西門子SIMATIC產品在焦爐自動配煤控制系統中的應用

一、 引 言

隨著當今科學技術的迅猛發展, 特別是控制技術，工業IT技術，數據庫技術，網絡技術等普及應用，對現代化企業的工業過程控制要求越來越高,全自動計量配料控制系統在各行業的應用已屢見不鮮，它是成品生產的首要環節，特別是有連續供料要求的行業，其配比的過程控制直接影響了成品的質量，它是企業取得最佳經濟效益的先決條件。雖然行業各自不同的工藝特點對配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進性，開放性，免維護性，可擴展性是各行業所追求的一致目標。而西門子SIMATIC工業自動化產品正是符合當今這一潮流的代表。

二、 項目簡介

在配煤煉焦生產工藝過程中，需要將各種不同的精煤如：肥煤、氣煤、瘦煤、焦煤、貧煤等以適當比例配合成混合煤稱之為自動配煤過程，它是整個焦化生產的一個重要環節，對生產高質量的焦炭、合理利用煤炭資源及生產成本控制具有重大意義。山西太鋼焦化有限公司（太鋼合資經營企業─惠晉焦業）7.63米焦爐有著“中國第一爐”之稱，乃至亞洲最大焦爐，它屬于先進環保的搗固焦爐，該工程由德國伍德公司提供焦爐技術,負責初步設計，最終形成年產全焦115萬噸的生產能力，可確保太鋼300萬噸/年 不銹鋼生產所需優質鐵水對焦炭低硫高強度的要求，實現大型、高效、環保、節能的清潔生產目標，是太鋼實施全力打造全球最具競爭力的不銹鋼企業戰略步驟之一。為使焦爐煤料的配比更加準確及系統可靠，實現自動配煤裝置智能化、數字化、網絡化，向企業級實時數據庫和管理數據庫提供準確的數據來源，為此在反復比較了當今市場流行的自動化方案優劣基礎上，最后選擇西門子SIMATIC自動化產品解決方案，由上海大和衡器有限公司進行系統設計集成。

焦化廠外景照

三、 系統工藝要求

1. 工藝概述

每個儲煤槽中的單種煤通過圓盤給料機均勻地落到定量給料機皮帶上，稱量和速度信號分別進入到控制系統，經過乘積運算處理計算出實際給料量，將實際給料量與設定的給料量不斷進行比較輸出兩路PID控制信號，分別對圓盤給料機和定量給料皮帶機進行雙變頻調速控制，使之精確地以恒定的期望給料速率出料，保持每臺CFW給料流量的恒定，以確保所設定總配比的要求。自動配煤裝置實現24套圓盤給料機、定量給料機的順序起停、報警以及模擬量的輸入、輸出，實現系統全自動、半自動及手動的控制，完成不同原煤料混勻給料、煤比計算及配煤流量控制并實現配料系統與帶式輸送機的起停連鎖。圓盤及定量給料皮帶機原理

如圖1所示：

2.計量控制原理

CFW定量給料機主要分為四大單元：稱重單元、皮帶測速單元、積算控制單元、驅動單元,其中稱重單元，皮帶測速單元，驅動單元作為給料機的部件安裝在機械本體上。稱重單元主要由計量托輥和兩個應變式荷重傳感器組成。稱重傳感器安裝在高精度的平臺上，其測量出輸送帶上物料的單位長度重量；皮帶測速單元采用高精度脈沖編碼器安裝在從動滾筒的軸端，通過滾筒轉動產生脈沖信號，以上重量信號（毫伏級）及脈沖信號分別傳送至積算控制系統。

其積算稱重原理如下所示：

Q：輸送量 (重量范圍 0～t1) (kg)

q：瞬時輸送量 (kg/min)

W：物料的單位長度重量 (kg/m) (載荷密度)

V：皮帶速率 (m/min)

設輸送帶的運行長度為[l]，輸送帶的速度為[v]，輸送帶運行時間為[t],

其關系為l=vt

因此在輸送帶運行了t1時間后，輸送帶的運行長度為l1=vt1，那么，輸送流量可用下列方程式表示：

給料機的輸送量為A，B，C三點所包圍的面積。

如下圖所示。

W = f (l) : 在任選的單位運行長度 [l] 上的載荷密度

Wdl : 在微小運行距離(dl)上的輸送量

上述表明：要計算獲得輸送量，需通過稱量傳感器檢測到煤流的單位長度的瞬時重量信號，同時速度傳感器檢測到速度脈沖信號。通過控制儀表將重量信號與速信號進行乘積運算，從而求得輸送量，并通過輸送量積算求得累積量。

3.工藝設備主要參數

物料粒度： 0～80mm

物料散密度： 800kg/m³

物料水分： 10～12％

物料溫度： 常溫

給料方式： 圓盤給料

皮帶驅動電機： 3.7KW 3φAC380V

圓盤驅動電機： 15KW 3φAC380V

軸端編碼器: 600P/R DC12V～24V

給料機輸送帶寬度： 800mm

輸送機能力范圍： 10～100t/h

輸送機速度： 0.1m/s～1m/s

輸送機傾斜角度： 0℃

輸送機頭、尾滾筒中心距： 3m～3.5m

配料秤系統精度： 優于0.5%

四、 控制系統構成

1．系統總貌

整個自動配煤裝置為生產現場無人化管理，所有的操作和監視均在中央控制室中進行，系統采用分布式計算機監控管理方式，主要由兩套西門子S7-300PLC、兩套WINCC V6.0監控軟件及工控機、48套SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70工程型變頻器、24臺CFC-200回路調節控制器、3套OSM等控制單元構成一個基于TCP/IP 100M光纖工業以太環網的SCADA系統。其中各關鍵裝置如：PLC、變頻器、調節控制器、分布式I/O之間數據傳輸采用Profibus-DP協議通訊方式，以確保高實時性和高動態響應要求，Profibus通訊速率最高可達12Mbit/S, 8個節點網絡系統的總線循環時間最快可至0.2ms，在全球制造業自動化和流程工業自動化的總安裝站點數已突破1千萬，比任何其它現場總線標準高出許多，它的節點設備數量占有率目前穩具全球第一，它是全球范圍內目前唯一能夠以標準方式應用于所有領域并貫穿整個過程鏈的現場總線。這種系統架構充分利用發揮了西門子SIMATIC自動化產品的資源，具有高可靠性，強抗干擾能力和靈活的可擴充性，可獨立完成對設備的數據采集，精度控制，監控聯鎖。上位機WINCC V6.0組態軟件作為HMI，通過操作畫面對實時數據進行監控，報警，實現生產工藝過程參數的實時曲線、歷史趨勢顯示、報警記錄、配方管理、產量統計、各類數據歸檔和安全連鎖保護，同時通過VBA編程實現Excel報表輸出、打印及預覽等功能。系統需要監測重量、速度、位置、缺料、堵料、皮帶打滑、電機啟停、電流、轉距和轉速等一千多個模擬量I/O和數字量I/O控制點,具有48個PID閉環控制回路和2套遠程監控系統操作站。整套系統通過光纖交換機進入Ethernet與焦業公司的其它焦化工藝段及廠級管理網進行銜接，達到管控一體化水平。自動配煤裝置系統結構如圖2所示：

2．系統配置

本系統24臺配煤秤分為兩個工藝段各為12臺，每個工藝段控制單元由1個S7-315-2DP CPU主站（含1個本地擴展主站）及2個ET200M從站、12個CFC-200及6SE70變頻器配帶CBP2從站所組成，兩個工藝段控制單元經光纖工業以太網進行互連，兩臺帶有WinCC V6.0的工控機組成配煤系統操作員站，其中一臺兼有工程師站功能。

（1）硬件配置組成（2套控制柜）

控制系統主要采用西門子SIMATIC系列產品，其硬件主要配置如下：

工控機：ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/80Gb/512Mb/CP1613網卡/19’LCD 2套。

電源：SITOP電源 24VDC/10A 2個；PS307 24VDC/5A電源模塊 6套；

UPS 3KVA在線式 2套。

PLC： CPU 315-2DP 2套；

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