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［編輯簡介］：結(jié)合秦皇島百工鋼鐵有限公司680M3高爐電氣自動化儀表控制系統(tǒng)的現(xiàn)場實際情況，重點闡述了億維UN200和UN300系列PLC擴展模塊合理應(yīng)用于上料系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、高爐上料配電系統(tǒng)、本體儀表檢測系統(tǒng)、鼓風(fēng)機房系統(tǒng)、水泵站系統(tǒng)及畫面監(jiān)視、軟件功能等系統(tǒng)中成功案例。本文將主要介紹上料PLC主站、本體PLC主站、熱風(fēng)PLC主站、布袋PLC主站等四套PLC系統(tǒng)組成設(shè)計方案。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計思想
根據(jù)高爐工藝，采用合理的方式，以低成本高性能的總體思想進行設(shè)計。自動化系統(tǒng)采用三電一體化開放式結(jié)構(gòu)，為今后系統(tǒng)的擴展創(chuàng)造條件，留有區(qū)域級計算機及全廠管理計算機的接口能力。
根據(jù)高爐系統(tǒng)分散的特點，采用主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：分站通過網(wǎng)線再連接至主站系統(tǒng)，減少電纜用量、方便維護，使成本大大降低。如億維的IM153-1就可作為單個從站，可在高爐設(shè)備就近配電室安裝。布袋反吹采用矩陣的方式進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，采用的模塊點數(shù)成倍減少。
系統(tǒng)采用億維PLC作為基礎(chǔ)控制站，完成對現(xiàn)場工藝設(shè)備的控制及監(jiān)測；上位操作采用億維工控機作為操作站，進行人機對話，對現(xiàn)場設(shè)備運行情況及各種儀表參數(shù)進行實時監(jiān)視。系統(tǒng)在正常生產(chǎn)情況下以全自動為主，各上位機互為備用，在設(shè)計上充分考慮上位機自動、手動和機旁箱手動，以保證在各種情況下生產(chǎn)的正常運行。
自動化裝置的選用原則上采用目前檢測水平的新技術(shù)、新設(shè)備，同時考慮控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單、實用、性能可靠，充分滿足工藝要求。確保產(chǎn)品質(zhì)量并保證系統(tǒng)整體滿足工藝要求和性能的情況下減少投資。
二、系統(tǒng)配置
本系統(tǒng)完全為高爐操作提供服務(wù)，使被控設(shè)備能在主控樓的計算機上方便的進行集中操作，并對這些設(shè)備的運行情況做如實的記錄
1、自動監(jiān)控系統(tǒng):
1.1 采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
上位機采用工業(yè)以太網(wǎng)，充分滿足上位機之間數(shù)據(jù)傳輸量大的要求；PLC與遠程站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，以滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)框圖如圖一所示：
圖一
主要有六臺工控機作為操作站，分別為熱風(fēng)、布袋、工長操爐、本體儀表、礦槽上料、爐頂設(shè)備組成，可互為備用。
PLC有四套siemens 400系列主PLC系統(tǒng)組成，上料PLC主站、本體PLC主站、熱風(fēng)PLC主站、布袋PLC主站，下設(shè)各自的擴展模塊完成系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集。經(jīng)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與操作站之間完 成數(shù)據(jù)交換。
1.2軟硬件設(shè)備組成
☆ PLC選用億維200+300組成的高性能低成本模塊結(jié)構(gòu)。
☆ 計算機操作臺：不銹鋼面操作臺
☆ 編程軟件選用STEP7 V5.4,組態(tài)軟件選用我WINCC 6.0 SP3
三、熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)
本高爐配有三座熱風(fēng)爐，主要負責燃燒、蓄熱、給冷風(fēng)加熱，并將熱風(fēng)送進高爐。由于一座熱風(fēng)爐是間斷的熱交換，而高爐需要連續(xù)的熱風(fēng)，所以三座熱風(fēng)爐按周期性工作，包括燃燒、悶爐、送風(fēng)三個過程。
熱風(fēng)爐順控系統(tǒng)設(shè)有以下幾種操作方式：全自動、半自動方式、CRT手動方式、機旁箱操作
熱風(fēng)爐工作狀態(tài)介紹
一個熱風(fēng)爐可在“送風(fēng)”向“悶爐”至“燃燒”狀態(tài)，也可從“燃燒”向“悶爐”至 “ 送風(fēng)”轉(zhuǎn)換。
“送風(fēng)”指的是熱風(fēng)爐被充壓，且冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥兩者均被打開，所有其它的閥門均關(guān)閉（不包括混風(fēng)切斷閥和換熱器各閥門）。
“燃燒”指的是熱風(fēng)爐被減壓，冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥和冷風(fēng)充風(fēng)閥關(guān)閉，廢氣均壓閥打開，助燃空氣和煤氣引入熱風(fēng)爐。
“悶爐”指的是熱風(fēng)爐所有閥門均關(guān)閉，但壓力控制仍在工作，預(yù)備著一個熱風(fēng)爐隨時變?yōu)槌鋲夯蚓鶋籂顟B(tài)。
熱風(fēng)爐工作制度：
正常情況下熱風(fēng)爐采用并聯(lián)送風(fēng)，或二燒一送工作制，非正常操作為一燒一送工作制。
每座熱風(fēng)爐可以在“燜爐”、“送風(fēng)”、“燃燒”三種狀態(tài)之間自動轉(zhuǎn)換，各閥開關(guān)受PLC程序控制，發(fā)出換爐指令后，熱風(fēng)爐設(shè)備按工藝要求順序進行有關(guān)聯(lián)鎖動作。
四、高爐煤氣干式凈化控制系統(tǒng)
高爐煤氣除塵設(shè)施是高爐的配套設(shè)施，其目的是凈化高爐煤氣，提高煤氣質(zhì)量。高爐煤氣經(jīng)重力除塵器除塵后，進入布袋主箱體下部，煤氣穿過布袋時其所攜帶的灰塵被布袋截留，進行過濾凈化后的煤氣經(jīng)高壓閥組輸送給熱風(fēng)爐或煤氣管網(wǎng)供用戶使用。布袋除塵過濾后的塵灰由脈沖閥沖掃，落至儲灰倉；打開卸灰閥，由刮板機輸出，用斗提機送入高位灰倉。
1、本套設(shè)施共設(shè)計了三種反吹方式，時間反吹（設(shè)定時間到）、壓力反吹（壓差高于設(shè)定值）、手動反吹。
2、除塵系統(tǒng)包括反吹和卸灰兩個控制流程，均能單獨實現(xiàn)手動、半自動和自動三種控制方式：
反吹自動方式為：差壓反吹、定時反吹。差壓反吹即當箱體差壓高于設(shè)定差壓值（3KPA）時開始自動反吹；定時反吹即當計時時間達到設(shè)定的反吹時間后開始自動反吹。
2.1當荒凈煤氣總管壓差達到6～8Kpa（可設(shè)定）進行反吹。同時有定時反吹選擇，通過設(shè)定的同期來對布袋進行反吹。
2.2 箱體單體反吹時間為10-20秒（可調(diào)），反吹順序為N1、N2、N3......N10，氣包上的噴吹管同樣為順序動作n1、n2、n3.....n14待10個箱體全部反吹完畢，反吹過程結(jié)束。
2.3 箱體反吹采取離線反吹。當凈荒煤氣總壓差達到設(shè)定值6Kpa時，首先關(guān)閉正在工作箱體的進、出口蝶閥，然后進行反吹。反吹后立即打開進出品蝶閥，再進行下一箱體的反吹，依次類推。
2.4 每個布袋每次反吹抖動次數(shù)為2次（可調(diào)）
2.5卸灰自動操作為：定時卸灰。對卸灰時間進行設(shè)定，到設(shè)定時間后自動啟動卸灰斗提機、掛板機、按工藝要求依次打開被選擇卸灰箱體上的設(shè)備（上卸灰閥、下卸灰閥、葉輪給料機、灰斗清堵裝置脈沖閥），一般設(shè)定3次/24時，自動完成卸灰操作。
中間倉下部設(shè)備動作順序：
當N1箱體上部卸灰作業(yè)完成后，開始中間倉卸灰作業(yè)：首先開啟公共設(shè)備,即：斜管振動器→斗提機→刮板輸送機。完成后開啟：N1箱體電動給料機→N1箱體下部電動球閥→N1箱體中間倉的倉壁振動器。延時30秒后，關(guān)閉中間倉下部設(shè)備。
①順序為：關(guān)中間倉的倉壁振動器→N1箱體下部電動球閥→電動給料機。
完成N1箱體下部卸灰后，開始N2箱體下部卸灰，動作同N1箱體。之后依次為N3箱體、N4箱體、N5箱體……N8箱體。
當N10箱體下部卸灰完成后，關(guān)閉公共設(shè)備，其順序為：
刮板輸送機→斗提機→斜管振動器。
②高位灰倉下部設(shè)備動作順序 此部分均為機旁操作,其它設(shè)備均為PLC控制。：
開啟：加濕卸灰機→電動球閥→倉壁振動器
關(guān)閉：倉壁振動器→電動球閥→加濕卸灰機
五、高爐上料系統(tǒng)
高爐上料部分有礦槽稱量和爐頂兩大部分，通過料車將兩部分聯(lián)系在一起，礦槽、料車和爐頂設(shè)備按照工藝設(shè)定協(xié)調(diào)動作，完成上料功能。
各種料質(zhì)經(jīng)振篩篩分后直接裝入稱量斗，然后有稱量斗裝入料車，篩下的粉礦經(jīng)碎礦皮帶運至粉倉，等待汽車外運。料車由主卷揚機牽引將礦石運送到爐頂裝料設(shè)備，經(jīng)過2級變速到達停車位。各個倉中的料質(zhì)根據(jù)配方中的要求隨時變化，自動完成稱量到上料的操作。
1、設(shè)備組成
680 M3高爐設(shè)雙排儲槽，分別存放燒結(jié)礦、球團、焦炭、雜礦，其中4個焦炭槽，6個燒結(jié)槽，4個球團礦，4個雜礦，在槽下成對排列。爐頂有受料斗、擋料閥、上密封閥、下密封閥、料流閥、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾動機構(gòu)、料罐、均壓閥、均壓放散和爐頂大放散等設(shè)備組成。
2、上料周期控制制度，最常用的為以下兩種制度
二車值：OC或CO
四車值：OO CC 或CC OO
說明：O 代表燒結(jié)礦、球團礦、雜礦；C代表焦炭
幾種不同的裝料制度組合形成料批周期，連續(xù)循環(huán)上料，滿足高爐的連續(xù)生產(chǎn)要求。
3、控制要求：根據(jù)工藝要求，對礦槽、上料及爐頂設(shè)備系統(tǒng)的有關(guān)工藝參數(shù)進行顯示和控制，并對有關(guān)參數(shù)進行趨勢記錄。其中包括14臺電子稱的稱量記錄、料位測量及TRT與高爐和高爐與TRT的各種信號的控制與顯示。
水冷系統(tǒng)的溫度檢測：當溜槽齒輪箱進、出口溫差大于5℃時發(fā)出報警信號，提示有關(guān)人員檢查水流量和高爐爐頂溫度；當溫差大于50℃時立即檢查水冷系統(tǒng)。
料罐壓力與大氣壓之差小于20KPa時，發(fā)出聯(lián)鎖信號，有電力專業(yè)打開上密閥；當料罐壓力與爐頂壓力之差小于20KPa時，發(fā)出聯(lián)鎖信號，打開下密封閥。
氣密箱冷卻有氮氣流量調(diào)節(jié)閥控制開度，進行自動的PID調(diào)節(jié)。
六、高爐本體儀控系統(tǒng)
高爐自上而下由爐喉、爐身、爐腹、爐缸、爐基五大部分及相關(guān)的水系統(tǒng)組成。所有儀表點接入數(shù)據(jù)采集器，通過通訊傳至上位機。
高爐過程檢測和控制的主要任務(wù)為：采集溫度、壓力、流量等各種數(shù)據(jù)，對減壓閥組進行調(diào)節(jié)控制，能監(jiān)視爐內(nèi)反應(yīng)，對爐體及設(shè)備進行保護。
1.爐頂打水控制
煤氣上升管溫度過高時報警，開爐頂打水閥：溫度恢復(fù)正常時，關(guān)打水閥。
2.爐頂煤氣壓力控制
高爐爐頂煤氣壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)布袋除塵器后的減壓閥組開度來維持爐頂煤氣壓力的穩(wěn)定。
3.風(fēng)口檢漏及排水溫度的測量
為保護爐體安全，風(fēng)口破損檢漏是極為重要的檢測項目。測量風(fēng)口冷卻水進、出口流量差，測量風(fēng)口排水溫度，能檢測風(fēng)口是否完好。
七、畫面介紹
畫面系統(tǒng)是操作人員與控制系統(tǒng)的人機界面，操作人員通過畫面對設(shè)備進行操作、監(jiān)視設(shè)備的運行情況，及時做出相應(yīng)調(diào)整，畫面系統(tǒng)可以設(shè)定數(shù)據(jù)，改變運行方式，向操作人員顯示設(shè)備的正常狀態(tài)及報警信息等。
CRT畫面顯示主要內(nèi)容如下：
（1）系統(tǒng)畫面：熱風(fēng)、布袋、礦槽、爐頂、本體儀表、爐長操爐、爐頂儀表等
（2）控制設(shè)定畫面：配料、爐頂溜槽角度、料流開度參數(shù)設(shè)定
（3）故障監(jiān)視畫面：實時顯示故障信號提示操作人員進行相應(yīng)措施
（4）報警記錄：記錄各設(shè)備及儀表的故障報警
（5）報表記錄：對生產(chǎn)參數(shù)進行實時記錄
以下就主要畫面進行介紹
1、上料畫面：
包括整個卷楊及爐頂設(shè)備，其中主要有上料小車、左右探尺、柱塞閥、上密、下密、旋轉(zhuǎn)布料裝置、均壓閥、放散閥等。生產(chǎn)中可實現(xiàn)手動、自動隨時轉(zhuǎn)換，各種運行、故障有不同的顏色來顯示，特點1、小車拐點、卸料位等各減速點停車位可根據(jù)生產(chǎn)調(diào)節(jié)2、旋轉(zhuǎn)布料角度及速度可通過畫面直接設(shè)定，滿足生產(chǎn)工藝中的各種布料方式3、在檢修或新員工培訓(xùn)情況下還可以通過畫面各種數(shù)據(jù)的設(shè)定來進行模擬生產(chǎn)。
圖二
高爐爐頂儀表，對保證爐頂設(shè)備是否正常十分重要。
2、礦槽畫面
主要包括皮帶、料斗、振篩運行、停止、故障指示及操作。可以在此畫面提前設(shè)定各種料質(zhì)重量，根據(jù)爐長下的各種料批要求通過調(diào)整周期表來完成自動上料。也可通過機旁轉(zhuǎn)換開關(guān)使個別控制轉(zhuǎn)到現(xiàn)場操作，畫面中有手動(綠色)、自動(紫色)指示。另外還有周期表子畫面。
圖三
礦槽周期畫面，合理調(diào)節(jié)配方并自動生成配方。
生產(chǎn)報表記錄畫面，對生產(chǎn)成本實時掌握
3、熱風(fēng)爐畫面
此畫面中可實現(xiàn)助燃風(fēng)機、調(diào)壓閥組、助燃調(diào)節(jié)閥、混風(fēng)閥、冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥、放散閥、冷風(fēng)均壓閥、煤氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥、空氣切斷閥、煤氣切斷閥各種工藝閥門的操作并顯示儀表參數(shù)。能自動完成熱風(fēng)爐的各階段轉(zhuǎn)換達到自動送風(fēng)、燜爐 、燒爐。各種閥門在畫面中可實現(xiàn)點動操作，調(diào)節(jié)閥各通過輸入預(yù)定數(shù)值或點擊滾動條自動調(diào)節(jié)。
圖四
4、布袋除塵畫面
包括脈沖閥、上下卸灰閥、放散閥、上炮、下炮、輸灰機、斗提機、進出口蝶閥和進出口盲板閥，并顯示設(shè)備運行狀態(tài)、各儀表參數(shù)等。用鼠標點擊各閥們可自動彈出控制菜單，脈沖閥為動態(tài)顯示，可隨時發(fā)現(xiàn)因頻繁動作而損壞的電磁閥。脈沖時間及箱體選擇可根據(jù)要求設(shè)定。
在自動情況下自動完成吹掃，根據(jù)設(shè)定從1＃開始依次至8號箱體。如果某個箱體出現(xiàn)問題會自動跳過該箱體向下執(zhí)行。
圖五
5、工長操爐畫面，通過畫面參數(shù)合理調(diào)節(jié)爐況是高爐順產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵。
6、本體儀表畫面，高爐儀表是監(jiān)視高爐爐襯是否正常，主要包括水溫和壓力
八、結(jié)束語
高爐自動化控制系統(tǒng)的各個動作和狀態(tài)都由PLC控制，不僅能滿足各設(shè)備的集中控制方式、機旁控制方式 、兩地并用控制方式所需的大量按扭、開關(guān)、位置檢測點的要求；而且還能根據(jù)不同的工藝要求，選用合理的配置方法：網(wǎng)絡(luò)的主從結(jié)構(gòu)、布袋反吹的矩陣結(jié)構(gòu)等；更可通過接口元器件與計算機組成PLC工業(yè)局域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。使高爐電氣自動化儀表控制系統(tǒng)能方便地嵌入到鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流水線中。
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