焦炉煤气柜安全控制系统工艺浅析与功能实现

郭亮亮

（山西省自动化研究所，山西太原 030012）

1 系统概述

随着山西省转型跨越发展步伐的持续推进，近年来新建和改扩建多个大型焦化厂，焦炉容量设计较之前扩大，冶炼强度和质量也有很大提高，产生大量的附加产品——焦炉煤气。焦炉煤气，是指用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。焦炉煤气放散到空气中，不仅会造成严重的大气污染，而且会造成极大的能源浪费。

建设焦炉煤气柜，可以用来存储焦炉煤气。煤气柜是贮存工业及民用煤气的钢制容器，有湿式煤气柜和干式煤气柜两种。湿式煤气柜为用水密封的套筒式圆柱形结构;干式煤气柜为用稀（干）油或柔膜密封的活塞式结构。

煤气柜的工作原理简言之就是吞吐煤气。当煤气管网压力高于煤气柜的设计压力，煤气就进入煤气柜储存;当煤气管网压力降低时，煤气柜中的煤气就补入管网，起到以余补欠的作用。

焦炉煤气柜的作用如下:

（1）可以有效回收放散煤气;

（2）可充分合理地使用企业内部的副产煤气;

（3）稳定管网压力，改善轧钢加热炉等的热工制度。

焦炉煤气柜安全控制系统的系统设计和功能实现的优劣，直接关系到焦炉煤气能否高效地输出利用，用于再生产。

2 系统架构及控制系统设计步骤

2.1 系统架构

本安全控制系统上位机采用西门子WINCC 6.0 SP2软件，下位机由西门子S7-300系列PLC组成，两者同属西门子自动化驱动集团公司产品，系统完全兼容。通讯方式为:工控机内置西门子CP 5611控制卡通过PROFIBUS-DP总线与PLC连接。这种方式通过通讯程序把PLC和组态软件组合成一个完整的系统，保证了系统高效率地运行。控制室内装配两台工控机，可互为冗余。

PLC系统配置3个机架，CPU选用315-2 DP，分别配置数字量、模拟量输入和输出模块，机架之间通过IM 360、IM 361连接。工控机选用主流配置即可。本系统配置为标准配置，完全满足工艺及现场实际需求。S7-300 PLC的硬件组态如图1。

图1 硬件组态

2.2 控制系统设计步骤

根据以下流程，设计本系统，此流程也是一般控制系统的设计流程，具有举一反三的作用。

（1）分析工艺流程和控制要求。根据焦炉煤气柜工艺流程，选择合适的控制设备，包括PLC，人机界面，控制柜内元件，以及线路的设计等。

（2）确定输入/输出（I/O）设备。本项目选用S7-300系列PLC，根据需要控制设备的信号，进行PLC输入/输出（I/O）设备数量和型号的选择。

（3）PLC型号选择。本系统选择的CPU型号为315-2 DP。

（4）I/O地址分配。这是编写程序之前需要做的一项重要工作，合理的I/O地址分配可以提高编程效率，对今后的程序维护也提供了便利。

（5）PLC系统设计。根据焦炉煤气柜工艺要求，在程序中，分别使用不同的功能块实现各部分的功能。这样编写的程序结构合理，易于修改和维护。

（6）离线模拟调试。在进行带负载调试前，必须先对分部分离线进行模拟测试，这对于及早发现程序存在的问题很有帮助，也是一个完整程序编写好所必经的过程。

（7）现场调试及技术资料整理。根据现场实际需求，对线路和程序进行完善，反复修改直到满足用户需求，最终将技术资料归档并交工。

3 工艺浅析

焦炉煤气柜安全控制系统是一个复杂的控制系统，主要包括以下的控制要求。

3.1 焦炉煤气柜活塞高低位报警及联锁

3.1.1 高限位确定

本系统中，煤气柜活塞最大行程为26.1 m，当活塞升至H1=22.968 m（88%）时，发出报警;当活塞升至H2=23.49 m（90%）时，发出高位报警，关闭煤气柜进口电动蝶阀;当活塞升至H3=24.795 m（95%）时，打开煤气柜放散管道的电动蝶阀;当活塞降至H2=23.49 m（90%）时，关闭煤气柜放散管道的电动蝶阀;当活塞降至H4=22.185 m（85%）时，打开煤气柜进口电动蝶阀。

3.1.2 低限位确定

当活塞降至H7=2.610 m（10%）时，发出低柜位报警;当活塞降至H5=2.088 m（8%）时，发出低低柜位报警，关闭煤气柜出口电动蝶阀，并停止加压机;当活塞升至H6=3.915 m时，打开煤气出口电动蝶阀并启动加压机。

3.2 CO检测报警及联锁［1］

（1）当煤气柜内CO浓度≥24 ppm时报警。

（2）当油泵房及加压机室CO浓度≥24 ppm时报警，并启动轴流风机通风。

（3）加压机机后冷却水压力＜0.3 MP时报警并停止加压机。

3.3 画面要求

（1）所有仪表检测的4～20 mA输入信号进入PLC控制及工控机画面显示。

（2）煤气柜进出口管道、加压机进出口管道电动阀门及煤气放散管道电动阀门进PLC控制及画面操作。

（3）显示活塞行程，油泵运行状态，压缩机运行状态。（4）加压机总出口管道流量要求记录。（5）所有电动蝶阀的开关状态显示。

3.4 包括活塞高度及CO浓度等所有报警均为声光报警

3.5 采用雷达料位计与角位移双设备测控活塞高度

4 功能实现

经过研究设计院的图纸和与甲方根据现场的需求，最终调试完毕的焦炉煤气柜安全控制系统包括如下的功能。

4.1 上位机画面实现的功能

4.1.1 画面功能

煤气柜控制系统具有8部分画面:

P1:系统流程;P2:仪表数据;P3:蝶阀控制;P4:油泵控制;P5:柜容趋势;P6:设备状态;P7:趋势画面;P8:报警画面。

进入系统后，显示画面为系统流程画面。画面的下部提供了画面转换按钮，用鼠标左键单击即可进入相应画面。如图2。

图2 控制系统总览

4.1.2 综合报警功能

从现场采集的各种模拟量数据报警有2种方式:颜色变化、事故音响报警。

4.1.3 历史趋势记录功能

焦炉煤气柜安全控制系统对柜容、各种压力、油槽液位、油泵启停状态、活塞高度、温度趋势、CO浓度均进行历史曲线记录。

4.2 控制系统实现的功能

工控机通过PLC的输入模块采用配电型隔离栅从现场采集各种信号，经数据处理后，PLC再发出输出信号，通过输出模块控制继电器、交流接触器等设备来控制现场［2］。其功能如下:

（1）根据焦炉煤气柜内活塞高度，控制煤气柜进出口阀门，并发出相应报警。

（2）1#、2#、3#油泵房油泵根据相应油槽液位自动控制，并可通过画面选择A、B方案切换主电机与备用电机。

（3）角位移和雷达物位计均可显示柜内活塞高度，并计算出柜容。

（4）所有阀门和油泵电机均可通过画面选择，进行自动控制或手动控制。

（5）1#-6#油泵记录启动次数、停止次数、运行时间，并设置清零复位按钮。

（6）设置报警功能强制解除按钮。

（7）各报警值均可进行手动设置，方便操作人员调整。如图3。

图3 油泵及活塞高度联锁设置

（8）焦炉煤气柜安全控制系统所有的模拟量数据均在画面上显示，重要的数值作出相关趋势记录，方便查看。

（9）煤气柜活塞高低位报警设置值均可手动单独设置。

（10）所有信号均通过配电隔离式安全栅传输，将来自危险区的电流信号，经隔离变送输出单路或互相独立的双路电流电压信号到安全区，并可对现场二三线制变送器提供配电功能，通过配置的通讯接口在安全区进行串行通讯联网。

5 总结

焦炉煤气柜过去采用仪表显示加人工控制的方式，系统稳定性差，安全性不高。现在采用PLC和上位机结合的安全控制系统，大幅度提高了焦炉煤气柜的控制效率和稳定性，生产安全性也得到了加强。

焦炉煤气柜安全控制系统经过系统调试，现已正常运行。经过长期运行，证明该系统性能稳定、控制强大、安全可靠、工作效率高，输出气源压力完全满足用户需求，对环境保护作出了很大贡献。本安全控制系统应用了最新的控制技术，是煤焦化自动系统控制领域的范例。

［1］朱翔宇.鞍钢燃气厂150 000 m3焦炉煤气柜PLC控制系统操作说明书［Z］.2007.10.

［2］徐蕾，汤涛，潘忠民，等.煤气柜自动化控制系统的开发与应用［J］.山西冶金，2011，33（4）:52-53.