AB Controllogix在烧结控制系统中的应用
2006/6/1 19:57:00
[摘要]鞍钢烧结厂球团车间包括321.6m2碚烧机组一台，生产工艺包括上料，配料，造球，碚烧炉，成品共五大系统，年产球团矿250万吨。原有控制系统采用Bailey公司的Net90控制系统，因年代较早，硬件和软件不稳定，且备件价格昂贵。因此，烧结厂决定利用一个月的检修期改造原有系统。1999年8月至9月间，更换了原有的18台Net90控制柜，并采用了美国AB的ControlLogix控制系统。系统运行至今效果显著。同时，因ControlLogix系统的通讯及软件(以ControlNet和RSView32为核心)的开放性及易扩展性，鞍钢烧结厂已决定建立全厂范围的以NT服务器为中心的二级管理计算机网。其目的是完成从控制层到管理层的完整的低成本自动化
一.球团车间控制系统的构成
系统的改造利用了原有的控制室空间分别由八个控制站组成，一号站(主控室)控制碚烧炉系统，二，三号站控制配料系统，四，五号站控制上料系统，六号站控制成品系统，七号站控制风路系统，八号站控制造球系统。系统共计约1600点的DI/DO和530点的AI/AO控制系统由三台CPU控制，其中1号CPU控制碚烧炉东侧风路系统和成品系统，2号CPU控制碚烧炉西侧风路系统，3号CPU控制上料系统，配料系统。在一号站主控室配置三台操作员接口，整个系统通讯由冗余的控制网ControlNet构成(两根75欧同轴电缆)连成一体，网络跨度800米，实现分布控制，集中管理。控制的对象是除电除尘器，仓库吊车之外的所有工艺设备。
二，碚烧炉系统主要控制原理
1.上料系统
上料系统负责向配料系统的矿槽提供铁料,铁料来源主要有两种，一是由外部供料系统提供铁料，不需要进行干燥，二是自产精矿供料系统提供铁料，需要经过干燥机系统进行干燥。该系统根据料线选择来控制上料小车的车位，由矿槽的槽位信号控制小车皮带的启停，系统具有料线联锁功能，有过载、打滑、堵漏系统保护和报警功能，对圆盘给料机进行下料控制，实现每个圆盘配料机上的两个附着式振动器的定时振动，对上料系统中的干燥机设备进行状态检测，包括油泵的的压力检测和运行状态检测，慢动停止和油泵压力足够大作为干燥机运行的联锁条件，实现干燥炉的温度、压力、煤气和空气流量的显示和控制，干燥炉温度控制采用PID控制，目的是实现煤气的充分燃烧，即干炉温度高时，先减小煤气量，再减小空气量，而干燥炉的温度低时，先增大空气量，再增大煤气量。
2.配料系统
配料系统主要任务是向造球系统矿槽提供混合料，根据造球系统矿槽的料位，由操作人员设定上料总量，程序根据上料总量计算、分配、控制14个矿槽的下料量，主要控制内容为：（1）系统物料总量实行大闭环跟踪控制；（2）配料设备起停控制；（3）自动换槽下料的切换启停控制；（4）下料闭环调节控制；（5）原料矿槽上/下料位控制。
根据工艺要求，配料设备启停控制与造球系统、焙烧机系统及料流量等有严格的联锁关系。自动换槽是指在生产过程中，当某一正在下料的矿槽料位到了下限值或与该矿槽配套的配料设备发生了某种故障而不能继续下料时，程序根据与该槽相邻（前或后）的矿槽的物料品种号（由人工依配料种类在计算机上对每个配料矿槽设定的物料的品种编码），先（后）启动与该槽具有相同品种号的配料设备，后（先）停止该不能继续配料的设备的工作。以保证该物料品种下料量的连续性和均匀性。圆盘下料量闭环自动调节是以电子称检测的实际下料量（过程变量）与设定值作比较，通过调节圆盘给料机的转速，改变下料量来实现的。系统物料流量跟踪控制是根据物料平衡的原则，不断计算各种物料新的设定值，使各工作矿槽下料量之和等于需要的总配料量，并能在一个很小的范围内对配比实现微调。当一个新的配比输入控制系统时，控制系统能自动使物料料头料尾对齐。
3、造球系统
造球系统是按焙烧机对物料的需求量确定每个造球盘的下料量，由操作人员调节，混合料投放到造球机制成生球团，生球团经磙式筛分机筛分为9mm-16mm之间的合格的生球团，通过摆动皮带将合格生球团布到焙烧机上，不合格的生球团经散料系统回到造球矿槽。
4、焙烧机系统
焙烧炉系统是整个系统工艺的核心，焙烧炉分为鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、冷却段（图二）。根据工艺要求焙烧炉系统具有下列模拟量控制：a)废气风机入口阀的调节
该控制主要为了保证鼓干段罩内压力为负压，防止烟气外排。为此利用废气风机阀控制其开度来保证罩内烟气不外排，控制负压在设定围内。
b) 鼓干风机冷风阀的调节
该控制主要为了对鼓干段内温度进行控制，当罩内温度过高时，将冷风阀打开，以降低风温，保证对生球料进行干燥所需的温度。
c) 回热风机放散阀的调节
为了控制抽风干燥段的压力，保证热风压力维持在一个恒定值上，压力检测由罩内的两个测量点进行测量，两个压力信号平均后进行PID控制，PID控制输出调节回热风机放散阀。
d) 主抽风机入口阀的调节
根据球团生球料层的透气性来调节风机的阀门，透气性好坏的依据是主抽风机的出口温度，出口温度增大时，调节阀开度减小，反之增大。
e) 回热风机入口阀的调节
控制焙烧机的终点温度，终点温度取自N28、N29风箱温度的平均温度，由操作人员根据生产情况设定终点温度，通过回热风机入口阀的调节来实现终点控制。
f) 回热风机冷风阀的调节
回热风机转子要求风温最高温度不能超过300℃，通过回热风机冷风阀开度的调节控制回热风机出口温度。
g) 鼓干风机冷风调节阀调节
调节鼓干罩内的温度，罩内温度增大时，调节阀开度增大，反之减小。
h) 冷却风机入口调节阀的调节
控制预热段炉膛压力，保证生球团料的预热效果，炉膛压力增大时，调节阀开度减小，反之增大。
i) 二冷罩调节阀的调节
根据二冷罩内压力进行调节，压力增加时，调节阀开度增大，反之减小。
j) 鼓干放风阀的调节
鼓干放风阀根据N3风箱压力进行调节，压力增大时，调节阀开度增大，反之减小。
k) 炉膛温度控制
炉膛温度控制主要由控制焙烧段内的30个点火煤气支管流量和30个空气支管流量来实现，根据焙烧段内温度控制点多，分布比较均匀的特点，我们将焙烧段分成八个燃烧段，每个燃烧段控制4个烧嘴，每个燃烧段的平均温度TV做为每个烧嘴的过程娈量。TV=ΣTn/n (TV：平均温度，ΣTn:有效温度和，n：有效温度点数)。
计算机检测4个烧嘴的温度，对由于热电偶损坏或计算机线路损坏造成的测温不准，在计算平均温度时将不准的温度点滤掉，剩余的温度点加权平均。由操作人员设定每个燃烧段的温度，计算机根据每个烧嘴的实测温度，调节点火煤气阀、点火空气阀，使每点的温度都控制在设定温度范围内，直到平均温度TV与设定温度控制在有效的偏差范围内。为了使煤气充分燃烧，该控制采用串级PID控制，控制原则是温度高时，先减少煤气量，再减少空气量；温度低时，先增大空气量，再增大煤气量。
三，ControlLogix控制系统
控制系统用以实现以上所述各工艺设备的电气自动控制和操作、顺序逻辑控制、仪表模拟量监控、回路调节等功能，对工艺过程信息进行检测、记录及数据的初步处理，执行设备运转控制及工艺过程自动调节、越限报警等。控制系统主要包括：
ControlLogix控制系统的控制器Logix5550
Logix5550控制器是32位总线的控制器，可拆卸的模块化内存。单个控制器的控制能力可达数字量25,000点，模拟量4000点。它可以安装于框架内的任何槽位，每个框架可安装多个控制器，该控制器不仅可以控制和组态本地框架内的输入输出模板，还可以控制和组态网络上任何远程框架上的输入输出模板。另外，Controllogix系统具有极强的模拟量和回路调节处理能力，先进的Producer/Consumer通讯和多任务控制模式使回路调节的实时性更强，I/O通讯速度更快。
1、 控制网络ControlNet
Controllogix控制系统的ControlNet网打破了PLC系统传统的Souce-Destination(源-目的地)的点对点和巡检的通讯模式，而采用了现进的Producer-Consumer(生产-消费)的通讯模式。其支持计划性信息和非计划性信息的传输，用ControlNet取代了以往多种主控网和现场网的功能。并具备了对实时性数据传递的确定性，可重复性和实时性要求。ControlNet和ControlLogix框架的连接由模板CNB或CNBR来实现，网络介质用75Ω同轴电缆组成，网络每段最大传输距离1000M，段与段之间用中继器可以延伸网络，网络传输速率达到5M/秒，既可以组成单独通讯网络，也可以组成冗余通讯网络。ControlNet网络配置的特点是无论是CPU框架还是远程扩展框架均由CNB(CNBR,冗余配置)模块挂在ControlNet网络上，然后由软件进行管理扩展模块的归属，这一特点使网络的扩展和走线十分灵活。该系统还可以用以太网通讯模板和DH+通讯模板做网桥，将ControlNet网分别连到以太网和DH+网上，做到控制网和管理网合二为一。
2、 人机界面
人机接口操作系统硬件由工控机和和内置的1784-KTCX卡组成。软件主要有组态编程软件Logix5000，通讯软件RSLinx，网络组态软件RSNetworx,画面监控软件RSView32，每台上位机同时具备操作站和工程师站功能，可在线切换。RSView32提供友好的人机界面和方便的操作方式。画面包括：流程画面、操作画面、调节画面、仪表分组画面、统计计算画面、趋势显示、报警显示、报表画面等标准功能画面。其中操作画面按钮配有确认画面以减少误操作可能性，提高系统可靠性。统计计算画面充分利用电脑强大的计算功能实时将配料量及经济指标统计计算出来，提高生产效率。RSView32支持微软NT或95，98系统的各类规范和协议如OPC，ODBC，ActiveX等。操作站/监视站与ControlLogix系统之间以OPC的方式通讯。3个上位操作站/监视站内还配有标准的以太网卡，进而接入以NT
一.球团车间控制系统的构成
系统的改造利用了原有的控制室空间分别由八个控制站组成，一号站(主控室)控制碚烧炉系统，二，三号站控制配料系统，四，五号站控制上料系统，六号站控制成品系统，七号站控制风路系统，八号站控制造球系统。系统共计约1600点的DI/DO和530点的AI/AO控制系统由三台CPU控制，其中1号CPU控制碚烧炉东侧风路系统和成品系统，2号CPU控制碚烧炉西侧风路系统，3号CPU控制上料系统，配料系统。在一号站主控室配置三台操作员接口，整个系统通讯由冗余的控制网ControlNet构成(两根75欧同轴电缆)连成一体，网络跨度800米，实现分布控制，集中管理。控制的对象是除电除尘器，仓库吊车之外的所有工艺设备。
二，碚烧炉系统主要控制原理
1.上料系统
上料系统负责向配料系统的矿槽提供铁料,铁料来源主要有两种，一是由外部供料系统提供铁料，不需要进行干燥，二是自产精矿供料系统提供铁料，需要经过干燥机系统进行干燥。该系统根据料线选择来控制上料小车的车位，由矿槽的槽位信号控制小车皮带的启停，系统具有料线联锁功能，有过载、打滑、堵漏系统保护和报警功能，对圆盘给料机进行下料控制，实现每个圆盘配料机上的两个附着式振动器的定时振动，对上料系统中的干燥机设备进行状态检测，包括油泵的的压力检测和运行状态检测，慢动停止和油泵压力足够大作为干燥机运行的联锁条件，实现干燥炉的温度、压力、煤气和空气流量的显示和控制，干燥炉温度控制采用PID控制，目的是实现煤气的充分燃烧，即干炉温度高时，先减小煤气量，再减小空气量，而干燥炉的温度低时，先增大空气量，再增大煤气量。
2.配料系统
配料系统主要任务是向造球系统矿槽提供混合料，根据造球系统矿槽的料位，由操作人员设定上料总量，程序根据上料总量计算、分配、控制14个矿槽的下料量，主要控制内容为：（1）系统物料总量实行大闭环跟踪控制；（2）配料设备起停控制；（3）自动换槽下料的切换启停控制；（4）下料闭环调节控制；（5）原料矿槽上/下料位控制。
根据工艺要求，配料设备启停控制与造球系统、焙烧机系统及料流量等有严格的联锁关系。自动换槽是指在生产过程中，当某一正在下料的矿槽料位到了下限值或与该矿槽配套的配料设备发生了某种故障而不能继续下料时，程序根据与该槽相邻（前或后）的矿槽的物料品种号（由人工依配料种类在计算机上对每个配料矿槽设定的物料的品种编码），先（后）启动与该槽具有相同品种号的配料设备，后（先）停止该不能继续配料的设备的工作。以保证该物料品种下料量的连续性和均匀性。圆盘下料量闭环自动调节是以电子称检测的实际下料量（过程变量）与设定值作比较，通过调节圆盘给料机的转速，改变下料量来实现的。系统物料流量跟踪控制是根据物料平衡的原则，不断计算各种物料新的设定值，使各工作矿槽下料量之和等于需要的总配料量，并能在一个很小的范围内对配比实现微调。当一个新的配比输入控制系统时，控制系统能自动使物料料头料尾对齐。
3、造球系统
造球系统是按焙烧机对物料的需求量确定每个造球盘的下料量，由操作人员调节，混合料投放到造球机制成生球团，生球团经磙式筛分机筛分为9mm-16mm之间的合格的生球团，通过摆动皮带将合格生球团布到焙烧机上，不合格的生球团经散料系统回到造球矿槽。
4、焙烧机系统
焙烧炉系统是整个系统工艺的核心，焙烧炉分为鼓风干燥段、抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段、冷却段（图二）。根据工艺要求焙烧炉系统具有下列模拟量控制：a)废气风机入口阀的调节
该控制主要为了保证鼓干段罩内压力为负压，防止烟气外排。为此利用废气风机阀控制其开度来保证罩内烟气不外排，控制负压在设定围内。
b) 鼓干风机冷风阀的调节
该控制主要为了对鼓干段内温度进行控制，当罩内温度过高时，将冷风阀打开，以降低风温，保证对生球料进行干燥所需的温度。
c) 回热风机放散阀的调节
为了控制抽风干燥段的压力，保证热风压力维持在一个恒定值上，压力检测由罩内的两个测量点进行测量，两个压力信号平均后进行PID控制，PID控制输出调节回热风机放散阀。
d) 主抽风机入口阀的调节
根据球团生球料层的透气性来调节风机的阀门，透气性好坏的依据是主抽风机的出口温度，出口温度增大时，调节阀开度减小，反之增大。
e) 回热风机入口阀的调节
控制焙烧机的终点温度，终点温度取自N28、N29风箱温度的平均温度，由操作人员根据生产情况设定终点温度，通过回热风机入口阀的调节来实现终点控制。
f) 回热风机冷风阀的调节
回热风机转子要求风温最高温度不能超过300℃，通过回热风机冷风阀开度的调节控制回热风机出口温度。
g) 鼓干风机冷风调节阀调节
调节鼓干罩内的温度，罩内温度增大时，调节阀开度增大，反之减小。
h) 冷却风机入口调节阀的调节
控制预热段炉膛压力，保证生球团料的预热效果，炉膛压力增大时，调节阀开度减小，反之增大。
i) 二冷罩调节阀的调节
根据二冷罩内压力进行调节，压力增加时，调节阀开度增大，反之减小。
j) 鼓干放风阀的调节
鼓干放风阀根据N3风箱压力进行调节，压力增大时，调节阀开度增大，反之减小。
k) 炉膛温度控制
炉膛温度控制主要由控制焙烧段内的30个点火煤气支管流量和30个空气支管流量来实现，根据焙烧段内温度控制点多，分布比较均匀的特点，我们将焙烧段分成八个燃烧段，每个燃烧段控制4个烧嘴，每个燃烧段的平均温度TV做为每个烧嘴的过程娈量。TV=ΣTn/n (TV：平均温度，ΣTn:有效温度和，n：有效温度点数)。
计算机检测4个烧嘴的温度，对由于热电偶损坏或计算机线路损坏造成的测温不准，在计算平均温度时将不准的温度点滤掉，剩余的温度点加权平均。由操作人员设定每个燃烧段的温度，计算机根据每个烧嘴的实测温度，调节点火煤气阀、点火空气阀，使每点的温度都控制在设定温度范围内，直到平均温度TV与设定温度控制在有效的偏差范围内。为了使煤气充分燃烧，该控制采用串级PID控制，控制原则是温度高时，先减少煤气量，再减少空气量；温度低时，先增大空气量，再增大煤气量。
三，ControlLogix控制系统
控制系统用以实现以上所述各工艺设备的电气自动控制和操作、顺序逻辑控制、仪表模拟量监控、回路调节等功能，对工艺过程信息进行检测、记录及数据的初步处理，执行设备运转控制及工艺过程自动调节、越限报警等。控制系统主要包括：
ControlLogix控制系统的控制器Logix5550
Logix5550控制器是32位总线的控制器，可拆卸的模块化内存。单个控制器的控制能力可达数字量25,000点，模拟量4000点。它可以安装于框架内的任何槽位，每个框架可安装多个控制器，该控制器不仅可以控制和组态本地框架内的输入输出模板，还可以控制和组态网络上任何远程框架上的输入输出模板。另外，Controllogix系统具有极强的模拟量和回路调节处理能力，先进的Producer/Consumer通讯和多任务控制模式使回路调节的实时性更强，I/O通讯速度更快。
1、 控制网络ControlNet
Controllogix控制系统的ControlNet网打破了PLC系统传统的Souce-Destination(源-目的地)的点对点和巡检的通讯模式，而采用了现进的Producer-Consumer(生产-消费)的通讯模式。其支持计划性信息和非计划性信息的传输，用ControlNet取代了以往多种主控网和现场网的功能。并具备了对实时性数据传递的确定性，可重复性和实时性要求。ControlNet和ControlLogix框架的连接由模板CNB或CNBR来实现，网络介质用75Ω同轴电缆组成，网络每段最大传输距离1000M，段与段之间用中继器可以延伸网络，网络传输速率达到5M/秒，既可以组成单独通讯网络，也可以组成冗余通讯网络。ControlNet网络配置的特点是无论是CPU框架还是远程扩展框架均由CNB(CNBR,冗余配置)模块挂在ControlNet网络上，然后由软件进行管理扩展模块的归属，这一特点使网络的扩展和走线十分灵活。该系统还可以用以太网通讯模板和DH+通讯模板做网桥，将ControlNet网分别连到以太网和DH+网上，做到控制网和管理网合二为一。
2、 人机界面
人机接口操作系统硬件由工控机和和内置的1784-KTCX卡组成。软件主要有组态编程软件Logix5000，通讯软件RSLinx，网络组态软件RSNetworx,画面监控软件RSView32，每台上位机同时具备操作站和工程师站功能，可在线切换。RSView32提供友好的人机界面和方便的操作方式。画面包括：流程画面、操作画面、调节画面、仪表分组画面、统计计算画面、趋势显示、报警显示、报表画面等标准功能画面。其中操作画面按钮配有确认画面以减少误操作可能性，提高系统可靠性。统计计算画面充分利用电脑强大的计算功能实时将配料量及经济指标统计计算出来，提高生产效率。RSView32支持微软NT或95，98系统的各类规范和协议如OPC，ODBC，ActiveX等。操作站/监视站与ControlLogix系统之间以OPC的方式通讯。3个上位操作站/监视站内还配有标准的以太网卡，进而接入以NT
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