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高炉自动化系统技术方案
-www.zidonghua.com     2008年06月20日

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表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用计算机。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
  1.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。
  3.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。
  4.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。
  5.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
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。
  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;
  • 冷风总管温度指示;
  • 净煤气总管温度、压力指示;
  • 净煤气总管流量、温度指示;
  • 助燃空气总管压力、温度指示;
  • 助燃空气,总管流量记录;
  • 冷却水压力指示;
  • 冷却水流量指示、累计;
  • 冷风均压信号;
  • 废气排压信号;
  • 生产联络信号。
  ⑸ 布袋除尘系统
  • 荒煤气总管温度指示、记录、报警、连锁;
  • 荒煤气总管压力指示;
  • 荒煤气总管压差指示、应答、连锁;
  • 净煤气温度指示;
  • 净煤气流量指示、累计;
  • 净煤气含尘量检测、报警。
  ⑹ 其它系统
  • 除尘系统的煤气温度、压力测量;
  • 冲渣水压力、流量采集。
  三、系统启动和运行
  接通系统总电源后,先开启PLC系统和网络系统电源,待进入正常运行状态后,再打开操作站彩色显示器和工控机电源,系统引导后直接进入主菜单。主菜单有四个选项:
  运行操作──进入系统概貌图,根据系统概貌图中的功能按钮,进入各项相应操作。
  历史曲线──显示并打印已记录在硬盘中的模拟量数据。
  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──进入与系统设置和维护有关的各项操作。
  1. 系统画面
  为了使画面整齐、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组成,系统主工艺上只显示重要的目标和数据。如要了解更详细的情况可切换到分画面上,就能看到进入PLC系统的所有测点目标和数据的动态实时显示,全部使用汉字提示。按主菜单运行操作按钮后进入系统主工艺画面。
  在主画面的底部有一个按钮式的子菜单,将包括: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。按前面几个按钮,可以进行画面之间的切换。后面四个按钮,用于选择其它功能操作。
  在各监控画面上,用不同的图形表示电机和阀门等设备;在组操作中,用汉字设备名称指示框表示之。以不同的颜色来表示电机是否备妥、正常运行,报警和报警已被确认。从运行的目标是否带有边框可以区分出,该设备是在集中方式下或是在现场机旁启动的。
  2. 运行操作
  系统正常运行时以组操作为主。按下组操作按钮,就能弹出一个标注设备名称的流程框图构成的组操作画面,根据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择。各按钮前的指示灯绿色表示正在执行该操作,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,面向目标进行单步调试操作,如选中时目标为黄色,进行开机操作;如目标为绿色,则进行关机操作。
  对高炉生产中的几个关键过程,在相关的画面中设计简洁而醒目的动态显示。如在高炉上料环节中,我们充分利用安装在减速机输出轴的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,我们将根据布料和探尺相关设备的返回信号,动态模拟显示高炉料层的实时位置。同时通过Modbus总线将变频器PLC连接起来,实时监控变频器的运行状态。如此直观的画面,再配合以工艺参数的监测和报警状态显示,操作人员就能够对高炉的主要实时运行工况一目了然,对提高系统安全性和可靠性提供了扎实的保证,并且在便于工人的操作方面也都是十分有益的。
  3.过程控制
  从实用的角度出发,本系统的模拟量输出主要用于阀门的调节和阀位控制。并按工艺要求设置必要的单回路PID自动调节回路,必须是到目前为止公认比较成熟和可靠的。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表盘,同时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,对称量结果进行补偿。
  ⑶ 高炉本体、无料钟炉顶及粗煤气系统
  高炉本体检测项目主要有: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,热风炉冷风阀前后差压及烟道阀前后差压,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。空气预热器前后烟气温度,压力及空气温度。前置预热器前后烟气温度、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。
燃烧过程可根据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的出口支管,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。除尘风机运行参数和报警等。
  以高炉布料为例:高炉冶炼过程是连续的,炉内有压力且产生大量煤气,整个过程是和大气隔绝的。在隔绝的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。
  目前普遍使用的无料钟炉顶如图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。通常都采用料流调节阀加布料溜槽的控制方式,来确保矿石、焦炭在炉内的精确布料。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的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。再承接第⑵步,如此周而复始。
  利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

  高炉炉料经过矿槽配料工艺后,先进入到炉顶上料斗和下料斗,在高炉接到布料指令后,其下料斗的料流调节阀首先要按工艺要求开启到给定的开度(即γ角),炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上,布料溜槽也按工艺要求升到一定的倾动角度(即α角),同时,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的布到高炉的料面上了。

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,就能把炉料按任意的形式布到炉内。高炉布料方式一般有环形布料、扇形布料、螺旋形布料和定点布料等几种,最多使用的还是环形布料,即一批料以不同的倾动角度布到炉内,形成以高炉中心为圆心的数个圆环,使炉料均匀的布在炉内。如果在冶炼过程中出现炉内料面不均匀的情况,则可以利用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长根据炉况需要,为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等等原因,也需要采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状态。

  在布料控制过程中下料斗调节阀开度(即γ角的控制)是至关重要的,只有精确控制好γ角,才能有效地控制好下料流量,进而更准确的控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。

  由炉顶料流调节阀的实际开度返回值(采用自整角机或光电编码器检测转换成实际角度),并接收炉顶控制系统发出的γ角开度大小和动作指令。经分析处理后转换成4~20mA的电信号控制直流驱动装置。为了使系统既有较快速响应特性,又能达到较理想的准确度,采用PID调节和逻辑控制相结合的方法。其程序流程如图7所示。

  PLC控制系统首先检测γ角的给定值和实际返回值,并计算出它们的差值δ, 当δ值大于某个角度(比如2度)时,给定直流驱动装置以较大的步长,使系统快速反应;当δ值小于某个角度、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值的减小,控制系统给定的调节幅度也按比例减小,直至为零。

  PID调节的各项参数(比例、微分、积分系数,延时时间,偏移量等)必须反复调试才能达到最好效果,确保较高的控制精度。

  高炉冷风阀自动调节和炉顶压力自动调节,可根据用户的需求酌情采用。
4. 开关量报警
  电机在运行过程中备妥消失,或在启动以后没有及时得到运行应答信号,或在运行过程中有过电流,或出现综合故障时,系统就会发出报警。一旦检查到开关量报警,屏幕上相应的目标变成红色闪动且有声响。如报警目标不在当前画面上,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标。对其进行操作即可确认此报警,确认后红色不闪,声响消失,目标的红色一直要保持到报警状态完全解除后才能消失。
  在开关量报警列表中,计算机自动记录报警的目标名称,报警产生时间、确认时间、解除时间等,分别以不同的颜色来表示。
5. 模拟量报警
  在系统主工艺画面和各个分图中可以动态实时显示模拟量数值。此值在正常时以绿色显示;超出设定上下限,且系统正处于正常运行状态,就会出现模拟量报警,此时数值成红色闪动和发出声响,并在屏幕顶端出现报警窗口,提示模拟量名称、报警的发生时间、越限值和确认按钮。经确认后报警窗口消失。模拟量报警列表与开关量报警列表相同。
  6. 实时趋势
  实时数据显示包括实时曲线、棒形图、电气表图三个子功能按钮。按下某功能按钮,可分别进入不同的图形显示。实时曲线窗口画面分四个小显示窗口,能同时显示四条实时曲线。按下设置按钮后屏幕上弹出一个选择窗口,列出可供选择的各个模拟量。
  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,分别显示四幅不同的历史曲线。在选择显示或打印之前,历史曲线的日期、起始时间、时间间隔都能进行设定,并能实现曲线的左右移动。
  8. 报表打印
  在系统菜单选择报表打印,就可进入报表打印功能。屏幕先显示当前时刻的生产班报表,右下角有报表选择按钮。报表打印设有定时打印和即时打印两种方式。在选择打印功能后打印机自动通电。
  9. 系统维护
  选择主菜单中的系统维护,即弹出系统维护功能子菜单,对能改变系统运行状况的维护功能,必须从键盘输入密码才能进入。各选项如下:
  系统单步调试:用于设置系统成单步调试状态。
  系统操作记录:记录上位机的权限转换、状态变化及运行操作。可详细记录当班人员的每一步操作,包括组操作、开停机,对报警的响应和调用的其它功能。可翻动查阅500个记录,500个以前的操作均记录在硬盘上,最多可记录一个星期或更长的时间。
  系统打印设置:用于设置系统的生产班报表、生产日报表、生产月报表的定时打印和即时打印。设置按钮前有一指示灯,表示当前打印状态。
  系统健康图:用于显示下位机各模块的运行状况。当下位机某一模块发生运行故障时,该图中所对应的模块就闪红报警,直到故障排除为止。

图8 PLC系统健康图

  开关量和模拟量控制条件表:分页显示系统开关量和模拟量控制条件表。表中详细列出设备名称、PLC接点位号、以及机柜内来去的端子号,表位号和量程,以及系统配电图等。维修人员无须再去查阅图纸,就能掌握现场信号的来龙去脉,一目了然,十分方便。模拟量控制条件表中的报警上下限参数,还可通过键盘修改。
  班工作时间设置:可通过键盘或跟踪球设置早、中、晚三班的起始时间,各个班按八小时间隔自动分配。
系统时间校正:可通过键盘或跟踪球校正系统时钟的时、分、秒。
  系统密码设置:用于设置系统的各级密码。
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