柴天佑

中国新技术新产品2021NO.3（下）

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工业技术

0前言

近年来，冶金行业屡次出现气柜爆炸事故，不仅给企业

生产带来损失，而且也严重影响环境和人身安全，因此安全

有效地控制好煤气柜的各项运行指标，保障其稳定运行、保

障生产管网的补充供应，是每个企业近年来的头等大事。煤

气柜是贮存工业及民用煤气的钢制容器，包括湿式煤气柜和

干式煤气柜2种。湿式煤气柜为用水密封的套简式圆柱形结

构；干式煤气柜为用稀（干）油或柔膜密封的活塞式结构。

安装干式煤气柜有稀油密封的曼恩型柜、干油密封的克隆型

柜和橡胶膜密封的威金斯柜等。威金斯煤气柜又称橡胶膜密

封式干式气柜，它和曼恩型柜是石化、冶金、钢铁等行业的

1种常用储气容器，特别是近年来被煤化工及冶金行业普遍

采用[1]。按气柜在煤气系统中的作用，煤气柜又分为管网柜

和回收柜，高炉煤气和焦炉煤气（管网柜）有2个作用，即

储存和稳压[2]。转炉煤气柜（回收柜）有3个作用缓冲、调

质、储存，即回收柜只是在炼钢生产过程中，不定期回收转

炉煤气，鉴于炼钢间断性生产的特性，必须配置气柜进行缓

冲、混合，才能连续稳定地供给用户使用。

1ESD控制系统

煤气柜控制系统硬件部分目前多采用单/双控制

器、单网络、单供电电源、单检测仪表检测，冗余部分

仅限于控制器部分。软件部分也仅能进行日常的控制过

程的操作需求，不具备冗余、容错和复杂逻辑判断及紧

急安全停车等功能，当控制器、供电电源、网络、现场

仪表出现某个明显的故扁担的一生 障时，不具备异常状况下逻辑判

断能力，极易造成工艺事故，存在重大的安全隐患。

煤气柜控制系统主要包括2个部分：第1个部分主

要是煤气柜系统的工艺设备的控制，如煤气柜柜体活塞

位置检测与控制、活塞倾斜度检测与控制、柜容检测与

控制、密封稀油液位检测与控制以及煤气压力，温度，

浓度的检测控制、煤气柜进出气口的各种阀门控制，稀

油加压站油泵控制，煤气加压站设备的控制等。第2个

部分是控制这些设备按逻辑运转的PLC系统[3]。

该文根据上述煤气柜安全控制的重要性，设计了一

种安全、可靠煤气柜安全控制方法，即煤气柜紧急停车

EmergencyShutdownDevice（简称煤气柜ESD）控制系

统，该系统通过2个方面实现了煤气柜安全高效控制：

1）硬件设计方面。PLC控制系统采用全冗余方式，即

冗余CPU中央处理器、冗余现场总线、冗余供电电源、冗余

工业以太网传输控制、多重冗余控制检测点及检测设备。2）

软件设计方面。设计多个控带领近义词 制模型，结构化编程：将气柜高

度、活塞上升和下降速度、气柜压力、CO浓度的控制与连锁、

进、出口阀门进行一系列安全有效地控制，很好地实现了煤气

柜各个设备地快速响应控制，系统投运后，至今零故障运行，

保证了煤气柜安全正常运转。

2具体实施策略

2.1系统构成要素

煤气柜ESD控制系统主要由硬件设备设计组成和软件模

型控制2个部分组成[4]。硬件设备设计包括PLC可编程控制器、

冗余电源设计、冗余I/O点采集和信号安全隔离设计等，系统

硬件配置忙的反义词是什么 图如图1所示。软件模型控制包括一般的信号逻辑控

制，重要控制信号的模型控制等，两者相结合，缺一不可。

2.2系统安全可靠性设计

针对气柜安全、稳定、快速响应的控制要求及新一代PLC

控制器特有的功能，以下采用了5个方面的可靠性设计与控

煤气柜ESD控制系统的研究与应用

苗青李国柱宣月茜

（济南工程职业技术学院，山东济南250200）

摘要：该文根据煤气柜运行特性，设计了一种安全有效的煤气柜ESD控制系统，依据煤气柜系统的主要技术参数指

标利用可编程控制器对煤气柜柜位、柜容、压力、CO泄露浓度等进行安全有效的控制与调整，从而保证煤气柜在煤

气管网中的正常吞吐量，保证煤气柜的正常运转，极大地降低了气柜爆炸风险，同时对减少煤气放散、减少大气污染、

减少工业活动产生的废气对环境造成的破坏意义重大。

关键词：煤气柜；ESD控制系统；控制模型

中图分类号：TP273文献标志码：A

图1煤气柜ESD控制系统硬件配置图

煤气柜ESD

控制系统

操作终端

冗余工业以太网

冗余控制器

冗余现场总线

冗余电源

模拟量输入、

输出通道

开关量输入、

输出通道

安全栅防爆隔

离

安全栅防爆隔

离

继电器输入

隔莲峰居士 离

继电器输出

隔离

开关电输出

检测

开关电输入

检测

其他模拟量输

入、输出检测

气柜压力、柜

位三重检测

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工业技术

制：1）采用高效PLC系列冗余控制器，系统设置了控制器

心跳信号，用于检测控制器CPU的正常运转与否，采用以太

网、现场总线、供电电源双重冗余的配置方式，保证系统安

全可靠运行。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，在

正常情况下，ESD系统不需要人为干预，ESD控制系统CPU

的扫描周期一般为几十毫秒，根据控制系统所扫描的控制点

的数量，一般为50ms左右，所以ESD的响应时间是极为迅

速的，一旦检测到主控制器心跳信号异常，系统自动切换到

副控制器。2）对于输入、输出模拟量信号通过加装防爆安

全栅（一入两出）进行听我对你说 现场与控制系统的安全有效隔离，现

场检测信号一分为二，一路进原有系统显示报警，另一路进

ESD系统参与连锁控制，双重保证检测信号的稳定性和安全

性。3）ESD系统所有开关量输入、输出信号都通过隔离继

电器隔离，保证测点的干接点输入和输出。安全栅、继电器

全部采用进口品牌，保证设备质量与安全稳定性。4）设计安

全有效的控制逻辑方式一年级读书手抄报 ，对活塞高度、气柜压力三重检测，

对新闻报道与写作 气柜顶部的CO浓度六重检测，并对连锁信号首先进行滤

波处理，分别采用三取二、六取四的信号处理方式参与控制

连锁，保证了重点信号的测量的有效性和准确性。5）ESD

控制系统设计了7个主要控制模型：气柜高度-活塞速度转

换模型、活塞上升超速高限连锁控制模型、活塞上升超速高

高限连锁控制模型、活塞下降超速高限连锁控制模型、活塞

下降超速高高限连锁控制模型、气柜压力控制连锁模型、气

柜顶部CO浓度连锁控制模型，以保证气柜气柜及输入输出

系统的稳定cad切线 运行，并且以上控制方式为全自动控制方式，在

手动控制下各控制均可解列，由操作人员手动控制电动阀门

开启和关闭、进出口调节阀的开度设置等[5]。

3关键控制模型设计

3.1活塞高度——速度转换模型

模型概述：该模型设置了活塞高度的三重检测，通过三

取二判断，有效选取测量值，并将活塞在每秒的位移变化转

换成活塞上升和下降的速度，实现了活塞高度的精准选择和

活塞速度的精确转换。具体逻辑图如图2所示。

3.2活塞上升超速高限及高高限联锁模型

模型概述：该模型调用活塞高度-速度转换模型，只

截取活塞的上升速度，然后和活塞的高度实时测量值相并

联，作为判断气柜入口阀关闭的连锁条件，当活塞的上升速

度超过2.5牛排骨 m/min或者活塞高度大于32m且小于38.5m时，

入口调节阀按每秒1%的梯度关闭，当活塞的上升速度小于

1.0m/min时，停止关闭入口调节阀。当活塞上升速度超过

3.0m/min或者活塞高度超过40m时（该气柜的总量程高度

为55m），紧急关闭入口电动阀，再关闭入口调节阀，并进

行声光报警。该模型实现了活塞高度及上升超速度高高限

连锁的精准控制，并对入口调节阀的关闭速度作了一定的

速率限制，避免了入口调节阀因关闭速度过快造成气柜内

部的压力波动。具体逻辑图参如图3所示。

3.3活塞下降超速高限及高高限联锁模型

模型概述：该模型的控制逻辑同上，截取活塞的下降速

度，然后和活塞的高度测量值相并联，作为判断气柜出口阀

关闭的连锁条件，当活塞的下降速度超过2.5m/min或者活

塞高度大于12m且小于18m时，出口调节阀按每秒1%的

梯度关闭，当活塞的下降速度小于1.0m/min时，停止关闭

出口调节阀。当活塞下降速度超过3.0m/mi一字眉 n或者活塞高度

低于8m时，紧急关闭出口电动阀，再关闭出口调节阀，并

进行声光报警。该模型实现了活塞高度及下降超速高限及高

图2气柜高度-活塞速度转换模型

V

=(M1-M2)60m/min

V

>0

VV

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高限联锁的精准控制。

4控制效果

系统投用后，完全能够满足气柜正常的控制运转，风险

系数大大降低，保证了煤气柜的各项运行指标正常运行，保

证了生产管网中煤气的补充供应，并在紧急情况下实现了气

柜连锁电气设备的快速关断，自动化控制水平大幅度提升，

避免了操作人员紧急情况下的误操作，保障其稳定运行，极

大地降低了气柜爆炸风险。减少了煤气放散，减少大气污染，

减少了工业活动产生的废气对环境造成的破坏，意义重大[6]。

参考文献

[1]杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出

版社，1999：78-81.

[2]谷中秀.新型干式煤气柜[M].北京：冶金工业出版社，

2010:27.

[3]孙洪程，翁维勤，魏杰.过程控制系统及工程[M].北京：

化学工业出版社，2010：36-39.

[4]蒋慎言，陈大刚.炼钢生产自动化技术[M].北京：冶金工

业出版社，2006：66-70.

[5]周建男.钢铁生产工艺装备新技术[M].北京：冶金工业出

版社，2004：51-53.

[6]柴天佑.复杂工业过程运行优化与反馈控制[J].自动化学

报，2013，39（11）：1744-1757.

图3活塞上升超速高限联锁模型

1.0m/min

2.5m/min

<38.5m？

38m<