PLC自动控制系统在质谱炉气分析系统中的应用`

［摘 要］将PLC自动控制系统用于质谱炉气分析系统，可实现质谱炉气分析系统的在线连续取样及分析，并可按照一定时序完成两探头间的相互切换以及反吹再生。研究表明：PLC自动控制系统能够实现对质谱炉气分析系统的连续不间断控制，且极为可靠、稳定和实用。 ［关键词］PLC自动控制系统；质谱炉气分析系统；在线分析；反吹 0 引言 对于在线过程分析系统，其可靠性、稳定性极为重要。基于PLC自动控制系统的稳定可靠，本文研究将PLC自动控制系统应用于质谱炉气分析系统，通过PLC及其上位机的自动和手动的控制，实现了自动采集样气、自动反吹再生、手动调试、时间参数修改、各加热元件及储气罐压力状态显示、本地状态指示灯显示、故障预警及上位机和PLC的信号连锁等功能，提高了质谱炉气分析系统控制的安全性和可靠性。本系统应用在莱钢4号转炉上，自2004年2月投入在线运行以来，一直保持良好的工作状态。 1 系统组成 1．1 硬件组成 质谱炉气分析系统由取样探头、初级过滤单元、反吹再生单元、样气处理单元、喷射泵、PLC自动控制单元以及飞行时间质谱仪组成。工作站(Control Station)即为PLC的上位机(HMI)，可显示质谱炉气分析系统的工作状态、控制整套系统的运行和显示样气成分的分析曲线，其系统组成见图1。 在PLC自动控制系统的控制下，冶炼或燃烧过程中的样气经喷射泵抽汲后，通过一个取样探头，经初级过滤单元过滤除去85％以上的粉尘，再经过样气处理单元的旋风除尘器和精过滤器进行除尘和除水获取干燥洁净的样气，通过引导管进入飞行时间质谱仪进行分析，得到的分析数据经网络实时传输给工作站进行显示并存储，以便指导现场工人的操作。同时，反吹再生单元在PLC自动控制系统的控制下，按照一定的时序对另一个取样探头进行反吹再生，当前一取样探头快结束取样时，经过既定的时间后，对切换至反吹再生完的探头进行取样，而前一取样探头亦进行反吹再生，如此反复切换两个取样探头，对样气进行连续不断地采集。此既定的时间可以通过PLC上位机的时间参数界面，按照不同的操作工艺在一定的时间范围内进行设定，从而使得两取样探头相互切换时所采集的样气趋于连续、一致且均匀。 1．2软件组成 根据系统的需要，采用西门子的S7-226型PIE自动控制系统。本机集成24输入／16输出共40个数字量I／O点；可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I／O点或35路模拟量I／O点；具有2个RS485通信／编程口，并具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。本系统共有16个输入点和10个输出点，PLC采用PPI通信协议与工作站直接通信，选择S7-226型西门子PLC完全可以满足本系统的需要。 2系统功能实现 2．1 PLC自动控制单元 本系统按照转炉炼钢生产工艺，编制质谱炉气分析系统的自动取样和反吹再生时序，即熔炼过程的Starting时序和不熔炼过程的Waiting时序。将此时序按一定逻辑关系编写成PLC程序，通过上位机集成到PLC自动控制单元上，同时为10个电磁阀及各显示状态的节点分配地址，实现PLC自动控制单元对质谱炉气分析系统中10个电磁阀的自动／手动开关及各节点工作状态的显示。 2．2 PLC上位机(HMI) PLC上位机为用户提供更加直观的工作状态显示和便捷的操作。通过PLC上位机登录本系统有两种方式：普通级和高级。普通级针对用户，高级针对专业技术人员。当系统处于正常工作状态时，按照PLC控制单元分配的地址，启动各节点的工作，通过上位机的用户界面可显示和控制PLC控制单元的运行。工业现场的开关信号使能并被PLC自动控制单元接收后，当上位机自动运行工作时，启动PLC内置的Starting时序，控制10个电磁阀的自动开关，从而控制自动采集样气、反吹再生以及启动质谱分析界面并实时记录分析数据。反之，工业现场的开关信号非使能时，系统启动PIE内置的Waiting时序，按照Waiting时序对系统的探头及管路进行反吹再生，以便在下一生产过程中使用。当通过高级验证后，可进人手动调试界面，按下手动调试按钮，且PLC的转换开关转向调试挡，可手动控制各电磁阀的动作。在时间参数修改界面，可以修改两探头在相互切换时的交叉时间。 2．2．1 自动运行 启动工作站的质谱炉气分析软件，通过登录界面，进入功能选择界面。点击功能选择界面内的“自动运行”按钮，进入自动运行界面，如图2所示。图2显示的是系统应用于转炉冶炼的情况，为转炉正在熔炼状态。当系统自动运行时，一路采集转炉炉气，并将其送人质谱仪进行分析，另一路反吹再生，即内外反吹探头和管路，等待切换采集样气。图中，处于工作状态即有气流的管路实时直观地用绿色且较粗的气路来标明。加热元件的红色指示灯表示该加热元件处于不加热状态，正常加热状态时指示灯呈绿色。加热是通断式的，由温度传感器控制，加热时间可由温度传感器上的电位器来调节，防止样气中水蒸气冷凝。储气罐内的氮气压力正常与否，同样可由界面上的压力指示灯来判断，压力大于0.4MPa时指示灯呈绿色，视为反吹压力正常。 2．2．2 手动调试 输入高级别的用户名和密码，通过验证后，选择功能选择界面下的“手动调试”按钮，进人手动调试界面，其结构与自动运行界面相似，仅多了10个电磁阀对应的手动按钮，用来手动控制10个电磁阀的开／关。 手动调试界面专为专业技术人员设计。由于手动调试的信号在PLC的上位机和PLC主机之间是连锁的，仅在PLC主机的转换开关扳向调试挡，且PLC上位机的手动调试开时，才可通过PLC手动开关箱上倒扳开关来手动控制(硬件控制)10个电磁阀的开／关，亦可通过上位机的手动调试界面上的10个电磁阀对应的10个按钮来进行手动控制(软件控制)，从而对系统的电磁阀、继电器、气路和接头处的气密性进行检查，为此保证系统的安全性。而且，如果系统有一气路出现故障，即可手动控制另一气路进行样气采集并分析，同时排除此气路的故障。待故障排除后，可手动控制反吹电磁阀的开／关来对此气路取样探头及气路进行反吹再生，保证在气路出现故障时不影响样气的采集和分析。 2．2．3 时间参数修改 2．2本地状态显示 PLC自动控制单元内的指示灯以及上位机人机界面内不同颜色的变换指示，显示系统当前工作状态，可为生产和维护人员提供状态信息，方便及时地判断故障所在。 3 系统性能测试 系统自2004年2月在莱钢4转炉生产现场运行至今，工作状态一直良好，并且能指导现场工人的操作，在避免出现氧枪漏水爆炸事故和减少补吹次数方面取得了初步成效。经现场测试，其样气预处理装置的响应时间为13s，飞行时间质谱仪的份析时间仅为0.1s,可见非常适合流程的转合短流程的转炉练钢工艺使用。经720h稳定性测试，本系统在PLC自动控制系统下，没有发生任何故障。 [编辑：魏 方]