PLC在炼钢高炉自控系统中的应用

        文章主要介绍了基于S7-400/300 PLC系统，对汉钢2#高炉的自动化控制进行改造，阐述了系统硬件构成、软件配置，如何实现高炉配料、送料工艺过程自动化和炉膛温度控制，通过人机操作界面实现了高炉集中监控，大大提高了冶炼过程自动化程度和节能环保高效。

        概述

        高炉的原有电气控制系统，仅槽下上料系统使用富士的可编程控制器进行控制，其他系统仍为传统仪表盘面显示各生产参数手动控制操作，炉顶上料采用大小钟配合料车自动控制上料的模式。该高炉控制设备陈旧，除了2006年曾对槽下做过一些升级改造将其改造为西门子S7-300可编程控制器控制，并使用 Step7和winCC重新编制控制程序与操作界面外其它部分大大落后于当今的高炉控制水平，制约了生产成本的降低及工艺操作水平，影响了炼铁整体生产水平，因此，汉钢于2008年对2#高炉系统进行了全面改造，全系统采用西门子PLC自动控制。炉顶上料形式保留料车上料方式，将高炉大小钟投料方式改为无料钟投料方式。

        1 系统配置

        改造后系统电气控制部分PLC主机采用西门子S7-400系列的CPU414-2DP，各远程站采用S7-300系列的CPU及10模块，完成现场数据采集、逻辑运算、联锁、数据处理及输出执行指令等功能。系统采用2种网络连接方式：工业以太网和ProfibuS-DP总线网络。硬件配置如图1所示。

        以太网采用光缆作为主干传输网络，通过光纤收发器、交换机用双绞线连接各操作站电脑；卷扬没有设置电脑操作，因此直接采用ProfibuS-DP总线连接至远程站。

        2 软件配置及实现方法

        系统软件在WindowsXP操作环境下运作。编程软件采用西门子STEP7编程软件包，用梯形图逻辑语言实现控制软件的开发与应用。人机界面用WinCC V6.0软件开发组成监控站，监视、控制设备和自动化过程。

        主要功能：

        按高炉生产需要设定的配料顺序自动地将炉料配好装入焦斗和矿斗中，通过料车送到炉顶，再按不同布料要求将炉料自动布入炉内，实现了整个给料、称量、配料、输送、布料过程全自动。

        槽下配料与自动称量

        槽下共14个称量斗，对称分布于上料小车轨道两侧，紧挨轨道两侧是两个焦炭称量斗，随后每边依次排列六个称量矿斗，同时在轨道两侧还有两个左右中间矿斗。工艺画面如图2所示。

        配料分设左中问斗备料和右中问斗备料，分别用以设定装入左中问矿斗、右中间矿斗的称量斗代码——也就是说每个矿石振动筛根据所对应的每个称量斗所设定的称料重量来振料，然后通过左右中问斗备料代码来选择需要下料的称量斗，再通过1#、2#皮带将需要的料分别装入左右中间矿斗，以备料车到达料坑时装入料车。左右中间斗空后，备料指针后移，进行下一个备料行为，形成一个独立的循环。各种料的称料重量、料种在界面中各个称斗中设置。各振筛根据本称量斗所设置称量定值及称量斗满、空信号自动备料，并自动进行称量补偿、修正定值、称量值零点校正、余振值测定、称量斗料空后延时关闸门等控制。配料代码随时可由操作员在线设定修改。界面中还有料批设定，可共设定A、B、C、D、E、F六种料批，每种料批分前半批和后半批及附加焦，每半批料最多可上4车料，根据每车是否填写代码来确定实际上料车数，当没填时视为没有。当料车到料坑时根据装车代码确定是打开中问矿斗还是焦称量斗还是空走，每上完‘车料料批前进一位，整个循环周期按界面中所设定的料制中的所选的料批代码进行，构成整个上料大循环。在每一个料批结束时均可加进行“附加焦”，不会打乱周期程序。

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    布料方式

    布料器电气部分由原来的简单电机控制改为由变频器拖动，α(溜槽倾角)、β(溜槽回转角)、γ(料流调节阀开度)三个绝对值编码器反馈布料器位置状态。布料系统主要功能是与槽下系统1起控制上料，将炉料正确地装入料罐，并控制炉顶设备，完成向高炉装料和按照设定布料数据进行布料，可根据需要随时调整布料倾动角度、旋转角度、旋转圈数、料流开度。灵活多变的布料方式带给操作人员全新的操作模式，例如：难以解决的边缘问题，现在可利用扇形和定点布料克服；布料不均的问题，可利用多圈环行布料随时纠正等等。

    当每半批料装入受料罐，装料指令下达后，打开放散阀卸压，随后先开启上密封阀，再开启上料闸，将上罐中炉料装入下罐。装料完毕，关闭上料闸、上密封阀，然后关闭放散阀，探尺探料降至规定料线深度提探尺，提尺同时打开两个均压阀向下罐均压，布料器倾动到位，打开下密封阀在溜槽到达步进角位置时打开下料闸(料流调节阀)，用下料闸的开度大小来控制料流速度，炉料由布料溜槽布入炉内。为使炉项全自动布料准确无误，本系统对如下信号作了重点处理：

    (1)上罐料空及料满的信号处理；

    (2)上罐料满与均压放散阀、上密阀、放料阀的联锁；

    (3)下罐料满及料阀的联锁；

    (4)控尺与布料器阀的联锁。

    同时，为配合精确布料，炉顶还增设有炉内成像设备，由清晰的视频摄像机在氮气流套筒的保护下及时传送炉内料面燃烧分布情况，高炉操作室配有监视器随时眼观炉内情况，同时有配套分析软件及时分析料面燃烧温度分布，显示在专门的计算机画面上。灵活多变的布料方式，提高了布料质量，提高了高炉的利用系数。无料钟炉顶具有布料灵活、密封性好、维修方便等明显优势，是小高炉优化工艺设备的发展趋势。变频器的大量应用使得控制精度大大提高并节省很多电力。

    3 HMI(Human Machine Interface)监控技术

    HMI(人机界面)使系统实现了集中监视控制，可对现场采集的数据进行显示、报警，供生产人员及时掌握生产运行情况。HMI显示了整个系统的工艺设备画面，可以对所有设备进行在线监控，完成各个工艺设备或者工艺流程的顺序控制、故障报警处理及显示，可设定修改各种生产工艺数据和运作方式，可设定是使用自动方式还是手动方式，是否连锁等，以便在检修、调试时能够方便地测试单个设备的运转或特定情况下的单个设备运行，使系统在合理的工艺要求下有序的运行。系统按操作区域共划分为槽下上料、高炉监控操作、热风炉操作控制，布袋除尘等四部分，各系统数据互相联络共享。其中槽下上料系统主要控制槽下各个称斗的料制配比、皮带运行和上料小车的运行以及炉顶设备的动作控制，高炉系统安置四台操作站，分别用以操作和监控高炉的各项操作如炉温、混风温度、冷风流量控制、探尺反馈的炉内料位以及槽下上料情况等，同时根据高炉运作情况随时连锁或禁止某些关键阀门的开闭。热风炉系统操作站负责控制热风炉各项操作，控制烧炉温度向高炉提供高风温。布袋除尘控制炉顶煤气的处理、除尘等工作。对这几个区域系统的改造，主要是将原有仪表盘、操作台等占用空间又大又重的设施改为计算机显示与操作控制，大大降低故障率，全局参数与运行状态一览无余，操作方便，效率提高。

    4 总结

    整个系统的控制方式分为集中自动、手动和机旁手动等几种方式。在自动方式下，对单体设备可以手动干预，而不影响整个系统的自动流程。这既减轻了操作人员的负担，又减少了操作转换时间，提高了冶炼速度。而机旁手动时，又可以在设备检修调试时方便地控制其动作幅度和时机。

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