（计算机应用技术专业论文）焦化筛焦除尘控制系统的设计与实现.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 钢铁行业是我国国民经济的重点行业，也是污染较重行业。随着国家环保政策的实施 和人们环保意识的提高，对焦化筛焦除尘效果提出了越来越高的要求，如何高效彻底解决 筛焦过程中烟尘污染问题引起各焦化厂高度重视。 本文以某大型焦化公司焦化生产过程为背景，首先介绍了焦化生产的工艺流程以及美 国艾伦布拉德利( a b ) 公司c o n n o l l o 西x 系统的基本结构，阐述了可编程控制器在焦化除 尘控制系统中应用的可行性。在此基础上，分析焦化生产过程需要解决的问题以及实现的 控制功能，提出筛焦、除尘控制系统的研究和设计方法。然后构造系统总体框架，包括系 统硬件结构、软件实施等。建立p l c 网络，利用c o n 仃o l n e t 形成开放型的两级计算机控制 系统。 系统软件以新一代过程控制系统c o n 缸o l l o 昏x 为开发平台，上位机选用工业组态软件 r s v i e ws t i l d i o 进行对生产过程的实时监控和数据的存储；下位机采用c 咖由的l l o 百x 自动化 系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式i o 接收现场传感检测信号。 本文给出了系统的调试步骤和方法，该系统已经在焦化公司成功使用，运行时间已达 数个月，运行期间无故障，停机实时性好。实践表明，该系统从根本上保证了筛焦除尘系 统的稳定，实现了生产自动化。 关键词：筛焦除尘；过程控制；c o n 们1 l 0 西x ；工业组态软件 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i r o n 鲫ds t e e li n d u s t r yi st h ek e yi n d u s t r i e so fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y ， w l l i c hi sa l s o s 嘶o u s l yp o l l u t e di n d u s t r i e s w i t hm ei m p l e m e n t a t i o no fe n v i r o 啪e i l t a lp o l i c i 锱锄dn l e e n h a i l c 锄e n to fp e o p l e se n v i r o n l l l e n t a lc o n s c i o u s n e s s ，t h e r ea r em o r ea n dm o r er e q u i r 锄1 铋t st o n l ee 舔斌o fs i “i n gc o k e h o wt os o l v em ep r o b l 锄o fd l l s tp o l l u t i o nm l r i n gs i e v i n gc o k e e 毹c t i v e l ya 1 1 dd o w i l r i g l l th a sa r o s eh i 曲l yr e c o 印i t i o ni n 髓c hc o k i n gc o m p a i l y 1 l l i sa n i c l et a k e ss o m ec o k i n gc o m p a n y sc o l ( i n gp r o c e s sf o re x 锄p l e i tf i r s n yi n 缸0 d u c 够 m et e 6 h i l i c a lp r o c e s so fc o k i n gp r o d u c t i o n 觚db a s i cc o n l e i g u r a t i o no fc o n t r o l l o 酉xg y s t e m p r o d u c e db ya 1 1 e i l - b r a d l e yc o m p 锄y ，e x p a t i a t e sf e a s i b i l i t ) r o fm ea p p l i c a t i o no ft 1 1 e p r o g r a i 砌a b l ec o n 缸o l l e ri nm ec o k i n gd u s tr e l l l o v a lc o n t r o ls y s t e i l li nd e t a i l s o m e 邮b l 锄s b a s e d0 n l ew o f i 【i n gf l o w so ft l l ec 0 l 【i n gp r o c e s sa r e 锄a l y z e d 锄dm ec o n 臼o l 胁嘶o n sa r ep l | t 仍r w a r d ，r e s e a r c ：h 跚dd e s i g nm e m o d sf 0 rs i e v i n gc 0 i k ea n dd i i s tr e m o v a ls y s t e ma mp l 】l f 0 州a r d t h e nt t l ew h o l es 仇l c t u r eo ft 1 1 es y s t 锄si n d u d i n gt h eh a r d w a a n ds 0 f t 、) l ，a r e 台a m ei s b u i l t 7 1 1 l r o u g hm ep l cn c t 、) l ，o f i 【s ，m a k eu po fat 、) l ，o l e v e l sc o m p u t e rc o n 缸0 ls y s t 锄l l s i n g c o n 屯r o l n 既 an e wp r o c e s sc o n 仃o ls y s t 锄c o n 昀1 l 0 百xi sa d o p t e d 弱t 1 1 ed e v e l o p i n gp l a t f o m 删- t i m e s u p e 州s i o ns y s t e m sa r ed e v e l o p e du n d e rw i n d o w s 柚dm ei n d u s t r i a lc 0 n f i g u 础0 ns o 胁a 坞 r s e ws t u m ot og e t 锄ds t o r em ed a 饥r l l ec o i l 仃o l l o 百xa u t o m a t i cs y s t 锄勰廿l ec o i n t r o lm l i 晦 r e a l i z e s 廿l ep r o c e s sc o n 臼0 l ，r e c e i v 懿t l l el o c a ls s o rs i 鲈a l sw i t l lt h ed i s t r i b m e d 伙) r i l ea n i d ep r o 访d e dm es y s t 锄d e ：b u g 舀n gs t 印sa n dm e n l o d s t h cs y s t 锄h 勰b n s u c c 骼s 彻l yu s e di nm ec o k i n gc o m p 锄y 锄dl a s ts e v e 豫lm o n m s d i l r i n gt h c 彻：l i l i n gt i i n e 也e 坞 a r en 0 衄 l l b l eh 印p e i l i n g 锄dm es y s t 锄h 弱9 0 0 dr c a l t i m es t o p t h ep r a c t i c es h o w sn l a t 廿l e s y s t e mf h d a m e i l t a l l yg u 【a r 锄t e e st l l es t a b i l i t yo fs i e v i n gc o k ea n dd u s tr e i n o v a ls y s t e m 钮d c a r r i e so u tp r o d u c t i o na u t o m a t i o n - ，e y w o r d s ： s i e v i n gc 0 k e a i l dd u s tr e l n 0 v a l ；p r o c e s s蛐l ； c o i l 臼0 1 l o 百x ； i n d u 矧a l c o n f i 目l 僦o ns o f t w a r e 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：旌垒叠日期： o 。6 。8 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 大气污染是目前最突出的环保问题之一，烟尘和粉尘是主要的大气污染源。钢铁行业 是我国国民经济的重点行业，也是污染较重行业，烟尘排放量在各行业中居第四位，粉尘 排放量居第二位h 1 。近年来，随着国家环保政策的实施和人们环保意识的提高，对焦化筛 焦除尘效果提出了越来越高的要求，如何高效彻底解决筛焦过程中烟尘污染问题引起各焦 化厂高度重视。因此，设计一套高效智能的筛焦除尘控制系统具有十分重大的现实意义。 某大型焦化公司为进一步扩大焦化生产规模，满足市场需要，提高企业综合经济效益， 新建2 座7 6 3m 焦炉工程，该焦炉具有节约能源、减小污染、提高产能的优势，是国际最 先进焦炉之一。焦炉采用了复热式自动加热系统，炼焦过程实施自动在线控制和监管、机 车联锁定位和车辆自动操作，自动化程度位于世界技术领先水平。同时新建煤气净化系统 一地面除尘站对2 座焦炉产生的煤气进行净化处理，除尘率达到9 0 以上。 本课题主要是建立一套完善的筛焦除尘过程控制系统。实现生产过程的参数全局化、 网络化，解决各个子系统之间的衔接、系统内部的设备连锁、工矿信息的记录等问题，使 控制系统满足生产目标的要求。 1 2 研究现状 我国焦化工业的现状概况起来就是：在主要技术环节上，取得了可喜的成就，焦炉技 术、煤气净化、主要化工产品精制技术均达到世界先进水平。焦化工业自动化水平有了很 大提高，各企业对提高生产工艺自动化更加重视，基础自动化水平有了较大发展，p l c 和 d c s 系统已在新建和改建的焦化厂中广泛应用，并掌握了组态、编程以及信号传输技术； 电控、仪表及计算机控制水平有了大幅度提高；有些企业已向计算机管理方向发展。但由 于多种原因，在总体上说，我国焦化工业与国外比还有不少差距。 焦化工业是污染环境的大户。焦炭生产排放出粉尘、废水、废气、苯并芘等大量有害 污染物，是污染最为严重的行业之一。现己建成的独立焦炭生产企业中，只有少数大型机 焦炉和城市供气机焦炉的煤气得到了全部或部分利用。据估计，独立焦化企业每年放散的 煤气约2 0 0 亿立方米以上。焦化生产过程产生的余热、煤气、焦油不能有效回收，综合利 用水平低，资源、能源浪费严重，污水处理、脱硫等设施达不到环保要求。生产集中度低， 技术和管理水平总体落后，缺乏市场竞争力。在焦化行业中，中小独立焦化企业数量在8 0 9 6 以上，产能约占3 5 。企业规模小、布局分散，生产工艺、技术和装备落后，管理水平较 低，产业链短，成本和能源消耗高，缺乏市场竞争力瞄1 。 当前，我国焦化工业面临的主要课题一是焦化行业结构调整，二是焦化企业技术改造。 焦化行业结构调整的原则是满足国内市场，兼顾国际市场，贯彻可持续发展战略，实施焦 炭生产总量控制，淘汰落后生产能力，节约优质炼焦煤资源，保护环境，逐步关停工艺落 后、污染严重的小型机焦炉，鼓励建设大型机焦炉和大型焦炭生产基地，促进国内焦化行 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 业技术进步。焦化企业的技术改造旨在提高焦化企业的技术装备水平，改善焦炭质量，保 护并合理利用储量有限的优质炼焦煤资源，加强节能与环保，实现焦化工业的高效与清洁 生产。焦化企业的技术改造将集中在焦炉大型化、发展捣固炼焦、加强生产过程的污染控 制、强化煤气脱硫、推广干法熄焦和煤调湿、提高生产过程自动化控制等几个方面。 焦炉生产自动化是一个包含生产控制和管理自动化内容的集成系统。我国的大中型焦 炉一般只实现了生产过程的基础级控制，即采用集散系统对温度、压力、流量、热值等焦 炉生产过程数据进行采集与监控，实现实时数据的显示、报警、连锁等功能。而目前正在 推广的焦炉生产自动化技术包括焦炉加热计算机控制及管理系统、焦炉机械动态自动识别 炉号及对位控制系统、集气管压力综合控制系统、焦化厂生产管理计算机网络系统以及焦 炉烘炉计算机自动测温与管理系统等。焦炉综合自动化系统的构成为模块化结构。可根据 各焦化厂情况和用户要求，一次实现所有功能或逐步实现各项功能口。 大型焦化厂生产过程的计算机控制一直是钢铁联合企业的薄弱环节，虽然国内外学者 在这方面进行了不少研究工作，并取得了一定成绩，但是因为焦化生产过程中的介质复杂， 测量难度大，工艺流程复杂，各工序既独立又相互关联和影响。另外由于焦化生产过程的 有毒污染物多，操作环境恶劣，所以具有一定的难度。为改善焦化生产过程的落后面貌， 降低能耗，提高产品生产质量和减轻操作人员的劳动强度，计算机监控系统已经逐渐进入 焦化生产第一线。 在工业控制中，有三大控制系统，即p l c ( p r o g r a 咖a b l el o g i cc o n t r 0 1 1 e r s ：可编程 逻辑控制器) 、d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ：集散控制系统) 和f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ：现场总线控制系统) 。 p l c 从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了 逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动 控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的p l c 在处理模拟量、数字运算、人 机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备。p l c 由于 采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰 技术，具有很高的可靠性。使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比， 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有 硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以 编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保 护。这样，整个系统将具有极高的可靠性。 d c s 是以微型计算机为基础，将分散型控制装置，通信系统，集中操作与信息管理系 统综合在一起的新型过程控制系统。以微处理器为基础的分散型综合控制系统，d c s 系统 综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术，采用了多层分级 的结构，适用现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。集散 控制系统把计算机、仪表和电控技术融合在一起，结合相应的软件，可以实现数据自动采 集、处理、工艺画面显示、参数超限报警、设备故障报警和报表打印等功能，并对主要工 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 艺参数形成了历史趋势记录，随时查看，并设置了安全操作级别，既方便了管理，又使系 统运行更加安全可靠。 随着p l c 技术的逐步发展，p l c 已经具备了传统d c s 所具有的p i d 算法、模糊控制、自适 应控制等，使其具备了相当的过程控制功能。p l c 发展的最终趋势仍然是人们所争论的焦 点之一。随着工业控制发展的要求和其技术的不断发展，p l c 正迎来其成熟期，今后小型 化的p l c 将向更专业化的使用角度发展，比如功能更加有针对性、对应用的环境更有针对 性等。大型的p l c 与d c s 的界线逐步淡化，直至完全融和。 近年来，各p l c 生产厂家在增强p l c 自身功能外，纷纷通过各种技术手段拓展通讯及其 他各种接口，增强p l c 开放性，推动了p l c 网络化的进一步发展。另一方面，现场总线技术 得到广泛采用，p l c 与安装在现场的其他智能设备，如智能化仪表、传感器、智能化电磁 阀、智能型执行机构等，通过电缆连接，并按照同一通讯标准，相互传输信息，由此构成 一个现场工业控制网络。这种网络与单纯的p l c 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便， 造价更低，性价比更好，也更具开放意义。目前罗克韦尔a b 公司已形成了多层结构体系， 即e t h e rn e t 、c o n t r o ln e t 、d e v i c en e t 及a s i 等现场总线( 原d h + 网也可兼容) 。西门予 公司在p r o f i b u s d p 通讯网络及p r o f i b u s f m s 网络以外，提出了s 7r o u t i n g 网络，即 p r o f i b u s d p 和i n d u s t r i a le n t e r n e t 两层结构。网络还在发展，我国应己积极的姿态投入 其中。 p l j c 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，西门子的s 7 4 0 0 、a - b 的 c o n t r 0 1 l o g i x 和施耐德的q u a n t u m 系统可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理 功能以外，p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功 能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中。加上p l c 通信能 力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 1 3 研究方法 随着工业自动化现代控制理论和计算机技术的迅速发展，使得工业自动化过程控制系 统能够在系统各层次之间的数据交换量迅速增大，对生产过程控制所需要的监视和控制的 信息显著增加，对工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可 维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求， 推广应用先进的网络化自动控制技术及系统是提高生产过程自动化水平和产品质量的一 个重要手段，这就为实现一种全集成自动化控制思想提供了基础。 全集成自动化( t i a ，t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o n l a t i o n ) 思想就是用一种系统完成原来 由多种系统搭配起来才能完成所有功能的系统。应用这种解决方案，可以大大简化系统的 结构，减少了大量接口部件，应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间、连续 控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。同时，全集成自动化解决方案还可以为所 有的自动化应用提供统一的技术环境，主要包括：统一的数据管理、统一的通讯、统一的 组态和编辑软件等。基于这种环境，各种各样不同的技术可以在一个用户接口下，集成在 一个有全局数据库的系统中h 鲥。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 美国a 1 1 e n b r a d l e y ( 艾伦一布拉德利，简称a b ) 公司生产的c o n t r o l l o g i x 系统不 同于传统的p l c ，它是以先进的系统构建理念，高性能的硬件，以及功能强大的软件而组 成的一个可以实现多种性质控制任务的复杂多任务控制平台。它不仅具有先进的通讯能力 和最新的i o 技术，而且集成了顺序控制、运动控制、传动及过程控制等多个控制功能。 系统结构以三层网络为构架，以c o n t r o l l o g i x 控制器为核心，配以功能强大的r s l o g i x 5 5 6 3 软件，以及相关的网络组态软件r s v i e ws t u d i o ，它提供了通用的控制工具、软件环境， 以及跨平台的通信支持。与传统可编程控制器不同的是，c o n t r o l l o g i x 系统在任意尺寸上 都是模块化的。可以根据具体应用来选择合适的内存量、控制器个数和网络类型，这种柔 性结构允许在同一机架内使用多个控制器、网络及i o 模块。目前这种新一代控制平台正 在被广泛的应用到各种自动化控制项目中嘲h 1 。 本文针对某焦化公司新建特大型焦炉工程提出了基于c o n t r 0 1 l o g i x 的焦化过程综合 控制和网络系统控制方案。运用全集成自动化方法解决筛焦系统、除尘系统的监控问题。 通过上、下位机的组态软件实现对系统的监控功能，即对主要生产设施生产过程的控制采 用p c 和p l c 组建网络的设计方案，在实际运行中达到了良好的控制效果。 1 4 论文主要内容 随着生产工艺的完善，对除尘系统自动化的要求也不断提高。本文结合实际项目，设 计并开发了一套基于p l c 的自动控制系统，选用a b 公司的可编程序逻辑控制器 ( p r o g r 锄i i l a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ，简称p l c ) 作为控制器以及优秀的组态软件r s v i e w s t u d i o 设计并开发了2 套焦化生产过程中的控制系统：筛焦系统、除尘系统。通过从现场 设备级采集各类信号，进行归类处理完成控制任务，实现了系统的统一性和协调性。 第二章简要阐述了焦化生产工艺流程，详细阐述了筛焦系统、除尘系统的工艺流程， 提出研究对象现阶段所存在的问题。分析筛焦系统、除尘系统的功能特点。 第三章介绍系统硬件组成及电气设备，结合筛焦除尘生产的工艺流程，提出以 c o n t r o l l o g i x 系统作为控制软件，以除尘地面站为对象的系统设计方案，组建了以p c + p l c 网络为途径的计算机实时监控系统。给出了除尘系统控制图并做出了详细解释。 第四章首先阐述了除尘系统的功能及控制要求，结合除尘工艺流程给出了除尘逻辑框 图。其次介绍了筛焦系统联动控制，提出了筛焦系统的运转方案。最后介绍除尘地面站的 工作过程和人机界面设计，详细分析了逆洗反吹系统和排灰系统的工作流程。 第五章介绍系统的调试和运行期间的问题总结。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章焦化工艺流程 2 1 焦化整体工艺描述 焦化生产是联合炼钢企业的一个重要组成部分，前提是必须有一个完善的备煤系统， 将各单种煤进行配合，配合后的煤料输送到煤塔作为炼焦的原料。出焦后需要筛焦系统将 焦炭块筛分成不同用途规格的产品。同时装煤、出焦、筛焦期间产生大量烟尘及有害气体， 基于环保和人身安全考虑，在筛焦的同时还需要除尘净化系统实现无污染生产。因此备煤 过程、筛焦过程和除尘过程是焦化生产中不可缺少的环节。图2 1 所示焦化生产的概略图。 图2 i 焦化生产的概略图 筛焦系统的任务是将熄焦后的焦炭进行充分的冷却脱水并按要求筛分成不同等级，送 往用户筛焦系统由焦台、筛贮焦槽、皮带输送系统及转运站组成嘲。 我国目前使用的焦化过程除尘系统主要有非燃烧法干式地面除尘站、燃烧法干式地面 除尘站、燃烧法湿式地面站以及装煤推焦二合一千式地面站等。除尘系统主要是针对拦焦 车在导焦时产生的高温烟气以及焦炭筛分时的煤烟进行除尘。主要设备有：除尘通风机、 刮板输灰机、卸灰阀、仓壁振动器、电动阀门等输送装置。 2 2 筛焦系统工艺流程 筛焦工段由焦台、带式输送机运输系统、转运站、筛贮焦楼等部分组成。筛焦系统总 貌画面如图2 2 所示。筛焦工艺流程为焦炉出焦后的第一道工序。整个筛焦工段分为仓前 工段和仓后工段两个部分。仓前部分有湿熄焦和干熄焦两种工艺。经配煤槽配好的装炉煤 装入煤塔。装煤车从煤塔取煤并计量后，按作业计划装入炭化室内。煤料在炭化室内经过 一个结焦周期的高温干馏炼制成焦炭和荒煤气。炭化室内的焦炭成熟后，用推焦机推出， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 经拦焦机导入熄焦车内。熄焦后的焦炭卸至凉焦台，冷却段时间送至筛贮焦工段。焦炭 分为 4 0 哪四级。焦炭从炭化室导出后进行熄焦，熄焦后的焦 炭由熄焦车放入焦台，经冷却和补充熄焦后，由叶轮放焦机切至带式输送机上再由带式 输送机等送入筛贮焦槽，经过三级筛分，焦炭以 4 0 舢的粒度分别入槽， 2 5 4 0 i i l n 的焦炭经带式输送机送至炼铁炉。筛贮焦槽内的焦炭可直接装火车外运。 图2 2 筛蒜系统总貌画面 焦台的作用是将熄焦后的混合焦冷却，沥水，蒸发水分，并对剩余红焦补充熄焦。采 用刮板放焦机实现远距离操纵机械化放焦。采用刮板放焦机把从焦台上滑下来的混合焦均 匀地刮到焦台地沟内的运焦带式输送机上，送至筛贮焦楼。 筛贮焦楼的作用主要是对混合焦进行筛分处理，并入仓贮存。在筛贮焦槽上设置2 台 振动筛将焦炭筛分成( 1 0 衄，1 0 卫5 哪，2 5 4 0 m m 和 4 0 呷四级并分别入槽。在带式输送机上 设置一台计量秤计量混合焦产量和冶金焦送高炉的情况。筛贮焦楼各贮焦槽设有料位计， 对各贮焦槽中焦炭的料位情况实施监控。筛焦工艺流程如图23 所示。 2 3 筛焦控制系统存在的问题 筛焦过程属于典型的连续型流程生产自动控制系统，生产条件和生产环境十分恶劣， 其主要特点为： 1 ) 工艺流程复杂，设备繁多分散。且系统线路较长，设备分散，前后连锁和逻辑关 系都比较复杂，属于交叉复杂过程控制。当采用继电一接触控制方式时，电气控制设备因 大量使用机电式有触点电器，从而存在接线多、接头多、触电转换频繁和故障可能性大、 可靠性低、维修量增大等一系列问题。“。 2 ) 控制过程中，对控制指令的反应要求比较灵敏，且需要采集的现场信号较多，例 如温度、压力、流量、电流、料量等。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 3 ) 筛焦系统属于出焦后的焦炭筛分过程，每套系统又包含不同的予系统，因此在焦 化流程整体实现中，要求各予系统之间进行信号的衔接。 图2 3 筛焦工艺流程框图 4 ) 筛焦过程产生有害烟尘对环境及人体造成了严重的污染，大量烟气对设备也有一 定的腐蚀，如何经济而又有效的解决这一问题也是目前研究的重点。 要解决上述问题，就需要建立一套除尘过程自动控制、可靠性高、操作简便的除尘控 制系统。如何使系统满足生产目标的要求，进而使整个生产经营运行于最佳状态，是本课 题的研究重点，具有比较大的经济和社会效益1 。 2 4 除尘系统工艺流程 在整个焦化的生产过程中，涉及到几个阶段的除尘：各煤粉碎机室除尘、装煤除尘、 出焦除尘、筛焦工段除尘n 铂。本课题主要研究筛焦工段的除尘过程。经综合分析，课题采 用干式地面站烟尘控制技术。这项技术是目前国内炼焦生产企业焦炉除尘技术最成熟、效 率最高、应用最广泛的技术。净化设备选用高效低阻d z w 9 3 型脉冲袋式除尘器，除尘器滤 料采用防静电材质，风机采用防暴型。净化后的气体经风机及消声器排至室外n 羽。 2 4 1 出焦除尘 装入焦炉炭化室的煤经高温干馏练成焦炭后，赤热的红焦被推焦机按顺序从炭化室推 出，焦炭通过导焦栅跌入熄焦车车厢内。赤热的焦炭从炭化室推出后，发生破裂，并在空 气中燃烧，使产生的烟气及焦尘散发到空气中。这部分烟气中含焦尘量大，严重污染环境， 因此设计除尘系统的出焦除尘部分。为控制推焦时产生的阵法性烟尘，先使烟尘被设在拦 焦机上的大型吸气罩捕集，然后使烟尘进入焦侧集尘干管内，送入冷却器，再经脉冲袋式 除尘器净化后排入大气n 4 】 1 6 1 。通过除尘器和冷却器捕集下来的粉尘经气动双层排灰阀进入 刮板输送机，再由斗式提升机将粉尘送入粉尘仓，最后由加湿卸灰机定期将粉尘装入汽车 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 运出。除尘地面站系统的出焦除尘烟气参数如下： 烟气量2 8 0 0 0 0 m 3 h 烟气温度l 册( 脉冲袋式除尘器处) 烟气含尘浓度5 1 2 9 ，m 3 推焦时间 l m l n 出焦周期1 0l m l n 控制系统总体拓扑结构图24 所示。 囤24 控锚系统总体拓扑结构围 2 4 2 筛焦除尘 为防止熄焦后的焦炭在运转、筛分过程中产生的焦尘外逸，在各焦转运站、筛焦楼等 处设计了除尘系统。经除尘器净化后的气体由通风机经消声器捧至大气中。含尘废水送到 粉焦池，由水道专业处理。除尘地面站筛焦除尘的工艺流程框图25 所示。 图2s 除尘系统筛焦除尘工艺流程图 藿毒 = 车季一 手惮 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 筛焦除尘系统固定装置内容包括地面管道、脉冲袋式除尘器、通风机组、消声器、烟 囱以及粉尘输送贮存装置。除尘时烟气自外套筒吸入，再经烟气转换阀进入经预喷涂的脉 冲袋式除尘器净化后，由排风机经烟囱排至大气。除尘器收集的粉尘经刮板输送机运至粉 料仓临时贮存，加湿后用汽车定期外运。 启动条件满足后，控制室下达系统运转命令后，延时2 0 s 后，除尘风机开，耦合器勺 管低位，延时1 0 s 后，通风机入口阀门开启，风机转速达到3 0 满量程转数。排灰系统( 包 括双层排灰阀，仓壁振动器，刮板输送机等) 开始运行；其中，双层排灰阀按排灰仓的编 号依次动作。1 # 仓上层阀工作9 s 后等待4 s ，下层阀开始工作9 s ，然后等待4 s ，如此循环 3 次后l # 仓双层排灰阀停止工作。2 # 仓开始工作，同1 # 仓一样循环3 次后2 # 仓双层排灰 阀停止工作，以此类推；直到所有1 3 个袋式除尘器的双层排灰阀工作一遍后等待筛焦信 号的来临。双层阀结构如图2 6 所示： 刮板输送机- 一 层阀 层阀 层阀 层阀 图2 6 双层网结构图 与排灰系统工作的同时反吹系统工作，每组脉冲控制仪按排灰仓的编号依次工作；每 个仓工作3 6 s ，所有脉冲控制仪工作一遍后等待出焦的信号。每个袋式除尘器包含：1 个 离线阀，1 2 个脉冲控制仪。离线阀控制袋式除尘器与外部空气环境隔离或者连通。1 2 个 脉冲控制仪按照脉冲给定顺序动作。 刮板输送机动作要求：启动的顺序与回收的粉尘运送方向相反( 废料运送方向：袋式 除尘器一刮板机1 一刮板机2 一刮板机3 一斗式提升机一粉尘仓) ，即：斗式提升机动作后， 刮板机3 、刮板机2 、刮板机l 依次上电运转。刮板机关闭顺序与回收的粉尘运送方向相 同。 除尘过程产生的烟气经地面除尘设备净化后，其排出气体的含尘浓度低于国家排放标 准。为避免烟气中焦油粘结除尘器布袋，设置预喷涂装置。 在袋式除尘器投入使用前，将焦粉随气流均匀地吸附在除尘器布袋上，从而阻止烟气 中焦油直接与布袋接触。喷涂用焦粉来自出焦除尘系统。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件设计 本项目组建了以p c + p l c 网络为途径的计算机实时监控系统。在项目的设计与实施过 程中，除尘系统由过程控制站和操作站两级计算机控制系统构成。 1 ) 过程控制站是通过控制单元所连接的检测和控制设备对生产过程实施控制，并通 过通讯电缆与操作站相连，接受操作管理信息并传递实时数据n 羽。本文采用c o n t r o l l o g i x 系统组建p l c 控制网络。 p l c 控制网络的主要任务是实现对筛焦生产过程的自动控制，因此它需要能够自动采 集有关的各种工艺参数( 如各种工艺介质的温度、压力、流量、电流、料位高度等) 以及 设备的运行状态( 如阀门的开度、机泵的开停、设备故障、机械位移等) 生产信息，然后 按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，最后输出4 之0 m a 标准模拟信号( 或o n o f f 数字信号) 去驱动阀门、电机等执行机构，调节工艺参数，实现生产过程的自动控制；除 此之外，还要通过通讯部件与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作 站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方 案、优化生产过程。 2 ) 通过设置操作站系统，可以监视过程控制级的所有信息，进行显示、操作、记录、 数据处理、报表输出，并且可以按照一定权限进行控制回路的组态和参数修改等操作，操 作站采用r s v i e ws t u d i o 实现监控功能。 3 1p l c 概述 可编程控制器简称p c ( p r o g r 猢b l ec o n t r o l l e r ) 或p l c ( p r o g r a 舢a b l el o g i c c o n t r 0 1 l e r ) ，是以微处理器为核心的工业通用自动控制装置。它以其可靠性高、组合灵 活、编程简单、维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域n 钔。随着 p l c 技术的不断发展，目前以能完成条件控制、定时计数控制、步进控制、数据处理a d 与d a 转换、过程控制、远程i o 、通讯联网、监控等许多功能。配备有可靠的输入、输 出接口，可直接用于控制对象及外围设备，使用极为方便，即使在生产现场的恶劣环境中 应用，仍能保证可靠运行。p l c 的硬件系统由中央处理单元、存储器、输入输出电路等组 成，软件系统由系统程序和用户程序组成u 叫u 引。 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式p l c 包括 c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配 置。 c p u 是p l c 的核心部件，由运算器和控制器组成。主要用于：接收并存储从编程器输 入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信 及外设的某些功能。 输入输出接口( i 0 模块) 是p l c 与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种 武汉科技大学硕士学位论文 第1 l 页 类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开 关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等 来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、 指示灯、调节阀( 模拟量) 、调速装置( 模拟量) 等。 编程器是p l c 最重要的外围设备，是p l c 不可缺少的部分。编程器的作用是输入和编 辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。 p l c 内部配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转变成供p l c 内部的 c p u 、存储器和i o 接口等电路工作所需要的直流电源。 p l c 有两种工作状态，即运行( r u n ) 状态和停止( s t o p ) 状态。在运行状态，p l c 通 过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能n 。为了使p l c 的输出及时地响应随时可 能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到p l c 停机 或切换到s t o p 工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，p l c 还要完成内部处理、 通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段。p l c 的这种周而复始的循环工作方式称为扫 描工作方式。p l c 运行流程如图3 1 。 s t o p 图3 1p l c 运行流程图 在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其工作过程 可分为三个阶段： 1 输入采样阶段。p l c 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的 输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影 响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的 输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 程序执行阶段。根据p l c 梯形图程序“先左后右，先上后下扫描原则进行逐句 扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中 涉及输入、输出状态时，p l c 就从输入映像寄存器“读入上一阶段采入的对应输入端子 状态，从元件映像寄存器“读入 对应元件( “软继电器 ) 的当前状态。然后，进行相应 的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件( “软 继电器”) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3 输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状 态( 接通断开) 在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负 载。 p l c 未来的发展的重点有：增强易操作性，加强通讯能力，开放性和互操作性，增强 功能和可靠性，网络化n 钔。 a - b 公司的c o n t r o l l o g i x 系统代表了当前p l c 发展最高水平的模块化p l c ，将顺序控 制、过程控制、传动控制和运动控制、通讯、i o 技术集成在一个平台上，可为各种工业应 用提供强力的支持，可靠性高，最大的特点是使用网络将其相互链接，各个控制站之间能 够按照客户的要求进行信息交换。c o n t r o l l o g i x 采用框架式结构，所有模块都插在框架的 背板上，背板支持模块的热插拔。内存采用f 1 a s h m e m o r y 结构，通过软件就可以完成控制 器版本的升级。与此同时，c o n t r o l l o g i x 系统具有优良的性能品质，主要特点如下n 钔： ( 1 ) 无缝连接易于和其他网络上的程序控制器透明地收发信息，兼容性好。 ( 2 ) 快速c o n t r 0 1 l o g i x 结构在背板上提供了高速数据传输总线，l o g i x 5 5 6 3 控制器提 供了高速传输的平台。 ( 3 ) 可组态可根据工业生产的需要增减控制器和通信模板的个数，可在一个机架内 使用多个控制器。 ( 4 ) 工业化c o n t r o l l o g i x 提供了高强度的平台，可耐受振动、高温及各种工业环境 下的电气干扰。 除此之外，其结构紧凑，可有效减少配电盘的空间；可无需控制器而在网络间实现桥 接；多个控制器、i o 模板及通信模板可任意组合。此外，可带点插拔一个模块而无需断 开系统的其他模块，并提供可拆卸接线端子排，使用方便，易于维护。c o n t r 0 1 l o g i x 系统 采用r s l o g i x 5 5 6 3 编程软件，其性能优越，并提供了可靠的通信功能及诊断特性，具有通 用的用户界面和特性设置，配有灵活、易操作的编辑器，可点击进行i o 组态。该系统采 用r s v i e w 3 2 中文监控软件，中文显示，修改方便，易于操作。 3 1 1p l c 在除尘控制系统中应用的可行性 在工业控制过程中，除了p l c 外还有传统的继电器控制系统、集散控制系统( d c s ) 和工业控制计算机控制系统啪2 。它们在控制系统中各有优劣。 lp l c 与继电器控制系统 继电器控制柜采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、技术等功 能，一旦生产工艺改变，则控制柜必须重新设计、重新装配。而p l c 由于应用了微电子技 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线 端子，就可适用生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各个 方面比较，p l c 都有显著的优势。 2p l c 与集散控制系统 p l c 在数字处理、顺序控制方面具有一定优势，初期主要侧重于开关量顺序控制方面。 集散控制系统在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要侧重于回路调节功能。 这二者功能都随着微电子技术，大规模集成电路技术、计算机技术，通信技术等发展而发 展，同时都向对方扩展自己的功能。到目前为止，很多工业生产过程既可以使用p l c ，也 可以用集散控制系统实现其控制功能乜幻。综合p l c 和集散控制系统各自的优势，把二者有 机地结合起来，形成一种新型的全分布式的计算机控制系统。 3p l c 与工业控制计算机 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备， 对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占优势。p l c 最初是 针对工业顺序控制应用而发展起来的，使用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学 易懂，便于推广应用。 从可靠性方面看，p l j c 是专为工业现场应用而设计的，在系统的软件、硬件上都采取 了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性，而工控机虽然也能够在恶劣的环境下可靠运行， 但毕竟是由通用机发展而来，在整体结构和编程上要完全适应现场生产环境，还要做很多 工作。 结合本系统的工作环境和实现的性能要求等诸多要素，选用p l c 最合适。 3 1 2c o n t r 0 1 l o g i x 系统组成 c o n t r 0 1 l o g i x 控制系统以微处理器为核心，把先进的控制技术、通讯技术、计算机技 术、c r t 技术与现场仪表有机地结合起来，实现对生产过程的集中监视、集中操作和分散 控制，为生产提供了强有力的保证。由于该系统的内存量、控制器个数和网络类型可以根 据具体应用来选择，所以相对于其他可编程控制系统而言，其结构更加灵活，使用更为方 便。其结构简图如图3 2 所示。 c o n t r o l l o g i x 系统的核心是l o g i x 5 5 6 3 控制器，其处理速度为o 0 8 m s k 指令，标准 内存配置为1 6 0 k b ，可扩展至2 m b ，一个l o g i x 5 5 6 3 控制器支持1 2 8 0 0 个离散的或4 0 0 0 个 模拟的i o 点，符合i e c l l 3 卜1