基于新型通讯方式的转炉煤气柜并联控制研究

（梅山钢铁股份有限公司能源环保部，江苏南京 210039）

引言

转炉煤气作为炼钢工序转炉吹炼过程中的副产品，其回收是周期性、间断性的，而用户的使用却是连续的，故设置转炉煤气柜平衡间断回收与连续使用之间的矛盾，并稳定煤气压力。煤气自柜出口后经电除尘、加压机送至用户使用。为了安全、顺利地回收转炉煤气，转炉工序需要得到煤气柜的运行状态信息，作为煤气回收或放散的联锁判断条件。常见的控制是1 个炼钢工序对应1 座转炉煤气柜，本文则探索了2 个炼钢工序和2 座转炉煤气柜之间的并联控制。

1 原有工艺功能分析

1.1 转煤工艺

梅钢现有2座转炉煤气柜，柜容为8万m3与12万m3，分别负责回收一炼钢、二炼钢转炉煤气，煤气柜进出口为调试方便设置有连通管及附属阀门。基本流程如图1所示。煤气加压站设置了加压机进口调节阀、加压站回流阀、高压变频器等，用于调整稳定供气压力。

其主要工艺及控制功能为：

煤气柜分别设置两套柜容检测装置L1、L2，当柜容高于设定值时自动关闭进口蝶阀，柜容低于设定值联锁停运加压机，同时柜容信号L1,L2 分别送至能源调度与炼钢工序。

1.2 控制系统

2座气柜信号传输如图2所示。

8 万m3柜与12 万m3柜主控制系统分别采用西门子s7-300 与s7-400 型PLC,将煤气柜的运行信号（柜容、进口阀门位置、回收允许信号等）计算与转换后，输出模拟量与数字量并以电缆接线的方式至转炉，转炉将信号（正在回收、请求回收等）以同样的方式回传给其对应的煤气柜，即：二炼钢与12 万m3柜间进行信号数据传输，8 万m3柜与一炼钢进行信号数据传输。

图1 转煤系统工艺流程图

图2 两座气柜信号传输示意图

HMI 后台监控主机与8 万m3柜控制器之间通过TCP∕IP 网络通讯，与12 万m3柜控制器之间采用工业以太网通讯（配置1623通讯卡），为了更好地监控与远传，2 座气柜的主控PLC 通过交换机连接，处于同一网段。

1.3 主要问题

2 座转炉煤气柜间虽然设置有连通管及阀门，但主要是用于新上12 万m3转炉煤气柜调试使用，并未考虑正常生产条件下2 座气柜的并联运行，因而存在以下问题：

各自独立运行时，2 座气柜的回收能力远远没有得到充分发挥，如：经计算按照目前的一炼钢生产状况，气柜有效容积在2.5 万m3即可满足其回收的需求，柜容有较大的富裕。二炼钢转炉煤气回收量为一炼钢的3倍，需要更大的柜容。

当其中1 座气柜，特别是12 万m3柜故障时，将有大量煤气放散，严重影响周边环境与煤气供给平衡。

为此，实现2座气柜的并联运行势在必行。

2 控制要求的分析与实施

2.1 需求分析

借助现有2 座气柜进出口存在联通管、回收控制逻辑一致的工艺条件，为了实现2 座气柜的并联运行，控制系统及工艺设备需要实现如下功能与调整：

（1）气柜运行状态信号，如：柜容、进口阀门开度、允许回收命令；一、二炼钢返回的信号，如：请求回收、正在回收、回收结束等，需要在2 座气柜的控制器内实现通讯与相互读取；

（2）运行状态信号在2座气柜间相互读取后，利用原有与炼钢工序间的信号传输链路，实现8 万m3柜与二炼钢工序的数据传输及12 万m3柜与一炼钢的数据传输；

（3）针对2座气柜间的相关数据类型、设定值的不同，进行相应的转换，如：8万m3柜容检测装置，其量程为0～8万m3，而二炼钢得到的柜容信号量程为0～12 万m3，故需要在12 万m3柜控制器中将其量程进行转换，以确保二炼钢得到8 万m3柜柜容的真实数据，并根据回收安全的考虑重新修改部分联锁控制逻辑；

（4）增加相关阀门的控制程序，如：在独立运行向并联过程中需自动打开联通管阀门，或关闭故障气柜进口的阀门。

（5）增加信号选择及替代功能，即：在一座气柜故障退出运行时，需要将其联锁信号（包括远传炼钢工序及机组信号）替代为另外一座气柜的相关信号，参与工艺控制。

2.2 信号传输方式研究分析

2 座气柜为了实现数据相互读取与共享，就需要建立通讯链路，首先考虑到的通讯方式有两个方向：

（1）电缆直连方式，利用控制器的输入输出模块连接见图3，将各自的信号利用调理器一分为二，见图4。

这两种方式存在的弊端是：增加控制系统硬件（输入输出模块，调理器等），需要重新敷设大量电缆，同时需要对现有的输入输出单元、回路进行改造，影响到生产的正常运行。

图3 输入输出模块直连示意图

图4 信号一分二连接示意图

（2）两套CPU 间通过以太网通讯，利用两套控制系统接入同一台交换机，可以采用TCP∕IP协议,分别设置硬件连接组态，调用专门功能块，实现通讯，如图5所示。

图5 PLC间直接通讯方式示意图

但这种通讯方式存在的问题是：硬件组态设置完毕，下装过程中，需要控制系统停机和工艺停役，特别是涉及到2 座气柜及炼钢，会对生产造成极大影响。另外由于12 万m3柜采用的S7-400 冗余PLC，仅有一台主控CPU 接入交换机，当其故障时通讯将中断。

为了不影响生产的正常运行，减少工作量，需要采用一种新型的通讯方式。

2.3 新型通讯方式研究与实施

考虑到两区域的控制器（分别为西门子s7-300与s7-400 PLC)，可以通过不同方式（TCP∕IP 以太网与基于1623通讯卡的工业以太网）与同一监控主机相连，可通过该监控主机的WINCC 软件编制C 脚本，读取其中一台PLC 寄存器内的某一运行状态参数，赋值给另外一台PLC 寄存器的接收地址，实现两者间的数据通讯；而后通过各自现有的信号传输模式，将得到的数据经过转换、处理后，传输至其对应的转炉控制系统。如：12 万m3柜PLC 将WINCC平台赋值过来的8万m3柜柜容数据读到本身的寄存器中，经过量程转换。判断比较后，模拟量输出模块以直接电缆通讯方式将标准4～20 mA传输给二炼钢转炉。见图6。

图6 新型通讯方式链路示意图

具体实施过程如下：

（1）在集中监控的WINCC平台中根据通讯方式与路径的适配方式不同增加需要连接PLC 的驱动程序，设定连接所需要的参数。

（2）根据现场监控、报警需要，利用单台PLC 可与监控主机WINCC 平台收发数据的特点，在WINCC 新建的PLC 连接中建立参与数据交互的变量（组），设置变量参数并使之通过点位地址与PLC各变量寄存器、存储区（输入输出映像、位存储器、定时器、计数器、外设输入输出、共享数据块、背景数据块等）勾连，即：在需要发送的PLC 连接中建立需要读取的变量或变量组、在接受PLC 连接中建立需要写入PLC 寄存器的变量或变量组，在此过程中视情况可能需要在PLC 的用户程序中增加部分中间变量（不会引起控制系统停机）。见图7。

图7 通讯原理及过程示意图

（3）完成变量的建立后，接下来就是新建全局脚本，编辑脚本语句、调试、调用，根据实际需要通过全局脚本调用不同PLC 种变量数据、逻辑运算、并将运算结果通过赋值语句，写入需要使用数据的PLC系统的变量寄存器。

以本次12 万m3柜读取8 万m3柜运行状态数据为例，见图8。

图8 部分脚本例图

其中：8wgr、8wfk、8wyx、12t8hs为WINCC中设置对应8 万m3煤气柜PLC 控制器的相应地址的变量，WINCC 软件读取后，由图中所示脚本按照设定的运行周期或触发器赋值给8t12gr、8t12fk、8t12yx、2lghs 4 个变量，按照地址对应12 万m3柜PLC 控制器，通过地址信息保存到相应寄存器中。这段脚本所代表的的含义为：8万m3柜运行过程中的柜容、阀门位置、允许回收信号通过上述脚本按照设定周期（250ms）给到12万m3柜控制器；12万m3柜控制器按照设定条件，选择是否将该数据传输至二炼钢转炉控制系统；同时12万m3柜将其对应的二炼钢的回收信号通过变量2lghs 赋值给12t8hs 变量，最终按照12t8hs变量地址反馈至8万m3柜控制器。

通过上述步骤，即可利用WINCC 的脚本功能（其他可编程平台可根据软件具体步骤修改）实现了其所连接的PLC 间的通讯，同时由于组态修改及简单调整不需要控制系统停机，也就不会引起工艺生产的停役。

2.4 逻辑新增与完善

在已建立的通讯连接的基础上，对数据进行处理，根据工艺与安全运行的需要，增加部分逻辑与控制连锁，以8 万m3柜并联回收二炼钢转炉煤气为例：

（1）12 万m3柜接收到8 万m3柜运行状态数据后，对其进行处理，并保存在自身的寄存器中，如：需要将8万m3柜的量程进行转换，使其与12万m3柜量程一致，便于传输与比较，确保二炼钢工序得到实际的8万m3柜柜容；

（2）在12 万m3柜WINCC 控制画面中增加选择按钮，并设定操作权限（主要是防止误操作、核定并联运行条件、确保工艺运行的安全性）。该按钮设定在12万m3柜控制程序中，可以通过上述通讯方式分别触发8 万m3柜控制器与12 万m3柜控制器中设定的并联回收逻辑，主要包括：

(a)12 万m3柜将实时读取到的8 万m3柜数据（柜容、进口阀门状态、允许回收信号等），替代本身的数据传送给二炼钢工序，同时通过12万m3柜控制器将二炼钢的回收状态数据（请求回收、允许回收、氧含量等）反馈至8万m3柜控制器。

(b)部分阀门的自动运行：打开2 座气柜的进口连通管阀F3 及密封装置，8 万m3柜进口管阀F2，关闭12万m3柜进口管阀F1（见图1），投用密封装置。

(c)8万m3柜激活针对回收二炼钢煤气专门设计的报警程序，如柜容由7.2 万m3报警降低至6.5 万m3，以应对二炼钢3倍于一炼钢的回收量。

(d)考虑到气柜实际运行状态，给出一炼钢拒绝回收信号，如：一二炼钢的回收节奏要求8万m3柜有效柜容在7.5 万m3左右，此时如果12 万m3柜故障无法回收，出于安全考虑将拒绝回收一炼钢转炉煤气，实现抓大放小。

反之，8 万m3柜亦可以通过上述步骤读取12 万m3柜数据，从而分享至一炼钢转炉控制终端，在工艺允许的情况下，实现12 万m3柜回收并联一炼钢煤气。

3 结语

通过创新通讯方式，完善控制逻辑，总结出一套可跨不同厂家、型号与连接方式的PLC 控制器间的通讯方案。实现了2座气柜在其中一台气柜故障的情况下，单台气柜回收2 座炼钢工艺的并联运行模式，不但简单易行，并使得气柜故障时的转煤煤气放散量减少75%。