高炉自动化系统技术方案

一、系统设计指导思想

炼铁生产过程是在高炉内进行的一系列复杂的还原反应的过程，炉料（矿石、燃料和熔剂）从炉顶装入，从鼓风机来的冷风经热风炉加热后，形成高温热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧产生的热煤气流自下而往上运动，而炉料则由上而往下运动互相接触进行热交换，逐步还原，最后在炉子的下部还原成生铁，同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣，分别由出铁口和出渣口放出。

高炉自动化过程主要包含高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制，以及除尘系统控制等。高炉自动化的目的，主要是保证高炉操作的四个主要问题：正确配料并以一定的顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触；保持高炉整体有合适的热状态。高炉自动化系统主要包括仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。

高炉生产必须要求计算机控制系统能够很好地保证生产过程的连续性和实时监控性，而且要求数据量最多，所有设备的自动化程度要高。计算机系统要求数据采集周期短，刷新速率快，特别对通讯网络而言，数据传输速率、网络稳定性和正确性尤为重要。
对检测仪表而言，也即对温度、压力、差压、流量、料位、重量的检测，要求数据的采集精确度≤0.2%，采集速率≤0.8S。

高炉的自动化控制方案，首先应着眼于系统的可靠性、实用性和先进性，并在此基础上提高系统的性价比。

1．可靠性
高炉在钢铁厂生产中处于十分重要的位置，它不仅要及时稳定的给炼钢工序提供合格的铁水，还同时为轧钢加热炉提供煤气。高炉生产的短时间中断都会给整个生产流程带来不可估量的损失。
因此，必须把系统的可靠性也即安全性放在高炉控制系统设计的第一位。在设备控制方面，要满足炼铁设备及工艺的特定要求，完善必要的软硬件连锁，实现最可靠的开停车顺序控制，以及可靠的处理突发性事件的应急处理方案，确保整个高炉生产系统的安全性。
为保证这些设备安全可靠运行，除了系统硬件之外，还必须在软件编程上增加多种保护功能，以进一步提高系统的安全性和可靠性。

2．实用性
为适应中型规模钢铁厂在生产管理的技术基本点面上要求循序渐进、逐步提高的多数情况，对高炉生产的过程控制，设有手动和自动两种操作状态，两种操作状态之间，可实现无扰动切换。
由工业微型计算机和PLC系统、计算机网络、控制软件组成在线计算机应用系统，下位机通过各检测仪表，采集高炉上料、配料运行数据、炉体温度、风温、风压，除尘系统等工艺参数。
在手动操作模式下，上述工艺参数经过上位机计算机处理，使之成为清晰而精确的“软件仪表”，将过去人工来不及分析的、各种缺乏相关性的信息都能充分地利用起来，揭示出它们之间的内在联系，从而对判断高炉生产过程和指导操作起到了更多的作用。
在自动操作模式下，我们在常规PID调节的基础之上，增加了非线性变参数调节，自适应调节和智能控制等环节。
经过计算机综合分析和建立数学模型，作为人工操作或自动调节的依据，并充分利用计算机储存信息量大的优点，为高炉的操作提供更准确、更合理的控制策略。

3．先进性
采用智能控制技术，以改变控制策略去适应对象的复杂性和不确定性。具有更好的适应性、容错性、鲁棒性、自组织功能，具有自学习能力、更强的实时性和人机协同功能。不仅依靠单纯的数学模型，而是能够根据知识和经验的积累，进行在线推理，做出非线性和多因素的判断，从而优选出能随动实时变化的最佳控制策略。
通过记录、分析高炉的历史生产数据，采用“优选图法”，指导操作人员，使之确定的每一步动作更加精确和科学。在这种状况较之传统人工操作模式下，高炉各操作参数的离散程度将明显缩小，向着最佳区间，甚至最佳点靠拢的趋势将非常明显。
在系统更进一步优化后，可实现多种“趋势分析”，计算机能够做出趋势预报，及时为操作者提供更多的手段，相当于真正做到了类似于传统操作模式下，工艺管理上经常会提出“早调、勤调、少调”的要求。高炉生产过程在应用本系统后将更加趋向稳定。

二、控制系统实施方案
系统硬件
本系统PLC硬件全部选用施耐德公司的Modicon TSX Quantum 140系列产品，网络连接使用Modbus TCP/IP Ethernet，数据传输速率高达100MBPS，采用信息行业事实标准TCP/IP，应用层使用Modbus协议，几乎不会发生数据传输冲突，交换式以太网技术的使用更避免了冲突发生的可能。网络配置包括PLC端和PC机端两个部分。

系统中的每套PLC系统通过插在主底板上的140NOE77100 TCP/IP Ethernet模块连接在100M快速以太网上，位置比较集中的可以采用双绞线连接。上位监控机采用双绞线连接快速以太网。每台上位监控机内各插入1块3C905C 100M以太网卡。

通过Quantum 140NOE77100模块可以定义I/O数据表，使用Internet Explorer查看以太网状态信息和现场I/O数据，也可通过其它的内嵌功能，基于Web的BOOTP服务器配置，SNMP协议支持等，使网络建立、调试、管理都变得简单。

组态软件
软件系统设计包括PLC组态及参数配置、系统监控程序设计、网络通信配置、操作员站及工程师站人机界面设计四个部分。

PLC组态及参数配置、下位机监控系统的编程均在Concept XL V2.6环境下完成，它易于使用，功能丰富，具有5种符合IEC1131-3标准的编程模式。特别是软件仿真测试功能最受用户欢迎，大大缩短了在线调试时间。高炉及热风炉根据控制流程不同，可以采用LD、FBD两种编程方式。程序功能包括系统初始化、参数量程变换、参数监视及异常处理、各种连锁及控制。

本系统涉及工艺参数较多，有压力、温度、差压、流量、质量、料位、阀位、液位等等。高炉本体及热风炉控制工艺复杂，设计和配备必要的调节回路。灵活的Concept编程软件为实现各种控制工艺提供了丰富的功能，可以根据生产实际编写出各种需求的功能。
上位监控工作站由8台Advantech工业控制计算机完成整个系统的过程数据采集、运行状态监视、系统设备控制，生产报表的生成和打印、数据备份等工作。上位机监控软件中人机界面的设计采用GE Fanuc iFIX 4.0软件，可实现实时、历史趋势，数据报表，数据采集，报警记录，动态显示等丰富功能。工业现场数据采集实时性好，可以完成监控画面设计、过程数据库建立以及监控软件各功能块的编制等项的功能。其着重点是确保系统可靠，以及如何方便于操作。

系统总图
高炉自动化控制系统硬件和网络配置总图详见图1。
图中：整个PLC系统包括5个CPU主机站、6个PLC I/O站和Profibus-DP现场总线。CRT1～CRT4为炉顶及卷扬操作站、高炉本体操作站、上料操作站、热风炉操作站，CRT5为工程师站，CRT6为布袋除尘操作站、CRT7为出铁场、原料场除尘系统操作站。
其中网络连接：24端口以太网交换机设置在高炉主控室内，2台8端口以太网交换机分别设置在布袋除尘和矿槽控制室内。高炉主控室至布袋除尘、高炉主控室至矿槽控制室之间，通过光纤连接。采用带光缆接口的交换机，或使用光电转换器，用光纤连接以太网。

主要功能描述
本系统将是一个集顺序控制、过程控制、数据采集、工况监视、数据管理为一体的计算机控制管理系统。主要功能如下：
• 对电动机、阀门等以及成套机电设备的开关量控制，包括分组连锁起动、分组连锁关机、组内自动连锁控制、组内单步连锁控制、系统单步调试。
• 过程控制数据的采集和处理（包括开关量和模拟量）。
• 完善的报警功能。开关量和模拟量报警的显示、确认、记录和打印。报警发生的开始时间、确认时间和恢复时间均能自动记录。
• 动态显示工艺流程图画面，各画面之间可以自由切换。
• 历史曲线图、实时曲线图、电气仪表图和棒形图显示和打印。




图1 高炉自动化控制系统硬件和网络配置图

• 定时打印或即时打印生产班报表、生产日报表、生产月报表。定时打印的时间间隔可修改，即交接班时间可通过操作设定。
• 面向目标的操作方式，友善的人机操作界面。对某台设备的操作，只需把光标移到相应的目标（如电机、阀门）的图形位置上就可完成操作。如目标能被选中，则允许操作，否则操作无效。
• 系统时间、模拟量报警上下限的设置和修正。
• 较强的系统自诊断功能，包括PLC模块出错显示，在线查看开关量和模拟量条件表。
• 操作记录、开关量报警列表、模拟量报警列表的自动记录和显示打印。
• 为加强系统的可靠性，对系统的某些重要操作设置密码，以防无关人员随意进入操作。

PLC控制功能
⑴ 炉顶系统
• 炉顶布料程序控制和炉顶设备顺序控制；
• 料流调节阀开度控制；
• 溜槽倾动和旋转控制；
• 料线测量和探尺控制；
• 炉顶均排压控制；
• 炉顶温度监测和压力控制。

⑵ 槽下系统
• 焦炭、矿石的备料系统；
• 原料的称量补偿和水分控制；
• 高炉装料程序控制。

⑶ 高炉本体
• 炉体各点的温度、压力、流量检测；
• 炉喉温度和煤气成分数据处理；
• 热风温度调节；
• 炉体冷却水压力、流量测量；
• 风口平台出铁场蒸气、压缩空气、O2的流量及压力测量；
• 炉体参数监控和报警；
• 炉体系统数据处理。