DCS控制系统在大型高炉上的应用

1 前言
       上钢一厂新建2500m3高炉已于1999年10月8日顺利点火投产，该高炉在自动化控制系统方面充分吸收了国内、国外的先进经验，无论在控制系统的构成上，在控制功能上，还是在系统操作水平上，都处于当今世界先进水平。

2 工艺概况
        高炉年产生铁175万吨。有烧结矿槽5个，块矿槽5个，杂矿槽4个，小粒度矿槽及小块焦槽各1个，焦槽5个，采用小粒度矿回收技术。矿石和焦炭经中间料斗，经上料皮带机至炉顶。炉顶为串罐式无料钟炉顶，采用高压操作技术，炉顶压力通过减压阀组进行调节。煤气清洗采用一级重力除尘（DC）和两级文氏管（VS）湿式除尘。高炉有30个风口，富氧、加湿送风，并采用了喷煤（PCI）技术。分南、北双出铁场，有3个出铁口，用260吨鱼雷式混铁车运输铁水。用英巴法处理水渣，南、北出铁场各设置一套水渣处理系统。有四座内燃式热风炉，采用燃烧余热回收技术，燃烧高炉煤气；送风方式有单炉送风、冷并联送风、热并联送风三种。
3 自动化控制系统构成
高炉采用美国西屋公司的WDPF II Plus分布式控制系统（DCS）进行自动化控制。该控制系统具有以下特点：
(1) 通用性强，开放性好，能兼容不同制造商的自动化设备（如AB公司PLC，遵从FF协议的智能仪表等）；并能通过TCP/IP协议与管理计算机实现通信。
(2) 控制系统所特有的分布式数据库结构，减少了集中式数据库所带来的风险，使用户能很容易地访问数据库。数据库中的每一点包含了该点的全部信息，只要该点在数据库中定义，整个系统均可访问它。
(3) 与采用PLC+DCS结构形式的控制系统相比较，控制系统的分布式结构克服了电气和仪表专业分工明显，系统网络结构复杂，网络接口通信速度慢的缺点，使用户能更有效地利用系统资源，提高了系统的易维护性和控制的实时性，有利于实现三电一体化的目标。
纳入控制系统控制的工艺范围包括：高炉矿石及焦炭储备及输送系统，上料系统，无料钟炉顶系统，高炉本体系统，出铁场系统，煤气清洗系统，热风炉系统，水渣系统，煤粉制备及喷吹系统，并预留了炉顶余压发电（TRT）系统的控制设备。控制系统在系统功能上由两级组成。
第一级为基础自动化级，主要完成生产过程的数据采集和初步处理、数据显示和记录，生产操作，执行对生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制。共配置了15台控制站（DPU），9台以SUN工作站为硬件平台的操作员站（其中2台兼作工程师站，用于系统组态及软件维护，1台带有37(大屏幕显示器)，配置了5台打印机和1台硬拷贝机（分别用于报警信息打印和画面硬拷贝打印），以及高速数据通信总线（Wesnet Plus）等。每个DPU控制站硬件按冗余方式配置，包括冗余的Intel CPU、分布式数据存储器、通信控制器、电源，以及非冗余的I/O模件（可带电插拔），输入接线端子（Half-Shell），输出继电器等；软件包括DPU系统固化支持程序，分布式数据库程序等。每个操作员站硬件包括冗余的分布式数据存储器、通信控制器，以及非冗余的RISC CPU、20(CRT显示器（带触摸屏功能）、电源、硬盘、鼠标、工程师键盘、操作员键盘等；软件包括工程师/操作员系统支持程序， Unix操作系统。操作站之间可互为备用。高速数据通信总线（Wesnet Plus）通信方式为按时间分片进行数据广播的方式，通信介质室内部分采用同轴电缆，室外部分采用光纤。采用以太网进行文件传输，并与其它系统之间通信留有接口。
第二级为过程控制级，主要完成生产过程数据设定、操作指导、作业管理、控制计算、数据处理及存储。过程控制级共配置了4台SUN工作站，用于高炉生产过程数据设定、操作指导、作业管理、控制计算、数据处理及存储；配置了2台打印机和1台硬拷贝机（分别用于报表信息打印和画面硬拷贝打印）；配置了2台PC终端机，通过调制－解调（Modem）方式，实现与高炉原燃料供应系统（原料场）的数据通信。
控制系统中各单元通过高速数据总线Wesnet Plus和以太网进行通信。采用不间断电源装置（UPS）供电，停电保持时间不小于30分钟。控制系统结构及设置场所图略可向作者索取。
控制系统设备按不同的控制对象，设置在相应的电气室或控制室中，个别远程I/O设置在现场。


4 主要控制功能
在分配15台分布式控制站（DPU）的控制功能时，我们打破了传统按电气－仪表专业分工的界限，按照高炉各个工艺组成单元进行分配。各个DPU主要控制功能如下：
DPU1：进行矿石储备及输送系统设备运行状态、称重数据采集和初步处理；矿石给料机、振动筛、称量料斗闸门、矿石输送皮带机、转换溜槽等设备的顺序运转控制；矿石称量方式控制；称量料斗排料顺序控制；矿石输送皮带机上原料模拟跟踪控制；称量料批管理；设备故障报警处理等。
DPU2：进行焦炭储备及输送系统设备运行状态、称重和水分数据采集和初步处理；焦炭振动筛、焦炭输送皮带机、转换溜槽等设备的顺序运转控制；矿石称量误差补正控制；焦炭称量误差补正控制；焦炭水分补正控制；称量料批管理；设备故障报警处理等。
DPU3：进行上料系统设备运行状态数据采集和初步处理；矿石中间料斗闸门、焦炭称量料斗闸门、上料皮带机、上料皮带机清洗阀等设备的顺序运转控制；炉顶装料方式控制；装料方式预约变更控制；装料数据跟踪控制；上料皮带机上原料模拟跟踪控制；装料料批管理；设备故障报警处理等。
DPU4：进行高炉本体系统温度数据采集和初步处理。
DPU5：进行炉顶系统设备运行状态、称重数据采集和初步处理；炉顶旋转料罐、上部料闸、上密封阀、均压阀、排压阀、下密封阀、料流调节阀、密封阀蒸汽加热阀、布料溜槽、探尺等设备的顺序运转控制；炉顶时序控制；炉顶均排压控制；炉顶称量压力补正控制；布料方式控制；布料定位控制；特殊布料控制；料流调节阀自学习控制；布料溜槽倾动角度补偿控制；设备故障报警处理等。
DPU6~7：进行高炉本体系统现场压力、流量数据采集和初步处理；炉顶洒水控制；炉顶煤气成分分析；炉喉十字测温；炉身煤气成分分析；风口及炉身冷却板检漏；炉身差压监视及透气性指数计算；故障报警处理等。
DPU8：进行高炉炉顶及煤气清洗系统温度、压力、流量数据采集和初步处理；风口及炉身冷却板检漏；炉顶压力控制；文氏管洗涤器水位控制；文氏管洗涤器煤气差压控制；文氏管洗涤器喉口差压控制；故障报警处理等。
DPU9：进行用于热风炉系统换炉控制设备运行状态数据采集和初步处理；排压阀、充压阀、烟道阀、冷风阀、热风阀、高炉
煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀、高炉煤气吹扫阀、助燃空气燃烧阀、燃烧煤气放散阀、排压主阀、烟气旁通阀、烟气切断阀、预热空气切断阀、助燃空气旁通阀、预热煤气切断阀、高炉煤气旁通阀、热风放散阀、助燃风机等设备的运转控制；送风方式控制；换炉控制；设备故障报警处理等。
DPU10：进行热风炉系统燃烧控制温度、压力、流量数据采集和初步处理；燃烧控制；送风温度控制；故障报警处理等。
DPU11：为TRT预留。
DPU12：进行两个系列喷吹煤粉的制备系统设备运行状态数据采集和初步处理；磨煤机、给煤机、密封风机、助燃风机、煤粉风机、烟道阀、干燥炉放散阀、煤粉输送机等设备的运转控制；设备故障报警处理等。
DPU13：进行两个系列喷吹煤粉温度、压力、流量、称重数据采集和初步处理；总管及喷吹量控制；支管及喷吹量控制；总喷煤速率控制；故障报警处理等。
DPU14：进行北水渣及北出铁场系统设备运行状态、温度、液位、流量、称重数据采集和初步处理；转鼓过滤器、炉渣输送皮带机、粒化泵、粒化水循环泵、底流泵、加压泵、摆动溜槽、冲制阀、集水槽回水阀、成品槽水清洗阀、气控管路阀、事故阀等设备的运转控制；出渣方式控制；转鼓调速控制；水渣设施运行程序控制；设备故障报警处理等。
DPU15：进行南水渣及南出铁场系统设备运行状态、温度、液位、流量、称重数据采集和初步处理；转鼓过滤器、炉渣输送皮带机、粒化泵、粒化水循环泵、底流泵、加压泵、摆动溜槽、冲制阀、集水槽回水阀、成品槽水清洗阀、气控管路阀、事故阀等设备的运转控制；出渣方式控制；转鼓调速控制；水渣设施运行程序控制；设备故障报警处理等。


5 软件编制
软件编制在工程师站上进行。编制完成的程序通过工程师站分别下装到控制站和操作站中。由于数据库是控制系统的核心，软件编制开始前必须先完成数据库的定义。只有在数据库中有定义的点，才能在软件编制过程中被引用。
运用梯形图、回路图和控制算法进行组合的方式编制控制站程序。每一幅梯形图、回路图以及每一个控制算法中的控制点都可以通过自己在系统中的唯一点名，与其它控制调节回路、控制算法、以及操作站画面进行链接。
控制系统运用基于Auto CAD的图形编辑器（Graphics Builder）进行画面程序的编制。在开放式Auto CAD环境下，以对话窗口的方式，利用系统标准的或用户自定义的图形库、颜色库、线型库、填充型式来生成图形画面。生成的画面图形文件以Auto CAD的文件格式储存在硬盘上，需编译成系统标准格式后，才能下装到操作站中。


6 控制方式
控制系统主要控制方式有“自动”，“手动”，“非常手动”，“现场”四种。
在“自动”控制方式下，控制系统按照预先设定的生产方案，自动完成所有控制及监视功能。
在“手动”控制方式下，控制系统按照操作员在CRT操作站上发出的操作指令，逐步完成所有控制及监视功能。
“非常手动”用于高炉休风操作，<