朱滿州 任翠宏, 葉婷婷 雷軍生 鄭 爽 劉國柱 喬 鵬

(1.甘肅銀光聚銀化工有限公司，甘肅 白銀 730900；2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050)

基于JX-300XP的自動(dòng)加焦控制系統(tǒng)

朱滿州1任翠宏1,2葉婷婷1雷軍生1鄭 爽1劉國柱1喬 鵬2

(1.甘肅銀光聚銀化工有限公司，甘肅 白銀 730900；2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050)

提出了一種基于JX-300XP系統(tǒng)的水煤氣制氣工序中自動(dòng)加焦的控制方案。介紹水煤氣制氣的工藝過程、JX-300XP系統(tǒng)的組成與功能，給出自動(dòng)探焦的控制方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：加入自動(dòng)加焦機(jī)后，造氣爐運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了生產(chǎn)效率、降低了能耗。

JX-300XP系統(tǒng) 自動(dòng)加焦機(jī) 造氣爐 探焦器

在水煤氣制氣過程中，傳統(tǒng)的方法是采用加焦機(jī)、手動(dòng)測量碳層、人工調(diào)節(jié)給煤時(shí)間的方式來控制碳層的。然而該測量調(diào)控方式極易受到人為因素(如測量不及時(shí)、讀數(shù)不準(zhǔn)及誤報(bào)等)的影響，造成碳層、爐況波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致爐況長周期不穩(wěn)定，產(chǎn)品氣質(zhì)量降低[1]，消耗上升，甚至嚴(yán)重影響全廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此，實(shí)現(xiàn)造氣爐的自動(dòng)加焦，對(duì)于穩(wěn)定造氣爐碳層、穩(wěn)定爐況、節(jié)能降耗、降低成品氣殘次率具有重要意義。

浙大中控JX-300XP系統(tǒng)軟件，基于中文Windows XP開發(fā)，用戶界面友好，所有命令都化為形象直觀的功能圖標(biāo)，只需用鼠標(biāo)即可輕松完成操作，通過與操作員鍵盤的配合，可使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控更加方便、快捷。

在此，筆者以JX-300XP系統(tǒng)為控制平臺(tái)，制定一種造氣爐自動(dòng)加焦控制方案，實(shí)現(xiàn)造氣爐的自動(dòng)加焦、探焦、穩(wěn)定長周期運(yùn)行，提高產(chǎn)品氣質(zhì)量。

1 水煤氣制氣的工藝過程

本水煤氣制氣工段首次選用了河北省景縣某機(jī)械廠最近成功研制出的造氣爐固定碳層自動(dòng)加焦機(jī)。該造氣爐固定碳層自動(dòng)加焦機(jī)由ZL型傳統(tǒng)加焦機(jī)與碳層可調(diào)的自動(dòng)加焦機(jī)相結(jié)合，當(dāng)檢測器檢測到碳層高度后，將結(jié)果上傳至控制器，由控制器調(diào)節(jié)每個(gè)循環(huán)加焦量，以達(dá)到恒定碳層高度和自動(dòng)加焦的目的[2]。

整個(gè)水煤氣制氣過程為高碳層、短循環(huán)，因此溫度波動(dòng)小、氣化層相對(duì)穩(wěn)定，確保了氣化強(qiáng)度、制氣效率和產(chǎn)品氣質(zhì)量。一個(gè)循環(huán)周期包括6個(gè)步驟：吹風(fēng)、蒸汽吹凈、上吹制氣、下吹制氣、二次上吹制氣和空氣吹凈。一個(gè)循環(huán)周期原則上為150s，實(shí)際生產(chǎn)中一般用135s。根據(jù)產(chǎn)量要求和碳層情況，每20～45個(gè)循環(huán)除渣一次。

2 JX-300XP系統(tǒng)

浙大中控JX-300XP系統(tǒng)，以近年來快速發(fā)展的通信技術(shù)、微電子技術(shù)為支點(diǎn)，充分將最新的信號(hào)處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用其中，使軟件平臺(tái)更加可靠。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)，該系統(tǒng)采用高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，來提高DCS的整體功能和性能，并且對(duì)更廣泛、更復(fù)雜的應(yīng)用要求都能適應(yīng)。因此，JX-300XP系統(tǒng)已成為一個(gè)全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的開放式集散控制系統(tǒng)。

JX-300XP系統(tǒng)的基本組成包括工程師站、操作站、控制站和通信網(wǎng)絡(luò)SCnet II。系統(tǒng)通過多功能計(jì)算機(jī)服務(wù)站和相應(yīng)的應(yīng)用軟件Advantrol-PIMS或OPC接口實(shí)現(xiàn)與企業(yè)管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)的信息交換，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)流程查看、趨勢(shì)瀏覽、報(bào)警記錄查看、開關(guān)量變位記錄查看及報(bào)表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出等功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)過程的管理和控制全集成綜合自動(dòng)化。

JX-300XP系統(tǒng)組態(tài)軟件包括基本組態(tài)軟件SCKey、流程圖制作軟件SCControl和報(bào)表制作軟件SCForm；用于控制站編程的編程語言ST、梯形圖軟件SCLD、功能塊圖軟件FBD及順控軟件SFC等。各功能軟件之間通過對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)模塊間各種數(shù)據(jù)和信息的通信、控制和管理[3]。

3 自動(dòng)探焦控制方案

在水煤氣制氣工段中裝配了河北某公司生產(chǎn)的造氣爐自動(dòng)探焦器，該探焦器利用中間二次儀表與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場實(shí)際碳層高度的按時(shí)、按需探測控制。

3.1探焦器工作原理

造氣爐自動(dòng)探焦器的現(xiàn)場部分由油壓閥帶動(dòng)探焦部分進(jìn)行探焦。探焦器二次儀表工作原理如圖1所示，由DCS系統(tǒng)發(fā)出檢測碳層高度的探焦信號(hào)，探焦器上有一個(gè)計(jì)數(shù)器，把探出的高度變成電信號(hào)并送到控制室的二次儀表，二次儀表再把信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA信號(hào)送至DCS系統(tǒng)。自動(dòng)探焦器方便了工藝監(jiān)控人員的操作，并及時(shí)反饋碳層高度，極大地提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了成本。

圖1 探焦器二次儀表工作原理

圖1中，端子5、17、18接收現(xiàn)場信號(hào)，端子19、20把轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送至DCS系統(tǒng)顯示，端子16、18接收DCS系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，端子21、22輸出220V(AC)電壓控制現(xiàn)場電磁閥。二次儀表可在內(nèi)部設(shè)定探焦量程和報(bào)警值。

3.2探焦控制方案

由于探焦器二次儀表沒有直接控制功能，所以根據(jù)工藝需求，探焦控制功能全部由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。每4個(gè)循環(huán)周期后探焦一次，每次探焦都要在下吹階段加完焦碳后完成。由于下吹時(shí)間有限，而加焦又是在下吹階段完成，并且探焦器探焦時(shí)需要一定的時(shí)間，如果超出下吹階段探焦就會(huì)出現(xiàn)安全問題。因此，本方案采用JX-300XP系統(tǒng)的流程圖制作軟件SCControl，用控制站的編程語言功能塊圖軟件FBD實(shí)現(xiàn)邏輯控制，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)模塊間各種數(shù)據(jù)的控制、信息的交換和管理。加焦機(jī)探焦控制程序如圖2所示。

圖2 加焦機(jī)探焦控制程序

程序中，XHS06為循環(huán)計(jì)數(shù)，KV2116A為造氣爐布料器開關(guān)量，LSV-21103A為流程畫面按鈕開關(guān)，LS-21103A為繼電器輸出。UINT_TO_INT模塊的功能是將UINT型的輸入值轉(zhuǎn)換為INT數(shù)據(jù)類型；MOD_INT模塊的功能是將輸入值相除，并將余數(shù)賦給輸出值；MUX_BOOL模塊的功能是當(dāng)K=0時(shí)將輸入值IN1賦給輸出值，當(dāng)K=1時(shí)將輸入值IN2賦給輸出值，當(dāng)K=n-1時(shí)將輸入值INn賦給輸出值；AND_BOOL模塊的功能是將輸入值進(jìn)行邏輯與操作，并將結(jié)果賦給輸出值；OR_BOOL模塊的功能是將輸入值進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，并將結(jié)果賦給輸出值，輸入值的個(gè)數(shù)不限；SEL_BOOL模塊的功能是當(dāng)SW=OFF時(shí)將輸入值IN1賦給輸出值，當(dāng)SW=ON時(shí)將輸入值IN2賦給輸出值；NOT_BOOL模塊的功能是對(duì)BOOL型的輸入取反，并將結(jié)果賦給輸出值；TON模塊的功能是當(dāng)IN從OFF跳變?yōu)镺N時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)輸出。

UINT_TO_INT模塊將變量XHS06的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為模塊MOD_INT認(rèn)定的數(shù)據(jù)類型，然后用循環(huán)數(shù)除以4求出余數(shù)(余數(shù)只能是1、2、3或0)，并把該余數(shù)值賦予模塊MUX_BOOL中的K值，由K值判斷該模塊的輸出，當(dāng)循環(huán)數(shù)是4的倍數(shù)時(shí)輸出為ON。

當(dāng)KV2116A為OFF時(shí)，模塊NOT_BOOL輸出為ON，模塊TON延時(shí)15s后輸出ON；模塊OR_BOOL的作用是當(dāng)手動(dòng)信號(hào)LSV-21103A開時(shí)，繼電器LS-21103A輸出，此時(shí)啟動(dòng)二次儀表進(jìn)行探焦，約十多秒后完成探焦，時(shí)間嚴(yán)格控制在下吹階段。

使用FBD語言編寫的加焦機(jī)探焦控制程序可完成自動(dòng)探焦過程，且隨時(shí)進(jìn)行手/自動(dòng)控制的切換。

4 應(yīng)用效果

對(duì)水煤氣制氣工段中造氣爐在自動(dòng)加焦機(jī)投運(yùn)前、后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體見表1。

表1 造氣爐在自動(dòng)加焦機(jī)投運(yùn)前、后的數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，加焦機(jī)投運(yùn)后造氣爐有以下3方面的改善：

a. 有效制氣時(shí)間延長，產(chǎn)量增加。采用手動(dòng)加焦時(shí)，由停爐開蓋到加焦完畢需5min左右，每個(gè)班單爐加焦24斗左右，全天72斗，其中下灰12～24次。采用自動(dòng)加焦后，除下灰停爐外，加焦不停爐，全天可縮短停爐時(shí)間120min，相當(dāng)于每臺(tái)爐每天增加制氣時(shí)間120min。

b. 爐溫穩(wěn)定。自動(dòng)加焦控制方式消除了人工加焦時(shí)因不同操作習(xí)慣所引起的加焦偏差和碳層波動(dòng)大的缺陷。該設(shè)備最大的特點(diǎn)是在自有設(shè)備的控制下，能夠達(dá)到碳層的恒定可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)加焦，使碳層穩(wěn)定無波動(dòng)、爐溫穩(wěn)定、上下行溫度變化小。同時(shí)，爐況的穩(wěn)定增加了單爐發(fā)氣量，提高了有效氣體成分，降低了灰渣殘?zhí)亢俊?/p>

c. 加焦時(shí)無需開爐蓋，爐內(nèi)熱量基本無損失。投用探焦器使造氣爐固定碳層自動(dòng)加焦機(jī)克服了ZL型傳統(tǒng)加焦機(jī)爐膛中間氣化阻力大、環(huán)境污染嚴(yán)重及無法全自動(dòng)輸煤等缺陷，達(dá)到了碳層高度恒定、氣化阻力小、上行煤氣溫度波動(dòng)小及加焦量可調(diào)等運(yùn)行效果，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定爐況、改善操作環(huán)境和節(jié)能降耗的目的[4]。

5 結(jié)束語

筆者基于JX-300XP系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套水煤氣制氣工序中自動(dòng)加焦、探焦的控制方案。實(shí)際應(yīng)用效果表明，加入加焦機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加焦、探焦后，造氣爐有效延長了制氣時(shí)間，增加了產(chǎn)量，消除了人工加焦時(shí)因不同操作習(xí)慣所引起的加焦偏差和碳層波動(dòng)大的缺陷，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定爐況、改善操作環(huán)境、可持續(xù)操作和節(jié)能降耗的目的。

[1] 張艷麗,趙永霞,李洪政.造氣系統(tǒng)技術(shù)改造及效果[J].中氮肥,2010,(4):20～21.

[2] 劉捷.煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)自動(dòng)控制改造研究[J].大眾科技,2014,16(6):105～108.

[3] 鮑峰,陳飛燕,陳秀環(huán),等.WebField JX-300XP教程[M].杭州:浙江中控技術(shù)股份有限公司,2009.

[4] 林青云,宴琦,蔣坤榮,等.Delta-V系統(tǒng)在多晶硅生產(chǎn)過程的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(4):544～546.

JX-300XP-basedControlSystemforAutomaticCoke-feedingMachine

ZHU Man-zhou1, REN Cui-hong1,2, YE Ting-ting1, LEI Jun-sheng1, ZHENG Shuang1, LIU Guo-zhu1, QIAO Peng2

(1.YinguangGroupGansuYinguangJuyinChemicalIndustryCo.,Ltd.,Baiyin730900,China;2.CollegeofElectricalEngineeringandInformationEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

A JX-300XP system-based control scheme for automatic coke-feeding operation in the water gas gasification process was proposed; and the process of water gas gasification, JX-300XP system’s composition and functions as well as the control scheme for coke measurement were presented. The application results show that the employment of the coke-feeding machine can stabilize the operation of gas-making furnace along with improved production efficiency and reduced energy consumption.

JX-300XP system, automatic coke-feeding machine, gas-making furnace, coke measurement device

2016-01-14(修改稿)

TH862

B

1000-3932(2016)08-0802-04