基于PLC的盐酸再生自动化控制系统

研究 PLC 的盐酸再生自动化控制系统。通过自控系统拟预期能够将分散于现场的智能检测单元、过程控制单元、图文操作站和上位机有机结合，协调控制，具有动态性好、跟随性强、调节稳定、友好对话等特点，满足生产工艺要求，自动化程度高，操作维护方便，具有良好的控制功能、稳定的网络性能，实际生产运行自动化。

1  引言

目前碳钢冷轧生产工艺中消除钢材表面氧化皮可采用酸洗工序，钢材经盐酸洗后产生大量的酸洗废液，其中除含有相当数量的残酸，还富含亚铁盐及少量不溶于酸的硅铝质，若直接排放至自然环境，不仅造成严重的环境污染，而且浪费宝贵资源。钢铁企业通常对废盐酸液进行再生处理以循环利用[1,2]。盐酸再生是一个把废酸经过焙烧炉的加热分离，使废酸液能重新利用并生产出高质量的氧化铁粉和再生酸的工艺过程，此生产工艺能变废为宝，有效治理废水、废酸液，减少环境污染，节约及合理利用资源，是当今一项新兴的环保生产项目。盐酸再生工艺整个生产流程要求连续、紧凑、控制范围广，每一步工艺生产均由自动化系统进行处理，以实现整个工艺过程的自动化控制，对自动控制水平要求高。另因焙烧炉的高温环境和盐酸对现场设备的腐蚀性，系统对现场安全联锁和自动控制设备的可靠性要求更高。

2  盐酸再生自动化控制系统设计

（1）工艺分析。盐酸再生站采用喷雾焙烧工艺，废酸在焙烧炉内喷成雾状，在 550-650 ℃ 的高温环境下，氯化亚铁分解为氯化氢气体和氧化铁粉，氯化氢气体经喷水吸收形成再生酸回收用于酸洗机组，氧化铁粉回收利用，主要用于涂料及磁性材料工业、粉末冶金业作为原料使用。由于焙烧炉的高温环境和盐酸对现场设备的腐蚀性，盐酸再生工艺对安全联锁和自动控制设备的可靠性要求极高。

（2）设计思路。针对盐酸再生工艺的特点，设计了以逻辑处理功能强大的西门子 S7-400 系列 PLC 为核心的自动化控制系统，现场控制设备均采用耐酸、防腐蚀产品。总体设计思路如图 1 所示。

（3）系统构成。盐酸再生自动化控制系统是一个全自动  PLC 系统，用于监视和控制整个工艺过程，其系统配置如图 2 所示。

PLC 系统处理所有从现场压力开关、液位开关、限位开关以及按钮等采集到的数字信号，并接收来自压力、流量和液位变送器以及热电偶的模拟信号。系统通过继电器逻辑和 PID 控制逻辑给出各种输入来执行电机的回路或使电磁阀和控制阀动作，从而实现各种操作。整个系统包括仪表系统的模拟量和数字量的控制、PID 控制、联锁控制及过程控制[3,4]。

仪表系统的模拟量和数字量控制模拟量和数字量控制包括对过程容器液位、过程流量、过程压力、过程温度的控制。仪表的数字量控制包括电磁阀、烧嘴控制、喷射量控制、马达和设备准许、安全连锁等控制。数据由现场传到 PLC 后，在操作人员的监视下，控制通过 PLC 控制环路自动调节。

PID 控制 PID 控制环路既可以单独控制，也可以实现串级控制，所有 PID 控制环路既可手动也可自动方式运行。当在手动方式时，操作人员通过选择适合这个环路的控制阀的打开来控制输出。当在自动方式时，PID 控制器比较操作员给定的设定值和测量的过程变量，并调节输出直至两者相匹配。它包括控制容器液位的 PID 控制回路、控制喷射流量的 PID 控制回路、控制焙烧炉压力的 PID 控制回路。

联锁控制包括培烧焙烧炉压力和温度的联锁、泵的联锁、燃烧系统的联锁和主风机的联锁等一系列联锁控制，各联锁之间相互制约相互影响，保证整个系统的顺利生产。

3  基于 PLC 的盐酸再生自动化控制系统的实现

（1）基础自动化系统实现。基础自动化系统由人机接口（HMI）、可编程序控制器（PLC）和远程 I/O 系统组成。HMI 采用安全可靠的工控机，大屏幕液晶高亮显示器，系统软件采用 Windows XP，画面软件使用西门子 WinCC 工控软件。PLC 采用西门子 S7-400 系列，ET200M 远程 I/O 系统。该系统使用 24 V DC 的数字信号，0～10 V DC 或 4～20 mA 的模拟信号，编程语言是 STEP7，可从结构上组成顺序控制、间隙控制、时间控制，所有自动控制功能都可利用西门子标准软件来完成。通过 PROFIBUS-DP 网络连接至主机架的 CPU 模块，编程软件采用西门子 STEP7。PLC 与 HMI 之间，通过工业以太网进行实时数据的通信。

（2）电气传动设备实现。低压配电柜和马达控制中心（MCC）分别采用固定分隔式开关柜和低压抽屉式开关柜，MCC 柜的工作状态可在盐酸再生站的 PLC 中进行监控。所有机旁操作箱的操作信号均接入 PLC，直接通过 PLC 输出至电气设备完成操作。废气风机、焙烧炉供给泵、吸收塔循环泵及炉底旋转阀采用变频器调速传动。

基础自动化系统的 PLC 和 HMI、传动控制器和视频显示系统、通信系统采用不间断电源 UPS 供电。盐酸再生机组各层平台均设紧急停车按钮。

（3）过程检测及控制系统实现。根据盐酸再生工艺的特点，现场检测和控制仪表尽量选择非接触式测量方式，并具备防腐能力的智能仪表。

过程控制系统使用过程控制服务器上的数据库 SQLServer。数据记录并存储在计算机系统的数据库中，以多种图表形式显示，如棒图表，还有事件报警，历史记录图等。所有的工厂信息自动实时收集并存储在服务器动态存储器中。同时，通过网络将给定值发送到 PLC，控制相应设备。工程师和现场操作人员均通过访问计算机的服务器，获取相关数据信息，对现场设备实时控制。

（4）效果分析。焙烧炉是盐酸再生机组的一个关键性设备，包括焙烧炉自动控制系统中的目标参数控制，如废酸浓度、喷洒量及压力、反应温度、炉内负压、空燃比、炉内含氧量等。焙烧炉燃烧系统工艺流程包括：助燃风机、1# 烧嘴、2# 烧嘴、3#  烧嘴，煤气总管快速切断阀，煤气支管和空气支管调节阀（图 3）。

4  结语

基于 PLC 的盐酸再生工艺自动控制系统，不同于一般意义上的工业自动控制系统，是在实现酸洗废液再生装置自主集成及创新基础上的、适应于盐酸再生工艺的、以逻辑处理功能强大的 PLC 集中控制为核心的自动控制系统，现场检测和控制仪表均为具备防腐能力的智能仪表。盐酸再生机组的自动化系统设计使操作简化。同时，可确保操作安全，联锁系统可以保证在设备失效或出现紧急事故时，整个装置自动停止工作。自动化控制水平拟接近国外先进水平。