干法除尘自动化控制系统.docx

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基于PLC 与WinCC 的干法除尘掌握系统的设计及应用
(福建省三钢〔集团〕有限责任公司，福建 三明 365000)
摘 要：本文介绍了一种基于 PLC 与 WinCC 的高炉煤气干法除尘自动化掌握系统的设计及应用。该掌握系统承受在 Profibus-DP 现场总线掌握，中间增加两个中继器来对信号进展有效放大和再生处理，从而到达扩展网络规模，保证了掌握系统牢靠、准时、高速的数据通信；承受了 WinCC 监控软件设计的 HMI 监控画面，利用其全局 C 脚本自动生成 EXCEL 文件格式的生产日报表。
关键词：PLC；WinCC；Profibus-DP；干法除尘；HMI 监控画面；
引言
炼铁高炉煤气干式布袋除尘由于节水、一次性投资后运行维护费用低，已经成为高炉重要的煤气除尘方式，同时可以开发干式高炉煤气余压发电〔TRT 发电〕,利用高炉煤气余压余能奠定了根底, 是目前国内外高炉煤气除尘应用热点。
2025 年 5 月，福建省三钢( 集团) 有限责任公司 4#高炉 1050m3 干法除尘设施进展全面改造，其电气自动化掌握系统结合之前运行维护阅历进展全面升级改造。本套基于PLC 与 WinCC 的干法除尘自动化掌握系统的设计，从节约本钱考虑，需要将原先的现场掌握箱及开关量输入输出模块应用到系统中，并实行增 4 个 BL67 仪表站点全面取代原先集中回掌握室的仪表模拟量信号。这样即节约了中控室掌握柜的数量，削减了其占地面积，为与高炉其他关心设施掌握全面集中到一个掌握室奠定了根底，又使得整个承受 Profibus-DP 现场总线掌握的PLC 系统更加有利于日常的检修维护。
系统工艺流程简介
图 1 干法除尘工艺流程图
如图 1 所示，本套干法除尘掌握系统的高炉煤气先经过重力除尘器将大颗粒
粉尘因自身重力作用自然沉降，再由荒煤气总管通过进口蝶阀和进口盲板阀安排到装有假设干布袋除尘器的 14 个箱体中，在箱体中荒煤气颗粒较大的粉尘再因重力作用自然沉降，颗粒较小的粉尘随煤气连续上升。荒煤气经过滤袋时，粉尘被阻留在滤袋的外外表，煤气此时得到净化。净化后的煤气进入箱体上部，再通过出口盲板阀和出口蝶阀进入净煤气总管，并最终经过 TRT 发电机组或减压阀组输送到煤气总管网。
当荒煤气温度大于 260℃或低 100℃时，系统将自动关闭全部箱体进口蝶阀， 同时翻开荒煤气顶部放散阀组，进展荒煤气放散，该过程为无扰切换，并可以有效掌握高炉炉顶压力。随着过滤过程的不断进展，滤袋上的粉尘越积越多，过滤阻力不断增大。当阻力增大或时间到肯定值时，电磁脉冲阀启动，进展脉冲喷吹清灰，喷吹气承受氮气，清理的灰尘落入箱体下部。当箱体下部中的灰尘累积到肯定量由料位计掌握或时间掌握时，启动刮板机卸输灰系统。灰尘经星型卸灰阀卸入输灰管道，由刮板机将灰尘输送至大灰仓，最终粉尘经加湿机加湿再由运灰汽车运走。
PLC 掌握系统
掌握系统硬件组成
图2 干法除尘掌握系统总硬件图
如图2所示，干法除尘掌握系统设备掌握级承受西门子S7系列的PLC, PLC掌握器承受STEP7 ，CPU使用高性能的414-2 DP型处理器, 确保了掌握系统的稳定性和快速性。PLC和现场各远程站之间承受Profibus-DP通信网络连接, PLC与ET200工作站之间通过Profibus-DP 进展通讯，通讯速率12 M， 保证了掌握系统牢靠、准时、高速的数据通信。电气掌握、仪表掌握和计算机掌握承受“三电合一”，即电气掌握、仪表掌握、计算机全部承受一套PLC掌握系
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统。低压配电局部设计有电源自动切换柜，并通过UPS电源保证了PLC 主站与现场分布式I/O站电源系统的稳定性和牢靠性。PLC掌握柜主要硬件构成如表1所示。此外，承受图尔克BL20系列产品通过两个电机掌握柜掌握14个箱体的仓壁振动器与星卸电机的启停。电动设备仓壁振动器、星卸电机和刮板机，承受机旁、远程上位机两种操作方式来进展掌握，机旁操作仅用于调试和检修设备时使用，远程上位机操作为正常生产时使用的操作方式。其他A、B蝶阀、C、D盲板阀和上下球阀等只承受远程上位机操作方式。
工业交换机
6GK53082FM002AA3
块
1
表1
名称
型号
单位
数量
PS407 电源 10A
6ES7 407-0KA01-0AA0
块
1
S7-400 CPU414-2DP
6ES7 414-2XK05-0AB0
块
1
存储卡 8M RAM 卡
块
1
通讯模块 CP443-5Ext
6GK7 443-5DX04-0XE0
块
1
以太网模块 CP443-1
6GK7 443-1EX11-0XE0
块
1
DI 输入模块 32P DI
6ES7 321-1BL00-0AA0
块
1
DO 输入模块 32P DO
6ES7 322-1BL00-0AA0
块
1
AI 输入模块 8P AI
6ES7 331-7KF02-0AB0
块
1
A0 输入模块 8P AO
6ES7 332-5HF00-0AB0
块
1
ET200 套件
6ES7 153-1AA03-0XB0
块
1
Profibus-DP现场总线通讯方式
图 3 中继器
Profibus-DP 现场总线承受 RS-485 差分平衡传输方式，最大的优点是可抑制噪声，但在现场设备过多、传输线路距离过大、外部环境电磁干扰严峻状况下， 掌握系统就可以通过增加中继器来对信号进展有效放大和再生处理，从而到达扩展网络规模、保证良好通信质量的目的。中继器如图 3 所示，它的总线接口为一进三出，并分为 Segment1 和 Segment2 两段，其中 Segment2 具有信号放大功能， 而 Segment1 没有。因此，在实际应用中，距离短的用 Segment1 或 Segment2 都可行，但到下一个距离远的站点通常用 Segment2，这样可以防止距离远的站点丧失，有效降低总线故障。检修人员在处理总线故障时，切记不要将原先接Segment1 和 Segment2 的总线接头位置调换，否则可能将总线故障进一步扩大丧失更多站点，查找总线故障时最好使用终端电阻，从前端站点开头逐级查找。在调试现场总线通讯过程中，由于现场电气施工人员水平参差不齐，在总线联接施
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工过程中存在着一些问题，调试人员可以通过终端电阻逐级查找总线故障点。本系统由于 PLC 柜与现场站点的距离较远，从 PLC 掌握柜两 DP 口出来的总线分别进干法现场东西两边的中继器 IN 端口，在由三个 OUT 端口分别连接现场箱体其它几层的站点，现场各个模块之间现场总线通过总线 T 型头串联起来，此外，中继器不需要在 STEP7 硬件中进展组态。
掌握方式的实现
干法除尘掌握系统中每个箱体设有一套脉冲氮气反吹系统。包括:氮气包、脉冲阀、喷吹管、球阀等。每个喷吹包各安装 15 个脉冲阀。反吹介质为氮气， 脉冲用氮气压力为 ～，小时用量约为 1000m3。反吹方式：在线反吹、半闭线反吹和单体反吹，可连续周期性进展反吹，也可实现定时或定压差的间歇反吹操作制度。脉冲反吹系统主要包括喷吹气包、脉冲阀、喷吹管、阀门、喷嘴等。工作原理：脉冲阀开启后，高压氮气通过喷吹管从喷嘴里喷出，形成高速气流进入滤袋，并从四周引射数倍于喷射气量的净煤气冲进滤袋，使滤袋急剧膨胀， 引起一次冲击振动。并在瞬间产生由里往外的逆向气流。在冲击振动和逆向气流的作用下，滤袋外表的粉尘被抖落。整个过程约为 秒。卸灰系统承受中间灰斗加三阀的形式，即布袋除尘器筒体下设气动锁紧式卸灰钟阀，中间灰斗下设气动锁紧式卸灰钟阀，再设星形给料阀。卸灰时，先将箱体灰斗中的灰尘卸到中间灰斗中，然后再由中间灰斗卸到刮板输送机中运出。箱体灰斗的容积大于中间灰斗的容积，以保证箱体卸灰时，能保证局部灰封，防止煤气窜入中间灰斗中。两个过程分开进展，保证煤气在卸灰过程不泄露。
现场 14 个布袋除尘器和其他设备的掌握硬件组成如表 3 所示。
表3
名称
型号
单位
数量
DP 网关模块
MG 0102
0000 块
4
开关量输入模块
MC 1008
0300 块
11
开关量输出模块
MC 1108
0102 块
7
模拟量输入模块
MC 2302
0000 块
19
模拟量输入模块
MC 2X04
0000 块
19
模拟量输出模块
MC 2X04
0000 块
2
DI 输入模块
块
41
DO 输出模块
块
72
除脉冲反吹需要氮气气源外，气动阀门驱动、氮气炮也需要氮气。因此应设置氮气储存罐，用降临时存储氮气。在除尘器装置中设 1 个 10m3 氮气储气罐， 氮气气源压力应不小于 。除尘器本体上面主要阀门设备为气动，气动阀门的操作承受计算机系统掌握气动阀门线圈状态的方法来掌握气动阀门。机旁操作通过计算机系统选择，由机旁按钮信号反响到PLC，由PLC 输出指令操作电气柜内的接触器来到达动作设备的目的。设备的现场限位开关信号均须输入计算机系统。
1、布袋除尘器荒煤气总管温度检测、报警，净煤气总管温度检测。
2、压力检测 11 个点，分别为荒、净煤气总管压力检测，大灰仓两个进口，
1 个出口压力检测，四个氮气调压阀组后压力检测和一个煤气调压阀组后压力检
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测。
3、差压变送16 个点。分别为14 个布袋除尘箱体荒、净煤气管压差检测，1 个荒净煤气总管差压检测，5 个氮气调压阀组前后差压检测。
4、含尘量检测 15 个点，分别为 14 个布袋除尘箱体净煤气支管含尘量检测，
1 个净煤气总管含尘量检测。
5、灰位检测 20 个，分别为每个除尘器箱体灰斗上各 2 个热电偶，共 20 个检测点；大灰仓 3 个射频导纳检测灰位。
6、流量检测 4 个点，分别为脉冲反吹、气力输灰、氮气炮和气动阀门四个氮气支路的流量检测。
7、除尘器脉冲反吹系统的脉冲阀挨次掌握。 自动反吹程序设计，从 1 至 14 号箱体依次反吹自动切瓦与引瓦程序，
WinCC 组态软件系统监控画面
监控画面的总体设计
图4 干法除尘掌握系统主画面
如图4所示干法除尘掌握系统主画面，上位机监控软件平台使用Simatic WinCC , 通过该软件设计实现以下功能:
上位机Simatic WinCC PLC的通信。上位机和下位机
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之间通过工业以太网进展实时数据交换，这样既可以满足操作治理人员或检修人员对现场设备的运行状况的实时监控，也可通过操作界面完成对现场设备的远程操作。上位机、工业交换机与下位机之间通过工业以太网以100Mb/s的速度进展高速通信, 确保了监控画面模拟设备的快速响应性。2台上位机互为备用, 使得监控系统安全牢靠, 最大程度上保障了生产的连续性。工业交换机通过工业以太网连接上位机和下位机之间的高速通信,实现掌握程序的上传下载，完成HMI画面组态程序的正常工作。
画面整体设计。用其简洁的自带画图工具，依据干法现场设备实际的分布状况，画出主体设备合理布置图及走向，使用不同的颜色表示各类设备，以到达画面整体美观的效果，画面中固定不变的机构使用比较暗的颜色，开关、阀门等活动局部使用比较鲜亮的颜色。在主画面设计好以后，在设备相应的位置上标记出限位开关信号、温度、压力、含尘量等状态信息。在主画面下端布置上选择分窗口的假设干按钮，在右边空白处将其他一些公共仪表量信息归类显示在一处。
主画面能够根本反映工艺流程总貌及设备运行状态显示。监控程序主画面动态显示工艺流程图、运行设备阀门的开关位，箱体的温度、压力、含尘量及箱体反吹运行状态, 供操作人员了解系统生产状况。主监控画面还供给其他子系统的图形界面, 包括：氮气调整阀窗口、反吹画面、刮板机画面、放散调整阀画面、切引瓦画面、仪表画面、现场照明画面、用户归档画面、报警画面、参数设定画面、报警消音等。通过按钮可以切换至不同的窗口, 来呈现各个生产工艺局部的生产实际状况和其他记录报警功能等。
掌握方式选择。系统供给两种掌握方式：远程计算机掌握和现场机旁操作。操作人员正常状况下都在上位机上进展远程计算机掌握，当需要到现场调试检修时，可以设置为现场机旁操作〔屏蔽远程掌握〕，提高了现场检修人员的安全性。氮气反吹掌握方式供给三种远程掌握方式: 在线反吹、半闭线反吹和单体反吹，操作人员可以依据实际需要，在监控主画面上自由选择。
参数趋势显示图。监控程序供给了每个箱体温度、含尘量、压力〔压差〕 等实时趋势曲线的显示，通过点击主画面上任意箱体的仪表量数据即可显示出对应箱体相关数据趋势曲线，通过编写C脚本可以在仪表量趋势曲线窗口画面上对14个箱体间任意切换观看，从而使治理与技术人员准时有效地把握设备的运行状况。过程值归档中无法建立关系和对字符串进展归档。这些功能使用用户归档可以实现。
参数值设置。依据设备生产工艺的实际状况, 在线调整温度掌握值、各类报警值上下限设置等参数值。
系统报警及消音。系统报警包括：文字报警和语音报警。现场有大量的检测仪表信号，开关信号的丧失和故障信号反响等，其中有些信号在生产过程中的可能消灭很短暂特别，这些短暂消灭的故障信息就需要被报警记录画面记录下 来，这方面的功能WinCC也为设计人员供给了现成的控件，依据向导把全部需要监测的点加到控件里。全部记录均要求是长期记录，并且报警记录的到达、离开、确认各状态需要用不同颜色来显示。在现场设备消灭特别时，操作人员通过系统弹出的报警画面可以具体地了解故障信息，同时依据操作人员的需要将一些重要故障报警同时设置了语音报警，起到了更好的提示效果。在听到语音报警后，通过消音按钮临时消音，准时通知相关人员对故障进展处理。
简单报表的自动生成
在干法除尘自动掌握系统中，操作治理人员需要记录每个小时现场公共设备
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仪表值和各个箱体的温度、压差、含尘量等。虽然可以利用WinCC直接做简单报表，但WinCC自带的报表编辑器功能有限，在实际应用中存在一些不便。因此， 本系统充分发挥WinCC的强大功能，通过C脚原来完成简单报表的自动生成。
首先，利用excel工具做一个干法除尘实际需要的报表的空白模板，保存在G:\\。充分利用excel强大的数据处理功能，可以预先设置好各单元格之间的求和、平均、最大值、最小值等计算，甚至更加简单的运算， 并将运算结果存放在对应的单元格内。其次，在WinCC 。它的功能包括：实现每天的00:00:01触发〔周期性触发〕， ，将复制产生的“GF_DayReport_*年*月*”的文件存盘到指定的名目下。最 后，在WinCC 。它的功能包括：实现每天的整点触发〔使用系统小时变量触发〕，把需要记录的变量值写到“GF_DayReport_*年*月*”相应的单元格里面并存盘。在实际的应用中， 还存在一个二十四点即其次天零点数据记录的问题，假设还是依据整点零点记 录，数据会记录到其次天零点表格里，这可能会与操作治理人员的习惯不符，因此，,实现在每天的23:59:59周期性触 发，记录在当天24点数据表格中。假设有条件配置打印机，还可直接触发打印机， 每天定时打印一份报表。
结语
本套干法除尘掌握系统承受Profibus-DP现场总线掌握，保证了掌握系统牢靠、准时、高速的数据通信，增加的两个中继器对信号进展有效放大和再生处理， 从而到达扩展网络规模、保证良好通信质量的目的。承受的机旁与远程上位机两种操作方式来进展掌握，机旁操作仅用于调试和检修设备时使用，远程上位机操作为正常生产时使用的操作方式，这样极大地便利了检修人员与操作人员掌握。承受的WinCC监控软件设计的HMI画面对设备的操作和实际过程实施监控，利用其自带的功能对生产需要关注的数据进展采集和归档处理，并承受全局C脚本生成生产日报表等功能。本套系统自2025年8月投产后，系统运行稳定，故障率低， 很好地效劳了高炉炼铁生产。
参考文献
李娜，王薇，买波，何东. Profibus 诊断中继器及其工程应用中的关键技术[J].2025(24):59-62.
李奇勇. 1050m3 高炉煤气干法除尘技术应用 [J].冶金能源，2025〔4〕： 9-12.
李奇勇. 1050m3 高炉煤气干法除尘技术应用 [J].冶金能源，2025〔4〕： 9-12.
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