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關鍵詞： PLC自動控制系統(tǒng)在質譜爐氣分析系統(tǒng)中的應用`嚴月祥，沈學靜，王 蓬，胡少成鋼鐵研究總院分析測試所，北京100081

對于在線過程分析系統(tǒng)，其可靠性、穩(wěn)定性極為重要?；赑LC自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，本文研究將PLC自動控制系統(tǒng)應用于質譜爐氣分析系統(tǒng)，通過PLC及其上位機的自動和手動的控制，實現(xiàn)了自動采集樣氣、自動反吹再生、手動調試、時間參數(shù)修改、各加熱元件及儲氣罐壓力狀態(tài)顯示、本地狀態(tài)指示燈顯示、故障預警及上位機和PLC的信號連鎖等功能，提高了質譜爐氣分析系統(tǒng)控制的安全性和可靠性。本系統(tǒng)應用在萊鋼4號轉爐上，自2004年2月投入在線運行以來，一直保持良好的工作狀態(tài)。
1 系統(tǒng)組成
1．1 硬件組成
質譜爐氣分析系統(tǒng)由取樣探頭、初級過濾單元、反吹再生單元、樣氣處理單元、噴射泵、PLC自動控制單元以及飛行時間質譜儀組成。工作站(Control Station)即為PLC的上位機(HMI)，可顯示質譜爐氣分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)、控制整套系統(tǒng)的運行和顯示樣氣成分的分析曲線，其系統(tǒng)組成見圖1。


在PLC自動控制系統(tǒng)的控制下，冶煉或燃燒過程中的樣氣經(jīng)噴射泵抽汲后，通過一個取樣探頭，經(jīng)初級過濾單元過濾除去85％以上的粉塵，再經(jīng)過樣氣處理單元的旋風除塵器和精過濾器進行除塵和除水獲取干燥潔凈的樣氣，通過引導管進入飛行時間質譜儀進行分析，得到的分析數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡實時傳輸給工作站進行顯示并存儲，以便指導現(xiàn)場工人的操作。同時，反吹再生單元在PLC自動控制系統(tǒng)的控制下，按照一定的時序對另一個取樣探頭進行反吹再生，當前一取樣探頭快結束取樣時，經(jīng)過既定的時間后，對切換至反吹再生完的探頭進行取樣，而前一取樣探頭亦進行反吹再生，如此反復切換兩個取樣探頭，對樣氣進行連續(xù)不斷地采集。此既定的時間可以通過PLC上位機的時間參數(shù)界面，按照不同的操作工藝在一定的時間范圍內(nèi)進行設定，從而使得兩取樣探頭相互切換時所采集的樣氣趨于連續(xù)、一致且均勻。
1．2軟件組成
根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用西門子的S7-226型PIE自動控制系統(tǒng)。本機集成24輸入／16輸出共40個數(shù)字量I／O點；可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I／O點或35路模擬量I／O點；具有2個RS485通信／編程口，并具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力。本系統(tǒng)共有16個輸入點和10個輸出點，PLC采用PPI通信協(xié)議與工作站直接通信，選擇S7-226型西門子PLC完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。
2系統(tǒng)功能實現(xiàn)
2．1 PLC自動控制單元
本系統(tǒng)按照轉爐煉鋼生產(chǎn)工藝，編制質譜爐氣分析系統(tǒng)的自動取樣和反吹再生時序，即熔煉過程的Starting時序和不熔煉過程的Waiting時序。將此時序按一定邏輯關系編寫成PLC程序，通過上位機集成到PLC自動控制單元上，同時為10個電磁閥及各顯示狀態(tài)的節(jié)點分配地址，實現(xiàn)PLC自動控制單元對質譜爐氣分析系統(tǒng)中10個電磁閥的自動／手動開關及各節(jié)點工作狀態(tài)的顯示。
2．2 PLC上位機(HMI)
PLC上位機為用戶提供更加直觀的工作狀態(tài)顯示和便捷的操作。通過PLC上位機登錄本系統(tǒng)有兩種方式：普通級和高級。普通級針對用戶，高級針對專業(yè)技術人員。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，按照PLC控制單元分配的地址，啟動各節(jié)點的工作，通過上位機的用戶界面可顯示和控制PLC控制單元的運行。工業(yè)現(xiàn)場的開關信號使能并被PLC自動控制單元接收后，當上位機自動運行工作時，啟動PLC內(nèi)置的Starting時序，控制10個電磁閥的自動開關，從而控制自動采集樣氣、反吹再生以及啟動質譜分析界面并實時記錄分析數(shù)據(jù)。反之，工業(yè)現(xiàn)場的開關信號非使能時，系統(tǒng)啟動PIE內(nèi)置的Waiting時序，按照Waiting時序對系統(tǒng)的探頭及管路進行反吹再生，以便在下一生產(chǎn)過程中使用。當通過高級驗證后，可進人手動調試界面，按下手動調試按鈕，且PLC的轉換開關轉向調試擋，可手動控制各電磁閥的動作。在時間參數(shù)修改界面，可以修改兩探頭在相互切換時的交叉時間。
2．2．1 自動運行
啟動工作站的質譜爐氣分析軟件，通過登錄界面，進入功能選擇界面。點擊功能選擇界面內(nèi)的“自動運行”按鈕，進入自動運行界面，如圖2所示。圖2顯示的是系統(tǒng)應用于轉爐冶煉的情況，為轉爐正在熔煉狀態(tài)。當系統(tǒng)自動運行時，一路采集轉爐爐氣，并將其送人質譜儀進行分析，另一路反吹再生，即內(nèi)外反吹探頭和管路，等待切換采集樣氣。圖中，處于工作狀態(tài)即有氣流的管路實時直觀地用綠色且較粗的氣路來標明。加熱元件的紅色指示燈表示該加熱元件處于不加熱狀態(tài)，正常加熱狀態(tài)時指示燈呈綠色。加熱是通斷式的，由溫度傳感器控制，加熱時間可由溫度傳感器上的電位器來調節(jié)，防止樣氣中水蒸氣冷凝。儲氣罐內(nèi)的氮氣壓力正常與否，同樣可由界面上的壓力指示燈來判斷，壓力大于0.4MPa時指示燈呈綠色，視為反吹壓力正常。


2．2．2 手動調試
輸入高級別的用戶名和密碼，通過驗證后，選擇功能選擇界面下的“手動調試”按鈕，進人手動調試界面，其結構與自動運行界面相似，僅多了10個電磁閥對應的手動按鈕，用來手動控制10個電磁閥的開／關。
手動調試界面專為專業(yè)技術人員設計。由于手動調試的信號在PLC的上位機和PLC主機之間是連鎖的，僅在PLC主機的轉換開關扳向調試擋，且PLC上位機的手動調試開時，才可通過PLC手動開關箱上倒扳開關來手動控制(硬件控制)10個電磁閥的開／關，亦可通過上位機的手動調試界面上的10個電磁閥對應的10個按鈕來進行手動控制(軟件控制)，從而對系統(tǒng)的電磁閥、繼電器、氣路和接頭處的氣密性進行檢查，為此保證系統(tǒng)的安全性。而且，如果系統(tǒng)有一氣路出現(xiàn)故障，即可手動控制另一氣路進行樣氣采集并分析，同時排除此氣路的故障。待故障排除后，可手動控制反吹電磁閥的開／關來對此氣路取樣探頭及氣路進行反吹再生，保證在氣路出現(xiàn)故障時不影響樣氣的采集和分析。
2．2．3 時間參數(shù)修改


2．2本地狀態(tài)顯示
PLC自動控制單元內(nèi)的指示燈以及上位機人機界面內(nèi)不同顏色的變換指示，顯示系統(tǒng)當前工作狀態(tài)，可為生產(chǎn)和維護人員提供狀態(tài)信息，方便及時地判斷故障所在。
3 系統(tǒng)性能測試
系統(tǒng)自2004年2月在萊鋼4轉爐生產(chǎn)現(xiàn)場運行至今，工作狀態(tài)一直良好，并且能指導現(xiàn)場工人的操作，在避免出現(xiàn)氧槍漏水爆炸事故和減少補吹次數(shù)方面取得了初步成效。經(jīng)現(xiàn)場測試，其樣氣預處理裝置的響應時間為13s，飛行時間質譜儀的份析時間僅為0.1s,可見非常適合流程的轉合短流程的轉爐練鋼工藝使用。經(jīng)720h穩(wěn)定性測試，本系統(tǒng)在PLC自動控制系統(tǒng)下，沒有發(fā)生任何故障。