基于阀门控制器与PLC的煤气稳压控制系统改造＊

江阴职业技术学院 沈灿钢 马青 王晓莲

在轧钢生产的加热环节广泛使用高炉煤气，煤气压力稳定性对生产过程非常重要。本文研究利用阀门控制器和PLC，在煤气稳压控制系统中进行应用，提高了煤气管网安全性和压力稳定性。整个系统由PLC控制系统、稳压阀组、压力检测元件组成，经过实际测试，该系统对节能降耗、产品质量改善、煤气安全方面都有良好的效果。

煤气是特钢企业冶炼制造的主要能源，煤气管网压力的检测控制直接关系到冶金钢铁企业的生产质量和安全。对煤气主管网压力的稳定控制，直接决定了煤气输送的质量和可靠性，如果主管网压力超出控制范围或者异常，将造成严重的安全和质量事故。主要有三个方面安全问题：（1）煤气管网和运行设备的安全；（2）影响企业生产的正常运行；（3）可能造成煤气泄漏和煤气中毒[1]。所以冶金钢铁企业对煤气压力控制和调节都非常重视。高线是煤气从高炉产生后管网上的第一家用户，在未使用稳压阀前尽管有煤气柜能起到一定的稳压作用，但当高炉休风，其他大用户使用量骤升骤降时，管网高压达到20Kpa，低压仅有6Kpa，对炉内坯料加热质量和煤气管网安全性都会造成极大影响。为了消除影响提高安全性，分厂对接入的煤气管路进行改造，增加一套稳压系统。高炉煤气管网外部图如图1所示，整个系统由PLC控制系统、稳压阀组、压力检测元件组成[2]。

1 阀门控制器和PLC介绍

1.1 阀门控制器

阀门控制器与执行机构配套使用，以控制阀门的开启和关闭，或精确控制开度。广泛地应用于使用管道阀门的给排水、供热、电站、代工、食品、纺织、造纸、船舶、钢铁和煤炭等工业部门，煤气稳压系统中使用电动阀门装置。高线分厂的所使用的煤气阀门控制器如图2所示。

图2 炼钢煤气阀门控制器Fig.2 Steelmaking gas valve controller

1.2 防爆型气体压力变送器

煤气稳压控制系统的信号采集，采用高精度气体压力变送器，采集管网气体模拟量信号给PLC[3]。本系统采用防爆型压力变送器，由一体化智能传感器和外围电路组成，如图3所示。传感器部分由压力传感器、信号调制电路、专用数字处理芯片、温度传感器和数据存储器等组成，外围电子线路部分由LCD显示屏、功能键和EMC电路组成。

图3 305lDP管道气体压力变送器Fig.3 305IDP pipeline gas pressure transmitter

煤气压力信号经压力传感器转换为电信号，电信号经调制后送到专用数字处理芯片进行数据处理，然后转换为与压力信号对应4～20mA电流输出，并在电流信号上叠加HART数字信号进行通讯，传输给PLC[4，5]。

气体压力变送器参数：

测量范围：-0.1～60Mpa；

外壳防护等级：lP65；

精度等级：0.2；

输出信号：4～20mA(两线制)、0～10VDC、0～ 5VDC、1～5VDC(三线制)；

防爆型压力变送器供电电压：24V DC；

介质接触材料：316不锈钢；

除了对用户进行有关网络安全的法律法规和规章制度进行宣传教育外，还必须让用户知道如何使用密码、管理文件、收发邮件和正确地运行应用程序。

外壳材料：304或316不锈钢；

安装方式：螺纹安装；

压力接口：M20×1.5、M12×1、G1/4、G1/2阳螺纹等；

引线方式：四芯屏蔽电缆。

1.3 西门子PLC控制器

SIMATIC S7-300PLC是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6～0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他自动化控制系统SIMATICS7/M7/C7等[6]。分厂煤气稳压技改项目，采用西门子S7-315 PLC如图4所示。

图4 西门子S7-315PLCFig.4 Siemens S7-315 PLC

2 高炉煤气稳压系统改造

2.1 PLC系统硬件组态

该系统主要由PLC、阀门电动执行机构、压力传感器。整个系统通过控制3只阀门的开度变化来稳定煤气压力[7]。PLC具体配置：1台S7-300PLC、1个16口DI模块、1个8口AI模块、1个4口AO模块，如图5所示。

图5 PLC硬件组态配置Fig.5 PLC hardware configuration

其中5个AI输入点分别是：

（1）阀前压力变送器输入；

（2）阀后压力变送器输入；

（3）1#阀开度反馈；

（4）2#阀开度反馈；

（5）3#发开度反馈；

3个AO输出点分别是：

（6）1#阀开度给定；

（7）2#阀开度给定；

（8）3#阀开度给定。

2.2 煤气稳压系统PI调节

通过对阀后压力的测量与目标值比对，经PI调节后由PLC向阀门控制器发出指令再传至执行机构[8]。设定值为8KPa，Kp为0.7，Ti为60s，如图6所示。

图6 PI调节程序优化Fig.6 PI regulator optimization

从安全方面考虑，3#阀只设置手动模式，1#、2#阀设自动时，可在操作界面中选择一个作为动作优先级，如图7所示。

图7 稳压阀PID控制界面Fig.7 PID control interface of pressure stabilizing valve

由图7可看出2#优先，3#开度固定，则当阀前压力减小时，自动开大2#阀，当2#阀开度达到100%时仍不满足压力要求则开启1#阀，直到满足要求为止[9]。PLC程序运行后的稳压阀前后压力对比，阀后压力较稳定，如图8所示。

图8 稳压阀PID控制界面Fig.8 PID control interface of pressure stabilizing valve

3 高炉煤气稳压系统运行调试

稳压阀在运行一段时间后，非优先调节阀内部控制板报故障（阀门开关限位漂移，阀门进入控制死区），此时状态指示灯为红色闪烁。稳压阀组无法投用自动调节功能，只能手动调节。为消除报警，需要对阀门开关限位进行重新设置[10]。设置步骤如图9所示。

图9 阀门开关限位设置Fig.9 Valve switch limit setting

阀门开关限位调节设置步骤：

（1）将设置运行开关拨到设置档位。

（2）按方向1按钮，将阀门关闭，与机械档块留下5mm间隙。按全关按钮5s以上，指示灯显示红色后松开，再按关限按钮5s以上，指示灯为红色后松开。

（3）按方向2按钮，将阀门打开，与机械档块留下5mm间隙。按全开按钮5s以上，指示灯显示红色后松开，再按开限按钮5s以上，指示灯为红色后松开。

（4）设置好后将开关拨到运行档位，通知操作工投用自动[11，12]。

4 总结

高炉煤气稳压控制系统改造完成后，经过特钢分厂的运行测试。稳压阀后分厂高炉煤气压力基本稳定在设定值8Kpa左右，满足使用要求。煤气稳压控制系统技改，对节能降耗、产品质量改善、煤气安全使用方面都产生了较好的效果，本项目后期将在公司其他分厂推广应用。