高炉自动化系统关键技术专项方案.doc

高炉自动化系统技术方案

一、系统设计指引思想
炼铁生产过程是在高炉内进行一系列复杂还原反映过程，炉料（矿石、燃料和熔剂）从炉顶装入，从鼓风机来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互换，逐渐还原，最后在炉子下部还原成生铁，同步形成炉渣。积聚在炉缸铁水和炉渣，分别由出铁口和出渣口放出。
高炉自动化过程重要包括高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制，以及除尘系统控制等。高炉自动化目，重要是保证高炉操作四个重要问题：对的配料并以一定顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节炉料分布及保持其与热煤气流良好接触；保持高炉整体有适当热状态。高炉自动化系统重要涉及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普通由DCS或PLC完毕。
高炉生产必要规定计算机控制系统可以较好地保证生产过程持续性和实时监控性，并且规定数据量最多，所有设备自动化限度要高。计算机系统规定数据采集周期短，刷新速率快，特别对通讯网络而言，数据传播速率、网络稳定性和对的性尤为重要。
对检测仪表而言，也即对温度、压力、差压、流量、料位、重量检测，规定数据采集精准度≤0.2%，采集速率≤0.8S。
高炉自动化控制方案，一方面应着眼于系统可靠性、实用性和先进性，并在此基本上提高系统性价比。
1．可靠性
高炉在钢铁厂生产中处在十分重要位置，它不但要及时稳定给炼钢工序提供合格铁水，还同步为轧钢加热炉提供煤气。高炉生产短时间中断都会给整个生产流程带来不可预计损失。
因而，必要把系统可靠性也即安全性放在高炉控制系统设计第一位。在设备控制方面，要满足炼铁设备及工艺特定规定，完善必要软硬件连锁，实现最可靠开停车顺序控制，以及可靠解决突发性事件应急解决方案，保证整个高炉生产系统安全性。
为保证这些设备安全可靠运营，除了系统硬件之外，还必要在软件编程上增长各种保护功能，以进一步提高系统安全性和可靠性。
2．实用性
为适应中型规模钢铁厂在生产管理技术基本点面上规定循序渐进、逐渐提高多数状况，对高炉生产过程控制，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、控制软件构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、配料运营数据、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，上述工艺参数通过上位机计算机解决，使之成为清晰而精准“软件仪表”，将过去人工来不及分析、各种缺少有关性信息都能充分地运用起来，揭示出它们之间内在联系，从而对判断高炉生产过程和指引操作起到了更多作用。
在自动操作模式下，咱们在常规PID调节基本之上，增长了非线性变参数调节，自适应调节和智能控制等环节。
通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根据，并充分运用计算机储存信息量大长处，为高炉操作提供更精确、更合理控制方略。
3．先进性
采用智能控制技术，以变化控制方略去适应对象复杂性和不拟定性。具备更好适应性、容错性、鲁棒性、自组织功能，具备自学习能力、更强实时性和人机协同功能。不但依托单纯数学模型，而是可以依照知识和经验积累，进行在线推理，做出非线性和多因素判断，从而优选出能随动实时变化最佳控制方略。
通过记录、分析高炉历史生产数据，采用“优选图法”，指引操作人员，使之拟定每一步动作更加精准和科学。在这种状况较之老式人工操作模式下，高炉各操作参数离散限度将明显缩小，向着最佳区间，甚至最佳点靠拢趋势将非常明显。
在系统更进一步优化后，可实现各种“趋势分析”，计算机可以做出趋势预报，及时为操作者提供更多手段，相称于真正做到了类似于老式操作模式下，工艺管理上经常会提出“早调、勤调、少调”规定。高炉生产过程在应用本系统后将更加趋向稳定。

二、控制系统实行方案
1．系统硬件
本系统PLC硬件所有选用施耐德公司Modicon TSX Quantum 140系列产品，网络连接使用Modbus TCP/IP Ethernet，数据传播速率高达100MBPS，采用信息行业事实原则TCP/IP，应用层使用Modbus合同，几乎不会发生数据传播冲突，互换式以太网技术使用更避免了冲突发生也许。网络配备涉及PLC端和PC机端两个某些。
系统中每套PLC系统通过插在主底板上140NOE77100 TCP/IP Ethernet模块连接在100M迅速以太网上，位置比较集中可以采用双绞线连接。上位监控机采用双绞线连接迅速以太网。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，也可通过其他内嵌功能，基于WebBOOTP服务器配备，SNMP合同支持等，使网络建立、调试、管理都变得简朴。
3．组态软件
软件系统设计涉及PLC组态及参数配备、系统监控程序设计、网络通信配备、操作员站及工程师站人机界面设计四个某些。
PLC组态及参数配备、下位机监控系统编程均在Concept XL V2.6环境下完毕，它易于使用，功能丰富，具备5种符合IEC1131-3原则编程模式。特别是软件仿真测试功能最受顾客欢迎，大大缩短了在线调试时间。高炉及热风炉依照控制流程不同，可以采用LD、FBD两种编程方式。程序功能涉及系统初始化、参数量程变换、参数监视及异常解决、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，设计和配备必要调节回路。灵活Concept编程软件为实现各种控制工艺提供了丰富功能，可以依照生产实际编写出各种需求功能。
上位监控工作站由8台Advantech工业控制计算机完毕整个系统过程数据采集、运营状态监视、系统设备控制，生产报表生成和打印、数据备份等工作。上位机监控软件中人机界面设计采用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，可以完毕监控画面设计、过程数据库建立以及监控软件各功能块编制等项功能。其着重点是保证系统可靠，以及如何以便于操作。
4．系统总图
高炉自动化控制系统硬件和网络配备总图详见图1。
图中：整个PLC系统涉及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端口以太网互换机设立在高炉主控室内，2台8端口以太网互换机分别设立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。采用带光缆接口互换机，或使用光电转换器，用光纤连接以太网。
5．重要功能描述
本系统将是一种集顺序控制、过程控制、数据采集、工况监视、数据管理为一体计算机控制管理系统。重要功能如下：
• 对电动机、阀门等以及成套机电设备开关量控制，涉及分组连锁起动、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。
• 过程控制数据采集和解决（涉及开关量和模仿量）。
• 完善报警功能。开关量和模仿量报警显示、确认、记录和打印。报警发生开始时间、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。

互换机
100Mbs以太网
煤气布袋除尘
高炉本体
热风炉系统
现场总线
出铁场、除尘系统
24V电源
互换机
互换机
光纤×2
CRT1
CRT2
CRT3
CRT4
CRT5
CRT6
CRT7
中继器
高炉矿槽
炉顶及卷扬

图1 高炉自动化控制系统硬件和网络配备图

• 定期打印或即时打印生产班报表、生产日报表、生产月报表。定期打印时间间隔可修改，即交接班时间可通过操作设定。
• 面向目的操作方式，友善人机操作界面。对某台设备操作，只需把光标移到相应目的（如电机、阀门）图形位置上就可完毕操作。如目的能被选中，则容许操作，否则操作无效。
• 系统时间、模仿量报警上下限设立和修正。
• 较强系统自诊断功能，涉及PLC模块出错显示，在线查看开关量和模仿量条件表。
• 操作记录、开关量报警列表、模仿量报警列表自动记录和显示打印。
• 为加强系统可靠性，对系统某些重要操作设立密码，以防无关人员随意进入操作。
6．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、矿石备料系统；
• 原料称量补偿和水分控制；
• 高炉装料程序控制。
⑶ 高炉本体
• 炉体各点温度、压力、流量检测；
• 炉喉温度和煤气成分数据解决；
• 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流量及压力测量；
• 炉体参数监控和报警；
• 炉体系统数据解决。
⑷ 热风炉系统
• 热风炉燃烧调节阀遥控操作；
• 煤气总管压力自动调节；
• 热风炉拱顶温度记录；
• 热风炉出口温度记录；
• 热风炉燃烧室温度记录；
• 热风炉废气温度记录；
• 热风炉总管压力记录；
• 冷风总管压力、流量记录；
• 冷风总管温度批示；
• 净煤气总管温度、压力批示；
• 净煤气总管流量、温度批示；
• 助燃空气总管压力、温度批示；
• 助燃空气，总管流量记录；
• 冷却水压力批示；
• 冷却水流量批示、合计；
• 冷风均压信号；
• 废气排压信号；
• 生产联系信号。
⑸ 布袋除尘系统
• 荒煤气总管温度批示、记录、报警、连锁；
• 荒煤气总管压力批示；
• 荒煤气总管压差批示、应答、连锁；
• 净煤气温度批示；
• 净煤气流量批示、合计；
• 净煤气含尘量检测、报警。
⑹ 其他系统
• 除尘系统煤气温度、压力测量；
• 冲渣水压力、流量采集。

三、系统启动和运营
接通系统总电源后，先启动PLC系统和网络系统电源，待进入正常运营状态后，再打开操作站彩色显示屏和工控机电源，系统引导后直接进入主菜单。主菜单有四个选项：
运营操作──进入系统概貌图，依照系统概貌图中功能按钮，进入各项相应操作。
历史曲线──显示并打印已记录在硬盘中模仿量数据。
报表打印──查看及打印生产班报表、生产日报表、生产月报表。
系统维护──进入与系统设立和维护关于各项操作。
1. 系统画面
为了使画面整洁、美观，各系统监控画面分别由一幅系统主工艺画面和若干幅分画面构成，系统主工艺上只显示重要目的和数据。如要理解更详细状况可切换到分画面上，就能看到进入PLC系统所有测点目的和数据动态实时显示，所有使用中文提示。按主菜单运营操作按钮后进入系统主工艺画面。
在主画面底部有一种按钮式子菜单，将涉及：炉顶及卷扬、高炉本体、热风炉、布袋除尘、和转运站、系统组操作、报警列表、实时数据显示、参数一览表按钮。按前面几种按钮，可以进行画面之间切换。背面四个按钮，用于选取其他功能操作。
在各监控画面上，用不同图形表达电机和阀门等设备；在组操作中，用中文设备名称批示框表达之。以不同颜色来表达电机与否备妥、正常运营，报警和报警已被确认。从运营目的与否带有边框可以区别出，该设备是在集中方式下或是在现场机旁启动。
2. 运营操作
系统正常运营时以组操作为主。按下组操作按钮，就能弹出一种标注设备名称流程框图构成组操作画面，依照开车顺序分别起动各组电机。在组操作区中有组开、组关、暂停、退出四个按钮供操作选取。各按钮前批示灯绿色表达正在执行该操作，将光标直接对准组内电机，也可进行组内单步连锁操作。
图2 高炉立面设计示例

图3 高炉炉顶上料示例
在进入系统单步调试状态后，除了在组操作画面上操作外，也能直接在各个子画面上，面向目的进行单步调试操作，如选中时目的为黄色，进行开机操作；如目的为绿色，则进行关机操作。
对高炉生产中几种核心过程，在有关画面中设计简洁而醒目动态显示。如在高炉上料环节中，咱们充分运用安装在减速机输出轴绝对位置编码器信号，在分画面中动态显示料车位置。在高炉布料过程中，咱们将依照布料和探尺有关设备返回信号，动态模仿显示高炉料层实时位置。同步通过Modbus总线将变频器和PLC连接起来，实时监控变频器运营状态。如此直观画面，再配合以工艺参数监测和报警状态显示，操作人员就可以对高炉重要实时运营工况一目了然，对提高系统安全性和可靠性提供了夯实保证，并且在便于工人操作方面也都是十分有益。
3．过程控制
从实用角度出发，本系统模仿量输出重要用于阀门调节和阀位控制。并按工艺规定设立必要单回路PID自动调节回路，必要是到当前为止公认比较成熟和可靠。高炉各系统生产过程检测与控制项目如下：
⑴ 矿槽料位
每个矿槽上装一台料位计。矿槽料位信号作为上料控制用。在矿槽三楼控制室设有监视仪表盘，同步矿槽料位信号也递至高炉主控楼计算机。
⑵ 槽下称量
槽下每个称量斗设一台电子秤，其信号送至高炉主控楼计算机，对称量成果进行补偿。
⑶ 高炉本体、无料钟炉顶及粗煤气系统
高炉本体检测项目重要有：炉基、炉底、炉身、炉喉、炉顶温度、风渣口小套出水温度和冷、热风温度；炉底、炉喉钢砖冷却水流量、压力，炉体冷却工业水流量、压力，风渣口小套高压水流量、压力，冲渣水流量、压力，压缩空气、氮气、蒸汽流量、压力；高炉全压差及炉静压、炉身透气性测量。
炉顶料罐内压力、温度检测。料罐料空信号料位计测量；高炉料线测量，炉顶气密箱温度、气密箱冷却水温度、流量测量。
粗煤气系统有除尘器上部煤气压力、温度测量；除尘器下部锥体温度测量。
炉顶煤气压力自动调节；热风温度自动调节；炉顶氮封用氮气压力自动调节等。
⑷ 热风炉
热风炉系统拱顶温度、煤气温度和含氧量，热风炉煤气量、助燃空气量，热风炉冷风阀先后差压及烟道阀先后差压，其均压信号可送电气联锁；冷风总管压力、温度、流量；煤气总管温度、压力、流量。空气预热器先后烟气温度，压力及空气温度。前置预热器先后烟气温度、压力，煤气温度、压力，空气温度、压力。冷却水温度、压力、流量和出水温度。
燃烧过程可依照拱顶温度控制煤气调节阀，助燃空气与煤气采用配比调节。助燃空气总管压力自动调节等。
⑸ 布袋除尘系统
布袋除尘系统每个箱体出口支管，装有煤气流量测量：布袋除尘器下部锥体及中间灰斗设有料位检测。
除尘器人口总管设有煤气压力、温度测量；净煤气总管设有煤气压力、温度、流量和含尘量测量。
⑹ 矿槽除尘和出铁场除尘
矿槽和出铁场除尘器前温度检测。除尘器进出口差压测量。灰斗高低料位连锁及报警。除尘风机运营参数和报警等。
以高炉布料为例：高炉冶炼过程是持续，炉内有压力且产生大量煤气，整个过程是和大气隔绝。在隔绝状况下如何源源不断地把炉料加到炉内，对保证高炉正常冶炼至关重要。
当前普遍使用无料钟炉顶如图4所示。该成套设备为串罐式，用于高炉炉顶受料与给料及布料，布料工艺性能好，可实现多环或任意点布料。普通都采用料流调节阀加布料溜槽控制方式，来保证矿石、焦炭在炉内精准布料。工作过程简述如下：
⑴ 受料斗空，挡料阀关，上密封阀关。上料；
　　⑵ 料罐空，料流调节阀关，滚筒停，下密封阀关。打开放散阀，料罐压力降至大气压；

　　⑶ 打开上密封阀，打开挡料阀，由受料斗向料罐放料，放空后关闭挡料阀、关闭上密封阀；
⑷ 关闭放散阀，打开一次均压阀，料罐充压，关一次均压，开二次均压至料罐压力与高炉压力相等或略高，关二次均压，开下密封阀。
　　⑸ 料线到达设定值，开始布料过程：
　　a. 提料尺，溜槽运动到设定位置，开料流调节阀到设定γ角并启动给料滚筒，向高炉布料。 图4 下料阀调节工作示意
　　b. 料罐空，停滚筒，关闭料流调节阀，关闭下密封阀，放探尺。本次布料结束。再承办第⑵步，如此周而复始。
运用料流调节阀和布料溜槽控制布料原理如图5和图6所示：

图5 下料阀调节工作示意 图6 布料溜槽工作示意图

高炉炉料通过矿槽配料工艺后，先进入到炉顶上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗料流调节阀一方面要按工艺规定启动到给定开度（即γ角），炉料按一定流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，布料溜槽也按工艺规定升到一定倾动角度（即α角），同步，布料溜槽还在水平面方向上进行着匀速旋转（即β角）。这样炉料就可以均匀布到高炉料面上了。
START

接受γ角设定值和实际值
比较并计算出δ值

NO
差值δ<2度

YES

加大调节步长

差值δ<2度

NO

YES

启动PID调节回路

差值δ<0.1度

NO

YES

END

图7 下料斗调节阀开度控制流程图

从上述基本控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三个角度，就能把炉料按任意形式布到炉内。高炉布料方式普通有环形布料、扇形布料、螺旋形布料和定点布料等几种，最多使用还是环形布料，即一批料以不同倾动角度布到炉内，形成以高炉中心为圆心数个圆环，使炉料均匀布在炉内。如果在冶炼过程中浮现炉内料面不均匀状况，则可以运用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长依照炉况需要，为改进透气性、保护炉壁使其温度不致过热等等因素，也需要采用扇形或定点布料办法来改进炉内炉料分布状态。
在布料控制过程中下料斗调节阀开度（即γ角控制）是至关重要，只有精准控制好γ角，才干有效地控制好下料流量，进而更精确控制好每批料布料厚度、环数及布料起点和终点。
由炉顶料流调节阀实际开度返回值（采用自整角机或光电编码器检测转换成实际角度），并接受炉顶控制系统发出γ角开度大小和动作指令。经分析解决后转换成4～20mA电信号控制直流驱动装置。为了使系统既有较迅速响应特性，又能达到较抱负精确度，采用PID调节和逻辑控制相结合办法。其程序流程如图7所示。
PLC控制系统一方面检测γ角给定值和实际返回值，并计算出它们差值δ，当δ值不不大于某个角度（例如2度）时，给定直流驱动装置以较大步长，使系统迅速反映；当δ值不大于某个角度、即γ角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着δ值减小，控制系统给定调节幅度也按比例减小，直至为零。
PID调节各项参数（比例、微分、积分系数，延时时间，偏移量等）必要重复调试才干达到最佳效果，保证较高控制精度。
高炉冷风阀自动调节和炉顶压力自动调节，可依照顾客需求酌情采用。
4. 开关量报警
电机在运营过程中备妥消失，或在启动后来没有及时得到运营应答信号，或在运营过程中有过电流，或浮现综合故障时，系统就会发出报警。一旦检查到开关量报警，屏幕上相应目的变成红色闪动且有声响。如报警目的不在当前画面上，系统画面切换按钮上会显示红色闪动边框，提示到该画面中去寻找报警目的。对其进行操作即可确认此报警，确认后红色不闪，声响消失，目的红色始终要保持到报警状态完全解除后才干消失。
在开关量报警列表中，计算机自动记录报警目的名称，报警产生时间、确认时间、解除时间等，分别以不同颜色来表达。
5. 模仿量报警
在系统主工艺画面和各个分图中可以动态实时显示模仿量数值。此值在正常时以绿色显示；超过设定上下限，且系统正处在正常运营状态，就会浮现模仿量报警，此时数值成红色闪动和发出声响，并在屏幕顶端浮现报警窗口，提示模仿量名称、报警发生时间、越限值和确认按钮。经确认后报警窗口消失。模仿量报警列表与开关量报警列表相似。
6. 实时趋势
实时数据显示涉及实时曲线、棒形图、电气仪表图三个子功能按钮。按下某功能按钮，可分别进入不同图形显示。实时曲线窗口画面分四个小显示窗口，能同步显示四条实时曲线。按下设立按钮后屏幕上弹出一种选取窗口，列出可供选取各个模仿量。
7. 历史曲线
在系统主菜单中按历史曲线按钮，可进入历史曲线和趋势查询和打印功能。屏幕上可以单幅显示也可以用四个历史曲线窗口，分别显示四幅不同历史曲线。在选取显示或打印之前，历史曲线日期、起始时间、时间间隔都能进行设定，并能实现曲线左右移动。
8. 报表打印
在系统菜单选取报表打印，就可进入报表打印功能。屏幕先显示当前时刻生产班报表，右下角有报表选取按钮。报表打印设有定期打印和即时打印两种方式。在选取打印功能后打印机自动通电。
9. 系统维护
选取主菜单中系统维护，即弹出系统维护功能子菜单，对能变化系统运营状况维护功能，必要从键盘输入密码才干进入。各选项如下：
系统单步调试：用于设立系统成单步调试状态。
系统操作记录：记录上位机权限转换、状态变化及运营操作。可详细记录当班人员每一步操作，涉及组操作、开停机，对报警响应和调用其他功能。可翻动查阅500个记录，500个此前操作均记录在硬盘上，最多可记录一种星期或更长时间。
系统打印设立：用于设立系统生产班报表、生产日报表、生产月报表定期打印和即时打印。设立按钮前有一批示灯，表达当前打印状态。
系统健康图：用于显示下位机各模块运营状况。当下位机某一模块发生运营故障时，该图中所相应模块就闪红报警，直到故障排除为止。

图8 PLC系统健康图

开关量和模仿量控制条件表：分页显示系统开关量和模仿量控制条件表。表中详细列出设备名称、PLC接点位号、以及机柜内来去端子号，仪表位号和量程，以及系统配电图等。维修人员不必再去查阅图纸，就能掌握现场信号来龙去脉，一目了然，十分以便。模仿量控制条件表中报警上下限参数，还可通过键盘修改。
班工作时间设立：可通过键盘或跟踪球设立早、中、晚三班起始时间，各个班按八小时间隔自动分派。
系统时间校正：可通过键盘或跟踪球校正系统时钟时、分、秒。
系统密码设立：用于设立系统各级密码。

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