灑水控制系統在鋼鐵原料場的應用

易運池，高振亮

(1.北京農業職業學院 機電工程學院，北京 102208；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200)

進入21世紀，大型鋼鐵企業料場大型化，節能環保、自動化、無人化是現代化原料場發展的趨勢，隨著國家對環保提出了更高的要求，尤其是露天料場，灑水系統的穩定可靠運行是實現環保要求的重要設施之一。在首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司原料場(下文簡稱“京唐原料場”)，灑水系統分布在煤料場、礦料場和球團料場3個區域,京唐原料場灑水系統采用現場子站DP網絡連接代替設備控制點硬接線方式，節約了安裝時間和施工費用，操作人員在中央控制室通過系統網絡實現遠程監控，具有故障復位、網絡故障診斷等功能，避免了現場操作，節約了故障恢復時間。實踐證明，該系統穩定可靠，故障率低，滿足大型原燃料場[1]生產環保需求。

1 料場灑水系統的結構

京唐原料場灑水系統主要由泵站系統、自動控制系統、管路系統、灑水裝置構成[2]，如圖1所示。

圖1 灑水系統結構示意

圖1中，灑水控制系統采用Siemens S7-400系列CPU414-2DP，選用通訊模板CP 443-5擴展型通訊處理器作為DP主站，從站采用IM151-1接口模塊[3]和RS485 DP中繼器進行通訊，主站與從站、從站與從站之間通過PROFIBUS-DP網絡連接，構成系統主站與現場遠程I/O從站網絡鏈路。

灑水控制系統上位機選用工控機，上位機通過CP5611-MPI網卡與PLC進行通訊和控制，通過安裝在上位工控機上以太網(EtherNet/IP)卡、交換機與抑塵系統和料場生產主系統進行信息交換，并與更高層網絡過程控制級L2級和生產管理級L3級實現信息共享。

2 灑水控制系統功能

灑水控制系統應完成分兩種控制方式，即現場本地和遠程控制方式?，F場本地即在現場操作或檢修模式，遠程控制即由中控室進行遠程控制。

當發出噴槍啟動命令后，從站輸出模塊上的開閥繼電器及擺動繼電器吸合，開到位反饋信號為“ON”時，開閥繼電器斷開，當開閥20 s電動閥開到位信號沒有返回，電動蝶閥斷電；當發出噴槍停止信號時，擺動繼電器斷開，關閥繼電器吸合，關到位反饋信號“ON”時，關閥繼電器斷開，當關閥20 s電動閥開到位信號沒有返回，電動蝶閥斷電。

當噴槍啟動后，程序在啟動噴槍的25 s內檢測擺動、泄水反饋信號是否有一次變化，即“ON”變“OFF”或“OFF”變“ON”，若無變化，程序將該臺噴槍的相應位置顯示報警。噴槍再次啟動后，擺動、泄水報警故障自動復位，在25 s內重新進行故障檢測。

當溫度≤2 ℃時，噴槍內由溫控儀表、鉑熱電阻、電熱帶、電熱器及加熱繼電器組成的溫控系統開始加熱，溫度達到15 ℃時停止加熱。

3 料場控制系統的實現

3.1 硬件實現

京唐原料場是采用秦皇島三英環保設備開發有限公司ZBPL型自動擺頭灑水裝置，適用于港口、電廠等單位儲煤場及某些粉塵較大的礦物散裝露天堆放場地，通過灑水進行抑塵，是一種新型的環保產品。主要參數表見表1。

其主要結構由噴槍、擺動機構、電動蝶閥、手動蝶閥、自動泄空閥、電伴熱、溫度控制器、電控器及保溫箱體等部分組成，ZBPL型自動擺頭灑水裝置三視圖見圖2。該裝置采用了雙螺旋圓柱凸輪往復換向機構和機電一體化的自動泄空閥，克服了同類產品只有擺動噴槍，沒有閥門、伴熱、控制系統及保溫箱體，冬季不好使用，霧化不好，噴灑不均等缺點。

“沒錯，是丁達。他沒事，壺天曉和鏡心羽衣也沒事，都在他肚子里裝著呢！”宴西園乘著他的棕色翼龍，低空盤旋著，向丁達飛去。

表1 ZBPL型自動擺頭灑水裝置主要參數

圖2 ZBPL型自動擺頭灑水裝置三視圖

灑水裝置工作是通過水泵房加壓水經管道通至灑水裝置處，與進水手動蝶閥相通，當手動蝶閥打開，控制室(上位機或操作終端)按設定的灑水的槍數、時間、次數，可發出噴水指令，處于常閉狀態的電動蝶閥打開，同時，處于常開狀態的泄空閥關閉，噴水工作開始，同時，電動機啟動，帶動減速機、凸輪機構、齒條、齒輪運動，使噴槍往復擺動噴水。

在京唐原料場，以煤料場為例，煤料場有10個料條，料條寬度55 m，9個堆取料機軌道道基，灑水控制系統遠程I/O站和灑水裝置分布在軌道道基兩側。每臺灑水裝置其噴槍控制的輸出點為3個，分別為電動閥開驅動、電動閥關驅動及槍頭擺動驅動。噴槍反饋輸入點為8個，分別為電動閥開到位信號、電動閥關到位信號、擺動信號[4]、泄水信號、低溫報警信號、遠程/就地轉換信號、手動開信號及手動關信號。

依據料場現場測試編制曲線，該灑水裝置能滿足大型鋼鐵原料場生產需求。噴水曲線圖見圖3，仰角噴水圖見圖4。

圖3 ZBPL型自動擺頭灑水裝置噴水曲線

圖4 ZBPL型自動擺頭灑水裝置幾種噴水仰角

3.2 軟件實現

灑水裝置分兩種控制方式，即現場本地和遠程控制方式。

料場灑水控制系統PLC編程采用SIEMENS SIMATIC STEP 7 V 5.4+SP 3.1編程軟件，上位機畫面使用SIEMENS SIMATIC WINCC V 7.0監控組態軟件，通過創建和管理項目，為硬件和通訊組態并分配參數，創建應用程序，將程序下載到可編程控制器，最后完成系統調試。

現場手動操作時，先將噴槍保溫箱門打開，用鑰匙將轉換開關打到“就地”操作位置，按噴槍啟動按鈕，噴槍運行，手動完成后，按停止按鈕，噴槍停止，將轉換開關打到“遠程”位置，關上噴槍保溫箱的門。

在遠程手動方式下，移動鼠標箭頭至某臺噴槍的槍號處，點擊左鍵，噴槍開始灑水，槍號背景顏色變綠；將鼠標箭頭移到該臺已噴水的噴槍槍號處，點擊左鍵，該臺噴槍停止灑水，槍號背景顏色變紅。

在遠程自動方式下，運行前要檢查已設好的啟動方式，若不合適，可進行選擇。檢查每組自動運行的時間是否合適，若不合適，可進行修改。用鼠標點擊右上角的自動啟動按鈕，噴槍按設定程序及設定時間分組啟停。全部噴槍啟停一次后，自動運行按鈕自動掉下。如果選中停止方式，所有由上位啟動的噴槍將全部停止，在此方式下，不能由上位機驅動噴槍。因此，操作完成后，應選中停止方式，防止有人誤啟動噴槍。

噴槍組圖是由棕色槍頭、噴槍槍號數字、電動閥開到位信號K、電動閥關到位信號G、噴槍泄水信號X、低溫報警信號W及藍色方塊組成。噴槍停止時，噴槍槍號數字背景為紅色，關到位信號G的背景為綠色，開到位信號K的背景為紅色，泄水信號X的背景為綠色；噴槍運行時，噴槍槍號數字背景為綠色，關到位信號G的背景為紅色，開到位信號K的背景為綠色，泄水信號X的背景為紅色。當噴槍發生擺動故障報警時，噴槍組圖中的槍頭由棕色變為黃色；當噴槍發生低溫報警時，低溫報警信號W的背景顏色為黃色；當控制噴槍的現場從站發生通訊報警時，噴槍槍號數字背景為黃色，上位及現場均不能操作該臺噴槍；當噴槍進行現場手動時，藍色方塊出現在噴槍組圖的后面。

故障查詢畫面分為擺動故障、泄水故障、低溫報警故障及通信故障查詢索引，擺動與泄水故障是運行后經過延時檢測出的，可以進行手動復位。其他的兩個故障是由噴槍輸入點及內部中斷相關聯的，不能進行手動復位，當故障消失后，自動復位。低溫報警是指在冬季，當噴槍內供水管道的溫度低于2 ℃時，噴槍內的溫控儀表報警繼電器吸合，向上位機發出報警信號。灑水上位報警與查詢畫面見圖5。

圖5 礦料場灑水上位報警畫面

通訊查詢畫面是以圖形方式顯示每個現場從站與主站PLC間的通訊連接，每個現場從站的通信地址及通訊電纜的進出路由。當某個從站發生通信故障時，其相應的方塊以紅、黃顏色閃爍，通訊正常時，該方塊為綠色。

4 系統運行效果分析

在系統調試期間，發現存在從站丟失現象，為解決該問題，依據PROFIBUS-DP網的傳輸特性，考慮通訊環境干擾、波特率、最大通訊距離、系統成本，選用2條PROFIBUS-DP鏈路，設置了RS485 DP中繼器，保證了系統通訊的可靠性。

在調試過程中，發現噴槍的灑水距離和灑水高度不能滿足煤料堆17 m堆高和料條55 m寬度的工藝要求，為此，通過調整了泵站管道出口壓力(達到1.0 MPa)和流量(單噴頭70 m3/h)，對泵站系統進行了完善，滿足了生產需求。

隨著生產運行，利用國產電動蝶閥D941H-16C65代替法國電動蝶閥D941H-16C65進行測試，需要經過修改PLC程序延遲時間，能滿足生產需要，系統運行測試成功。由于進口電動蝶閥價格昂貴(人民幣8 900元)，電動蝶閥國產化(人民幣3 840元)改造，如650套灑水電動蝶閥全部更換將節約人民幣329萬元，顯著節約了生產成本。

5 結論

目前該系統運行穩定可靠，滿足了生產工藝需求。該系統的成功實施，大大降低了現場管理人員的工作強度，提高了勞動生產率，達到最佳的防塵降塵效果，保護了環境，減少了原燃料損失，同時解決了在不更換主體機械設備的情況下完成了國產化改造，降低了生產成本。該控制系統的成功運用對我國鋼鐵廠、港口碼頭、發電廠等企業的原料場粉塵治理具有良好的推廣應用價值。