賈國華

（國能包頭煤化工有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

在煤氣化生產(chǎn)過程中，鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，可滿足氣化爐生產(chǎn)工藝過程控制的要求，使化工生產(chǎn)更安全、可靠，有效防止人工操作出現(xiàn)生產(chǎn)錯誤[1]。但大多數(shù)煤化工生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)都存在很多問題，如檢測的真實性、顯示的準確性、調(diào)節(jié)的及時性較差，邏輯控制時間較長，鎖斗出現(xiàn)堵渣、泄壓慢、充壓慢、無法自動排渣、積渣嚴重等，若不能及時解決這些生產(chǎn)控制問題，會給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。

目前，我國在有關工業(yè)控制系統(tǒng)方面的技術(shù)正以較快的速度發(fā)展，但其整體自動化水平還是不能和發(fā)達國家相比，普遍停留在單機自動化水平?；跁r間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)能夠根據(jù)化工生產(chǎn)單位的具體要求按需生產(chǎn)、調(diào)節(jié)，采用工控機作為現(xiàn)場控制機，能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性，且操作比較簡單，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了勞動力，減少了系統(tǒng)故障的發(fā)生。因此，本文設計了基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)[2-3]進行了邏輯控制時間對比，在神華包頭煤化工有限責任公司的德士古氣化爐上進行了實驗驗證，現(xiàn)介紹如下。

1 基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的硬件設計

基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)主要由單片機、采集器、處理器、控制器等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 單片機

基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的單片機采用TI 公司生產(chǎn)的16 位系列單片機，該單片機的第一系列最開始被廣泛應用在LED 顯示方面，此系統(tǒng)采用的單片機為第二系列，該系列單片機目前在化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

單片機的核心芯片為TMS230，采用了TI 公司的低功耗技術(shù)，其工作電壓控制在1.8 V～3.3 V，電流控制在0.1 A～2.8 A，具有4 種低功耗工作模式，每種工作模式對應邏輯控制系統(tǒng)中的鎖斗泄壓、鎖斗沖洗、鎖斗排渣、鎖斗積渣環(huán)節(jié)，該單片機可以在4 種模式之間自由切換，以配合工人的操作。該單片機集成度較高，具有8 位A/D 轉(zhuǎn)換、多個定時器、片內(nèi)存儲器、精密定時器、振蕩器，除此之外還有大量I/O 端口，方便精密比較器與之連接，可以基本滿足鎖斗充壓的應用需要，與此同時，該單片機能夠提供2 種晶振方案、4 種時鐘輸入方式、8 MHz 高頻晶振，大量的I/O 端口能有效控制電平，片內(nèi)存儲器可以存儲大量的鎖斗泄壓與充壓數(shù)據(jù)，并進行實時保存[4-5]。

1.2 采集器

基于時間序列的邏輯控制系統(tǒng)的采集器包含CPU 模塊、RS232 通信模塊、報警模塊。CPU 模塊是采集器的核心，芯片采用三星公司生產(chǎn)的SDM43GI04C7T2，其工作頻率最高可達144 MHz，在CPU 內(nèi)部集成了40 kB的SRAM，并設置了128 kB 的大容量高速存儲器系統(tǒng)，可以實時存儲鎖斗閥門的系統(tǒng)代碼[6-7]。鎖斗在泄壓后再進行充壓操作，充壓完成后，氣化爐和鎖斗相通，氣化爐內(nèi)的原料經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生粗渣，這些粗渣排至鎖斗內(nèi)形成鎖斗積渣，鎖斗的積渣數(shù)據(jù)將通過I/O 端口發(fā)送出去，信號電平為RS232。在采集器中，采用了集成度較高的全雙工串行接口，通過該接口可以傳輸由采集器采集到的鎖斗充壓數(shù)值、鎖斗閥門型號，當鎖斗積渣數(shù)據(jù)異常、鎖斗排渣出現(xiàn)問題、存儲數(shù)據(jù)超容量以及工人操作不規(guī)范時，采集器的報警模塊將完成報警功能[8-9]。

1.3 處理器

邏輯控制系統(tǒng)的處理器芯片選擇三星公司生產(chǎn)的ST4220A 系列芯片。該芯片具有16 位的RISC 以及標準的宏單元結(jié)構(gòu)，其功耗較低、集成度較高、數(shù)據(jù)處理性能較好、體積較小，具有數(shù)據(jù)存儲功能，可采用片上調(diào)試技術(shù)協(xié)同處理器處理鎖斗積渣和鎖斗排渣數(shù)據(jù)。

處理器的主頻為350 MHz，在正常工作時主頻最高可達580 MHz，工作電壓控制在1.8 V～3.3 V，采用1.8 V 內(nèi)核進行供電，由于氣化爐在鎖斗充壓和泄壓時所需要的功耗較低，所以該處理器可以在較低的功耗下工作。處理器采用了AMBA 總線結(jié)構(gòu)，能夠高效處理海量數(shù)據(jù)并進行緩存，采用的AMBA 總線結(jié)構(gòu)具有32 kB 指令和32 kB 數(shù)據(jù)緩存，具有8 個字長的行[10-12]。此外，該處理器還具有豐富的外設接口和連接通道，通道上具有較多的外部請求引腳，通道外部設有程序編碼接口以及USB 設備，通道內(nèi)部設置了內(nèi)部定時器和8 位觸摸屏接口[13]。處理器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。該處理器內(nèi)部設有LCD 控制器，可與MMC 卡協(xié)議兼容，具有4 個解碼器接口、40 個中斷源和時鐘發(fā)生器，采用普通、空閑及掉電3 種模式進行數(shù)據(jù)處理，處理器的外圍電路電壓為6.0 V，其中3.3 V 電壓供給處理器，2.4 V 電壓供給處理器的芯片以及外部I/O 接口，剩下的電壓供給處理器的內(nèi)核和核心板。

圖2 處理器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 控制器

邏輯控制系統(tǒng)的控制器采用TI 公司生產(chǎn)的SI700G，該款控制器是一種全能綜合性的控制器，可支持現(xiàn)場總線協(xié)議，具有較好的靈活性和擴展性。德士古氣化爐工藝生產(chǎn)裝置較大，該款控制器可以對其進行較快的控制，可以連接常規(guī)的I/O 接口，也可以連接其他總線設備，具有較好的順序控制能力和回路調(diào)節(jié)能力。該控制器的CPU 通常配置為冗余系統(tǒng)，為I/O接口與現(xiàn)場總線設備互相連接提供連接接口。設計的控制器有3 個，分別對3 臺德士古氣化爐進行控制。

控制器包括電源電路、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線設備，內(nèi)部設有小型存儲器，控制器控制的系統(tǒng)環(huán)境溫度設定在0～70 ℃，生產(chǎn)控制過程中不需要風扇，控制器內(nèi)部的器件溫度設定在0～50 ℃，若溫度出現(xiàn)異常，會由控制器的CPU 進行預警。控制器采用分布式的I/O 接口，為方便與現(xiàn)場總線設備連接，需要I/O 接口具有較好的靈活性和可靠性，并且能夠支持電源冗余。控制器的CPU 具有以太網(wǎng)協(xié)處理功能，可以在控制器的槽位安裝以太網(wǎng)通訊器件，這樣可以方便與操作工人進行通信，以實時控制德士古氣化爐的工作狀態(tài)[14]。

2 基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件設計

德士古氣化爐設備能夠產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，采用的氣化爐爐型為兩相并流氣化，將氧氣和水煤漿放入工藝燒嘴設備內(nèi)，經(jīng)過處理后噴入氣化爐中，在氣化爐中發(fā)生不完全氧化作用，從而產(chǎn)生水煤氣。

將煤灰反應溫度控制在1400 ℃～1500 ℃，以保證各種煤灰都可以進行氣化反應；氣化壓力控制在7.5 MPa 左右，這樣可以使氣化反應更徹底，并能有效提升氣化反應的速度，水、煤、氧氣經(jīng)過氣化反應后，煤塊會轉(zhuǎn)化成煤粒，由于高溫作用，煤粒只能在氣化爐內(nèi)停留1 s。在德士古氣化爐工藝生產(chǎn)過程中，氣化爐內(nèi)不斷發(fā)生著氣化反應，并產(chǎn)生較多的粗渣，在德士古氣化爐設備中專門設置了一種裝置用來積渣，該裝置被稱為鎖斗積渣排渣裝置，用來積渣排渣的設備稱為鎖斗。在鎖斗排渣過程中，先進行30 min 積渣，再進行排渣，然后再進行積渣，排渣積渣循環(huán)往復，使德士古氣化爐中多余的粗渣排出。

基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件流程示意圖見圖3。

圖3 基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的軟件流程示意圖

首先將德士古氣化爐內(nèi)的粗渣放入鎖斗中。由于氣化爐內(nèi)的氣化反應在不斷發(fā)生，因此會不斷產(chǎn)生粗渣，當氣化反應進行30 min 后，將氣化爐中的所有粗渣統(tǒng)一收集起來并全部放入鎖斗中，關閉鎖斗入口閥門。然后打開鎖斗泄壓閥進行鎖斗泄壓，當鎖斗內(nèi)的壓力小于0.18 MPa 后，關閉鎖斗泄壓閥，接著進行鎖斗沖洗，在沖洗之前，打開鎖斗沖洗入口閥門和鎖斗出口閥門，然后對鎖斗內(nèi)的剩余粗渣進行沖洗，將剩余粗渣沖到渣池內(nèi)，待鎖斗內(nèi)沒有粗渣并沖洗干凈后，關閉鎖斗出口閥門和鎖斗內(nèi)的沖洗閥門。最后進行鎖斗充壓，充壓之前打開鎖斗充壓閥門，然后將鎖斗充壓到能夠發(fā)生氣化反應的壓力，充壓完成后，將鎖斗充壓閥門關閉，再將鎖斗入口閥門打開，這時完成了鎖斗排渣，之后鎖斗會繼續(xù)進行下一個積渣排渣過程。正常需要積渣30 min，然后進行一次排渣，積渣排渣循環(huán)往復。需要注意的是，在鎖斗排渣時，鎖斗內(nèi)循環(huán)泵需要進行自身循環(huán)，在發(fā)生氣化反應時，激冷室底部可能會由于氣化反應不完全而留下少量煤渣，這些煤渣通過激冷室底部的入口閥門留在鎖斗內(nèi)，為提高粗渣的收集率，采用鎖斗循環(huán)泵抽出鎖斗內(nèi)的廢水，對鎖斗充壓后再將廢水倒入氣化爐激冷室，加壓后的黑水被稱作鎖斗循環(huán)水。

3 實驗驗證

為驗證提出的基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的有效性，將其與文獻[2]中的底板錨固孔深孔強力排渣系統(tǒng)、文獻[3]中的復吹轉(zhuǎn)爐底吹供氣強度控制系統(tǒng)進行邏輯控制時間的對比，結(jié)果見表1。

表1 邏輯控制時間實驗結(jié)果

由表1 可知，基于時間序列的系統(tǒng)的邏輯控制時間僅需3 s～4 s，遠遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)的登錄情況，鎖斗泄壓、排渣、沖洗、充壓、積渣環(huán)節(jié)進行實驗驗證：首先登錄邏輯控制系統(tǒng)，之后進行鎖斗順控排渣。在鎖斗順控排渣前，需要把閥門調(diào)節(jié)成順控狀態(tài)，進行初始化操作后，程序會自動執(zhí)行打開動作；再將鎖斗順控恢復初始化狀態(tài)，系統(tǒng)程序自動完成鎖斗沖洗；鎖斗泄壓和鎖斗沖洗操作完成后，控制系統(tǒng)繼續(xù)進行鎖斗排渣，在鎖斗沖洗水罐內(nèi)，水位達到6.0 m時，控制系統(tǒng)調(diào)整為順控狀態(tài)，根據(jù)軟件程序，出口閥門自動執(zhí)行打開程序，等鎖斗沖洗水罐的水位變化到1.8 m 時，程序關閉，鎖斗排渣順利完成，依次執(zhí)行其他相關程序。

經(jīng)過實驗，驗證了所設計的基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)的可行性，且與其他鎖斗順控積渣排渣控制系統(tǒng)相比，可靠性更高，操作簡單。

4 結(jié)論

基于時間序列的鎖斗順控積渣排渣邏輯控制系統(tǒng)利用單片機存儲鎖斗泄壓與充壓數(shù)據(jù)，通過采集器傳輸存儲和保存的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)發(fā)生異常時啟動報警功能，可以確保生產(chǎn)安全，選擇低功耗處理器和綜合性控制器提升系統(tǒng)運行效率，降低邏輯控制時間。通過在神華包頭煤化工有限責任公司的德士古氣化爐上進行的測試可知，其邏輯控制時間僅需3 s～4 s，遠遠低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的邏輯控制時間較長的問題，同時提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。