c 将 自动切换到定时卸灰方式。这种方式每日卸灰一次，卸灰顺序和时间都是固 定的，也具备软件联锁功能，可确保分支螺旋不发生堵灰现象。但由于时间 是预先设置的，如果不合适，很容易发生灰仓积灰过高或卸灰过量，而导致 电场短路或灰阀漏风故障。因此，要求使用者在实践中积累经验，选择最佳 时间参数，使该方式能正常运行。 2 2 1 4 输灰联锁控制 电除尘系统共控制二台双室三电场e s p ( 电除尘器) ，每室设有两排灰仓， 每排灰仓设一台输灰分支螺旋机，因此，电除尘系统共有八台分支螺旋机， 一台汇总螺旋机和一台提升机，如图2 2 所示。 叠 升 机 息曩触l 图2 - 2 输灰系统示意图 电塌 荻一 由于汇总螺旋机与分支螺旋机容量相同，因此，每次卸灰作业时不可同 时运行两条以上的分支螺旋机，即不可同时启动两排以上的灰仓卸灰阀。电 除尘系统对其设置了软件联锁，在料位控制方式下，当有两条以上的分支螺 旋机需要运行时，只运行其中的一条，其它按顺序等待。在时间控制方式下， 分支螺旋机按它们的序号由小到大，由1 号e s p 至2 号e s p 依次运行。 输灰、卸灰系统中的设备还进行了级间联锁( 见图2 3 ) ，即上一级输灰 设备运行后，经一段延时，方可运行下级设备。当运行中某台设备发生了故 障，与之对应的下级设备应立刻停机，这种联锁也是为防止输灰设备发生堵 6 武汉理工大学硕士学位论文 灰现象而设置的。匿旦圈豢囤 圈卫圈案国 图2 3 输灰、卸灰设各级间联锁 电除尘系统要实现高效、高质量的除尘目标，就必须将上述电气设备及 控制过程有机结合，图2 - 4 为电除尘系统工艺流程图。 图2 4 除尘系统工艺流程图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 节能降耗控制 2 22 1 通风系统节能控制 在高炉生产过程中，出铁作业为间断性的，出铁与非出铁时间约各占一 半，在高炉不出铁时不产生烟气，因此高炉出铁场除尘系统风机是长期处在 一种间歇操作的负荷下工作。为了适应高炉的生产特点，在风机与电机之间 设置液力偶合器，控制风机在非出铁时间内处于低速运行，降低风机的轴输 出功率，节省不出铁时间内的电力消耗。 通风系统的调速与节能设备选用高速型液力偶合器，它是安装在原动机 ( 高压电机) 和工作机( 风机) 之间的一种液力传动调速装置，安装位置见 图2 - 5 。它可以在电机输入转速恒定时，对输出转速进行无级调节，并使原动 机的功率通过偶合器泵轮和涡轮之间的工作油的循环流动，平稳而无冲击地 传递到工作机。 图2 - 5 偶合器安装位置示意图 偶合器驱动风机、多叶阀以及出铁场的全部阀门( 调节阀、启闭阀) 组 成除尘排风系统。对此系统的控制由p l c 完成。 引风机调速 引风机调速是通过偶合器进行调节的，偶合器好比离心泵和涡轮机的组 合，当高压电机带动偶合器输入轴使泵轮旋转时，泵轮如一台离心泵，使工 作腔中的工作油液沿着泵轮叶片流道向外缘流动，油液流出之后，穿过泵轮 和涡轮之间的空隙，冲击涡轮叶片从而驱动涡轮，将液体的动能和压能转变 为输出轴的机械能。然后，液体又经涡轮的内缘流道流回到泵轮，开始下一 次循环。当偶合器运转时，主循环油泵将偶合器油箱的工作油吸入，经冷却 器送至导管壳体中的进油腔，并经泵轮入油口进入工作腔，同时，工作腔中 的油液从泵轮泄油孔泄入外壳( 勺管室) ，形成一个旋转油环。这样，就可利 8 武汉瑷工大学硕士学位论文 用谲速装麓( 电机执行器和杆秤) 操纵勺管径向伸缩，以改变外壳里的油环 厚度，即泼变工作腔中熬油量，实现对转速戆炙级谖节。簸居，导管潍出熬 油通过排油器回到油箱。 p l c 遴遵d a 转换，将d c 4 2 0 m a 的信号送至偶合器静电动执行器，戳魄 流大、小的变化，完成对偶合爨的无级调遽。 泓铁场阀门的自动开、关控制 逡铁场工程设诗艇定了亵条铁路线运送铁求，第一条铁路线运送号帮 四号出铁口的铁水，第二条铁路线运送二号和三号出铁口的铁水。同时，出 铁工艺过程还规定，铁路线一铡的两个出铁口不能同时工作。因此，阴个出 铁口的联锁关系僵如褒2 2 所示的六耪。凑瑷。 表2 2 出铁口工作状态分配 一号、四号只能有一个口z 作 二号、三号 最靛寿一个蜀王 # 一号，二号可以阎时工作 四号、三号 可以同时工作 一号、三号 覃熬霹黠王捧 四号、二号可以同时工作 出铁场各调节阕、窟阙阙在偶会爨运转蜃，调节凝f m l 、f m 2 、f m 3 帮痿 闭阀f m 8 先打开，而后多叶阀开启一定的角度，并使风量维持在5 0 万m 3 h 。 当偶合器转速达弼9 2 5 转分时，调节阕潮垂一赚7 打纤，之后，多醉阀继续 开大，并使风量维持程7 0 万m 3 h 。偶食器减速时，阀门的控制顺序与开启时 相反，即先关f m 4 一f m 7 、厝关f m l 、f m 2 、f m 3 、f m 4 、f m 8 。另外，房闭阀f m 9 、 f m l 0 分裂控割强套除鑫系统豹憨撵菇管道露，当藕合器秀始工作后，箕倭全 部打开。 以上备阀门除多时阀潮模拟量控制外，其余均由开关羹控制，并融各阀 门在关闭辫均设毒到使开关完成联锁功能。 2 。2 2 2 粉尘浊度定馕排放控制( 高援柜节能控制) 粉尘浊度定值排放是为了节省电能而设计的，高炉出铁口的作业是断续 进行的，捧韭时产生豹烟气浓度也是不断交仡的。因虢，高压枢输出的功率 9 武汉理王大学联士学位论文 应当随着浓度的变化而调整。本系统在每台电除尘器的出口设置了一台粉尘 浊度仪，p l c 根据浊度仪送来的信号，不断发出调雅高聪柜输出功攀的命令， 搜蓑 敖浓度媲终控剑在人为设定戆理想范围内，爨不超过国家规定的标准， 又可节约大量的电能。 本系统为羚套浓度设定了上下限瓣僮。姿窀豫尘器穗誓粉尘浓度超逛上 限阉值时，p l c 会自动向高压柜供电控制桓发燃丹离输出功率的命令，反之， 则发出降低输出功率的命令。一电场的高压控制橙除在出铁口不作业时被系 绞鸯动关怒辨，一般不受系统控截。二、三彀场熬凑压按铡梃瞧不弱薅受控。 农降低功率时是从三电炀起控的，升高功率熄从二电场起控的。当受控柜达 到极限，系统控制命令将自动转向另一电场的梳税。高珏控制的极限值和耪 纛浓度上下耀蓬都是可以谡熬豹，其控制渡穗见图2 - 6 。 鍪2 - 6 高隳藉浓度控涮流稔图 由于烟气行走距离和a d 转换速度等因素的影响，条命令产生的效果 癸延遮一段瓣霹方麓在窀豫垒器爨习浓度土爱浃爨寒。艨戳鼹条念令润簧麴 段延时，这个时间是可修改参数，用户可在时间中选择最饿值。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章高炉电除尘计算机监控系统方案设计 3 1 国内外监控技术发展现状 社会的进步、科学的发展带动着现代化工业飞速前进，企业不仅在规模 上越来越大，而且在生产设备的智能化程度上也有了长足的进步。设备本身 通过自身所具有的微控制器和现代控制算法已经可以对工业现场发生的情况 做出判断并采取相应策略进行处理。但是如何对企业内所有的设备进行有效 地监控，简化监控手段，提高监控效率，并且提高系统的可靠性，使其发挥 最大效用就成为一个迫切需要解决的问题。 早期的控制系统生产规模较小，监控仪表尚处于发展的初级阶段，采用 的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式仪表，其信号 仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表和系统，即各测控点只能成 为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了 解生产过程的状况“”叫”1 。随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点 的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作监制，于是出现了气动、 电动系列的单元组合式仪表，出现了集中监控室。生产现场各处的参数通过 统一的模拟信号，如0 0 0 2 0 o i m p a 的气压信号，0 i 0 毫安、4 2 0 毫安的 直流电流信号，i 5 伏直流电压信号等，送往集中监控室，在控制盘上连接。 操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信 号按需要组合成复杂监控系统。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接， 信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干 扰能力也较差，于是人们开始寻求用数字信号取代模拟信号的方法，出现了 直接数字控制d d c ( d i g i t a ld i r e a rc o n t r 0 1 ) 。由于当时的数字计算技术尚 不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代监控室的几乎所有仪表盘， 把多个变送器、执行器通过一对一连线被接到一台中央监控主机上，由这台 计算机对工业设备进行直接数字控制。这就是“集中式”控制的概念，由于 当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有 监控回路瘫痪、生产停产的严重局面。直接数字监控带来了集中管理、控制、 报警和收集历史数据等优点，同时也伴随着布线费用高、不便于扩展、危险 武汉理工大学硕士学位论文 集中、可靠性低等缺点“6 叫”1 。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器，可 编程控制器( p l c ) 、以及由多个计算机递阶构成的集中分布相结合的集散监 控系统，这就是今天仍被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中，测量变送、 执行器一般由模拟仪表完成，它们与位于监控室实现控制计算和监视的计算 机一起共同构成监控系统，因而是一种其信号需在现场与监控室之间往返传 递的模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字 监控系统有了很大进步，可实现装置级、车间级的优化监控。但是，在d c s 系统形成过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭的缺陷影响，各厂 家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操 作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难，同时由于d c s 对于现 场所监控的每一个参量都必须使用一根数据线来传送，所以现场形成了密如 蛛网的连接，这不但增加了系统的复杂度，降低了其可靠性，也使其成本大 为增加m 1 。 现场总线的出现促使传统监控系统结构发生变革，形成了新型的网络集 成式分布监视和控制系统现场总线控制系统f c s 。这是继基地式监控系 统、电动单元组合式模拟仪表监控系统、集中式数字j | 蠡控系统、集散监控系 统d c s 后的新一代监视控制系统，它顺应了监控系统向分散化、网络化、智 能化的发展方向。现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用协议的封 闭网络来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开 化标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化 设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把 d c s 集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功 能彻底下放到现场，依靠现场智能设备实现基本监控功能“”叫州。 单从数字控制系统发展的角度来看，从d d c 到d c s 再到f c s 的演化过程 如图3 一l 所示。 图3 - i 控制系统的演变过程 武汉理工大学硕士学位论文 随着计算机监控技术的发展，工业监控系统的复杂性增加、数量增大， 工业监控系统已经开始走向标准化，构成工业监控系统的可组合化的硬设备 已经成型，这使工业监控系统的兼容性、可靠性、互换性都大大增加，并且 使系统易于升级和替换。与此同时，工业监控系统软件的开发也获得了长足 的发展，这使大多数用户和项目承包商不必自行开发相应的应用软件，只需 购买发展较成熟的监控组态软件就可以满足工程项目的要求，既可缩短开发 周期，又可保证软件技术质量。监控组态软件作为用户可定制功能的软件平 台工具，是随着分布式控制系统d c s 及现场总线技术的日趋成熟而发展起来 的。是d c s 和现场总线技术的商品化应用促成了组态软件概念的普及。随着 微处理器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控设备的价格得以大幅度 降低，体积也逐渐缩小，另外，计算机网络技术的发展使得监控设备之间的 互联通信变得简单易行。所有这一切都促成了监控组态软件的普及与推广， 组态软件的出现加快了整个社会的信息化步伐，提高了自动化工程的工作效 率，减少了系统维护和升级费用。工业现场总线技术及组态软件的应用使得 工业监控系统的发展达到了一个新的阶段，计算机技术的发展必然带动监控 系统的发展，各种计算机技术在监控系统中的应用，将使监控系统不断地成 熟和完善”1 。 3 2 电除尘工艺过程对监控系统的要求 现代钢铁生产日益朝着大型、高速、高效、连续、集成与自动化方向发 展，伴随这一发展趋势，我们对高炉除尘系统生产过程的监控系统设计也提 出了更高的要求，除了要具备传统监控系统所必须的快速、准确和稳定的要 求外，还必须具备如下特点： 高度可靠性。高炉电除尘系统生产过程的高度复杂性和高速、高效化特点 决定了任何因素导致除尘过程中止都会带来巨大经济损失。对于企业而 言，特别是监控系统失效以及系统和设备故障而引发的生产过程停止会造 成企业生产无法想象的灾难。作为高炉电除尘过程的控制指挥中心监 控系统必须具备高度的可靠性。 高度智能化。作为电除尘过程控制指挥中心，监控系统承担着对整个除尘 生产过程的调度、指挥和协调功能，应能及时地对除尘过程中出现的异常 或故障进行检测、隔离、诊断和排除，并且在监控系统自身出现故障和异 常时完成自诊断和自维护功能，以保证除尘过程安全高效地进行。这就要 武汉理工大学硕士学位论文 求监控系统应具备一定的智能，运用现代人工智能、计算机与故障诊断理 论及时处理除尘过程中出现的各种异常与故障，保证除尘过程按预期目标 正常运行是本文研究和探索的重点。 实时性。监控系统除了完成对除尘过程正常的的监视与控制任务外，还必 须对除尘过程中的各种信息如各种过程变量、设备状态变量等进行实时综 合的处理，将处理结果告诉操作者，并对相关过程变量及设备状态的变化 趋势做出预测，对可能产生的异常和故障发出报警信号且给出相应处理策 略供操作者参考，尽量避免各种可能故障所带来的损失。显然，上述功能 的实现都必须建立在系统具备良好的实时性基础上，系统采集的数据和信 息必须实时地、客观地反映当前设备运行状态。 网络互联。为实现企业管理部门对电除尘过程的科学管理与监督，监控系 统还应配备网络接口，借助企业m i s 网将电除尘过程的生产数据及监控画 面实时传送到相应的生产管理部门，构成过程自动化与信息管理自动化相 结合的综合型集散控制系统，保证科学生产的先进性。 除了以上功能外，电除尘监控系统还应具备数据库管理功能，维护和管 理生产设备运行参数，存储重要生产数据，为实现电除尘系统高效、高质量 运行提供科学的数字依据。 3 3 监控系统总体方案设计 3 3 1 系统网络结构设计 电除尘器高、低压控制设备可简单地分为以模拟器件为主构成的控制装 置和以单片机为主构成的控制装置。目前，炼铁厂3 号高炉电除尘系统中这 两类设备都有使用。笔者在开发电除尘计算机监控系统的过程中充分考虑到 这一实际情况，使用了一些方法可以直接在该厂现有除尘设备基础上进行加 装，而不论其现有高、低压设备的型号及数量多少，无须更换专用的电除尘 器控制装置，以达到减少系统开发投入的目的。 监控系统根据当今流行的集中管理、分散控制的原则，在上位机与下位 机之间组成一个小型工业控制网络，既可以实现除尘系统运行的自动监控， 也可将监控系统与工厂中央控制室联网，完成特定的数据采集、处理与控制 任务，面向过程，有良好的实时性。3 号高炉电除尘系统采用m o d i c o n9 8 4 p l c 为主控机，采用高性能工控机配备力控( f o r c e c o n t r 0 1 ) 监控组态软件构成 上位监控系统，采用m c s 一5 1 系列单片机高压供电机组为下位机，这样就构成 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 具有三级通讯网络结构的电除尘集中监控系统。上位监控机与9 8 4 p l c 主控机 之间通过一根四芯电缆联接，完成信息传输功能。9 8 4 p l c 主机模块上共有两个 m o d b u s 通讯口，其中的一个口与上位监控机进行通讯；另一个口接上位机进 行9 8 4 p l c 程序的编制和调试。整个网络结构见图3 - 2 。 图3 - 2 系统网络框图 3 31 1i o 远程网络 考虑到电除尘系统控制点多、设备分散等特点，针对受控设备的物理位 置以及控制要求，系统设置了两个远程站，如图3 3 所示( 图中只画出各站 的主机架部分) 。 主机站 图3 - 39 8 4 p l c 远程i o 网络 网络设计中使用了9 8 4 p l c 的i o 远程网络。系统的远距离通讯是依靠 武汉理工大学硕士学位论文 9 8 4 p l c 的$ 9 0 8 高速数据吞吐远程i 0 模块以及在每个远程站主机架上配置的 j 8 9 2 远程i o 适配器模块来完成。主机站和1 号远程站上分别配备了1 号和 2 号e s p 所需要的z o 模块。2 号远程站上配置了出铁场通风系统所需的z o 模块。由于主机站与1 号远程站相距较近，所以被安置在同一个控制室内， 而2 号远程站被安置在远离主机站的出铁现场。各站之间使用r g - 6 型同轴电 缆联结起来。考虑2 号远程站的屯缆较长，信号衰减较大，故使用分支器分 配传输信号，将衰减1 4 d b 的分支分配给l 号远程站，衰减i d b 的分支分配给 2 号远程站，使2 号站能够得到较强信号而克服电缆上的损耗，保证正常的远 距离通讯。 3 3 1 2m o d b u s 通讯网与光电隔离 下位机与主控机之间的通讯是由远程站与下位机组成的m o d b u s 通讯网完 成的。本系统在l 号站上构成了这种网络，如图3 - 4 所示。 l 远程站 图3 4 远程站与高压柜构成的m o d b u s 网 m o d b u s 网络是一种工业通讯系统，由带智能终端的可编程控制器( 本系 统为9 8 4 p l c ) 和计算机通过共用线路或局部专用线路连接而成，系统构成既 包括硬件，亦包括软件，可用于各种数据采集和过程控制。本系统m o d b u s 网 络使用四芯屏蔽电缆，为了提高系统的抗干扰能力，避免噪声干扰串入计算 机，在网络中我们加装了二级光电隔离。它与分支器的区别在于它是一对四 的双向传输，并且是有源部件，不存在衰减问题。通过二级光电隔离箱，一 个远程站可与1 2 台高压设备连网通讯。这样9 8 4 p l c 主控机可通过远程i o 通讯网将命令发给远程站，再通过m o d b u s 网将命令发往高压设备。同样，高 武汉理工大学硕士学位论文 压设备的信号也可通过这个途径逆向送往9 8 4 p l c 主控机，从而完成主从 机的双向信息传递。 3 3 2 系统硬件结构设计 33 21 上位机系统 上位机采用目前广泛流行的p c 总线工控机，它支撑软件丰富，普通p c 机上的软件在其上都能运行：市场上各种i o 模板极其丰富；功能升级便利； 联网极为方便，现在市场上大部分较流行的网络均可在其上运行，因此可以 方便地使用它形成集散型系统；可靠性高，平均无故障时间可达数万小时； 抗干扰能力强，具有容量大、防尘、防震等功能；工业p c 机价格低廉，互换 性好，在其上开发的软件有良好的可移植性。另外，上位机部分还配备c r t 显示器、键盘、网卡、e p s o ne x 3 打印机、不间断u p s 电源等辅助设备。 3 3 2 2 主控机站及远程工作站 根据电除尘系统控制点多、设备分散等特点，系统设置了主控机站和两 个远程工作站。其中，主控机站和l 号远程站上分别配备了1 、2 号电除尘器 本体控制所需的i o 模块。2 号远程站上配置了出铁场通风系统所需的i o 模块。主控机采用美国m o d i c o n 公司生产的9 8 4 6 8 0 系列可编程控制器， 9 8 4 p l c 由c p u 模块、电源模块、远程i o 处理器模块( $ 9 0 8 ) 、模拟量i o 模块( b 8 4 6 ，b 8 7 5 ) 、数字量i 0 模块( b 8 0 8 ，b 8 0 9 ) 、框架等组成，它利用 保存在可编程存储器中的指令程序进行操作，这些指令程序是根据除尘工艺 流程而编写的，c p u 通过扫描程序接收现场信号( 例如，温度采集处理器的温 度信号、料位信号以及输卸灰设备的电气信号等) ，然后通过数字量和