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王盼盼（1983－）
女，山東菏澤人，碩士，主要從事工業(yè)控制及自動(dòng)化方面的研究工作。




摘要：通過(guò)對(duì)高爐冶煉工藝及上料系統(tǒng)工作過(guò)程，為某鋼鐵廠(chǎng)450m3高爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了上料控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了上料系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和靈活方便的工藝配方, 并完成了自動(dòng)上料、稱(chēng)重補(bǔ)償、參數(shù)設(shè)定、畫(huà)面顯示等功能。

關(guān)鍵詞：450m3高爐；上料系統(tǒng)；自動(dòng)控制

Abstract: Based on research of the blast furnace smelting technology and the working process on the feeding system, we designed and developed the blast furnace control system for one 450m3 blast furnace in a steelworks. The real-time monitoring is realized and the technological composition can be easily made. Some functions such as automatic feeding,weighing compensation, parameter setting , image display etc are also finished .

Key words: 450m3 blast furnace；feeding system；automatic control

    高爐上料裝置是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高其自動(dòng)化水平，可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)通過(guò)原料的精確配比，又可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。本文簡(jiǎn)要介紹了PLC系統(tǒng)在高爐上料自動(dòng)控制中的應(yīng)用。該系統(tǒng)用PLC完成所有的過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)節(jié)、事故處理及報(bào)警等工作。工控機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控和人機(jī)對(duì)話(huà)，PLC和工控機(jī)通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊,控制與監(jiān)控分開(kāi)，可靠性高。該系統(tǒng)于2008年1月在建源鋼鐵公司450m3高爐正式投入使用以來(lái),運(yùn)行良好，穩(wěn)定可靠,以低成本、完善的功能贏得了高爐操作人員的好評(píng)。

1  工藝流程

    高爐上料系統(tǒng)是指從槽下供料到爐頂?shù)脑O(shè)備將物料（燒結(jié)礦、焦炭等）裝入爐內(nèi)的全過(guò)程。該系統(tǒng)有4個(gè)雜礦倉(cāng)、4個(gè)球團(tuán)礦倉(cāng)和6個(gè)燒結(jié)礦倉(cāng)，燒結(jié)礦倉(cāng)、球團(tuán)礦倉(cāng)經(jīng)振動(dòng)篩，雜礦倉(cāng)經(jīng)給料機(jī)后，按配料料單規(guī)定送稱(chēng)量料斗稱(chēng)量以后放料，由相應(yīng)的皮帶送到地坑稱(chēng)量漏斗。1#-4#四個(gè)焦炭倉(cāng)下各有一臺(tái)振動(dòng)篩，焦炭沒(méi)有中間稱(chēng)量漏斗，經(jīng)振動(dòng)篩直接送地坑的焦炭稱(chēng)量漏斗。地坑有左焦、左礦、右焦、右礦4個(gè)稱(chēng)量斗。料車(chē)到料坑后，坑斗把料放入料車(chē)，坑斗閘門(mén)關(guān)到位并且爐頂備好后，料車(chē)啟動(dòng)。兩臺(tái)料車(chē)按生產(chǎn)要求將槽下各種物料，由料車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升到爐頂。經(jīng)爐頂受料斗閥、上密封閥、節(jié)流調(diào)節(jié)閥、下密封閥，再經(jīng)布料槽將物料均勻地布到爐內(nèi)。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及儀表設(shè)備

    由于該450m3高爐基礎(chǔ)自動(dòng)化部分含有13個(gè)模擬量輸入，115個(gè)數(shù)字量輸入和72個(gè)數(shù)字量輸出，且為了滿(mǎn)足生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備控制及工藝參數(shù)的采集，系統(tǒng)擬采用西門(mén)子公司的S7-400主機(jī)架、S7-300卡件 和PLC系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和監(jiān)視。同時(shí)選擇西門(mén)子的Wincc組態(tài)軟件作為上位機(jī)的監(jiān)控軟件。

    PLC由一個(gè)中央機(jī)架帶I/O擴(kuò)展機(jī)架和相應(yīng)模板（PS、CPU、CP、DI、DO、AI、AO）組成，控制相應(yīng)系統(tǒng)。

    原料系統(tǒng)的各個(gè)礦石漏斗及坑斗和焦碳坑斗分別設(shè)有稱(chēng)量裝置。信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

    上料系統(tǒng)采用2臺(tái)西門(mén)子矢量變頻器進(jìn)行控制[1]，采用兩套變頻裝置供電，變頻器一用一備；

    料車(chē)卷?yè)P(yáng)電機(jī)軸上設(shè)有測(cè)速發(fā)電機(jī)一臺(tái)，旋轉(zhuǎn)編碼器一臺(tái)，主令控制臺(tái)一個(gè)。

    探尺電機(jī)采用西門(mén)子直流全數(shù)字調(diào)速裝置進(jìn)行控制。探尺位置由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)，由PLC進(jìn)行連鎖及手動(dòng)控制。

    爐頂布料器采用西門(mén)子變頻控制，由PLC根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)單環(huán)和多環(huán)布料控制。

3  高爐上料生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 配料計(jì)算

    冶煉一噸生鐵，需要一定數(shù)量的礦石、溶劑和燃料（焦炭及噴吹燃料）[2]。對(duì)于煉鐵現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，燃料的用量是預(yù)先確定的，是已知的量，各種礦和焦炭的重量系數(shù)是可變且可以設(shè)定的。配料計(jì)算的主要任務(wù)，就是求出在滿(mǎn)足爐渣堿度要求的條件下冶煉規(guī)定成分的生鐵所需要的礦石、溶劑數(shù)量。

    配料的算法程序?yàn)椋?SPAN lang=EN-US>

    d5=d1/d2*d3*d4;//(*生鐵的SiO2重量系數(shù),中間計(jì)算結(jié)果*)

    cokedry=coke-coke*c1;//(*干燥焦炭的重量,中間計(jì)算結(jié)果*)

    cokeoxid=cokedry*c2;//(*干燥焦炭的灰分重量,中間計(jì)算結(jié)果*)

    cokecao=cokeoxid*c3;//(*干燥焦炭灰分的CaO重量,中間計(jì)算結(jié)果*)

    cokesio2=cokeoxid*c4;//(*干燥焦炭灰分的SiO2重量,中間計(jì)算結(jié)果*)

    n1=((b3-b1*d5)*oresum+cokesio2)*r2-cokecao;//(*燒結(jié)礦重量計(jì)算值的分子部分,考慮二元堿度的計(jì)算結(jié)果*)

    n2=(b3-a3+(a1-b1)*d5)*r2+a2;//(*燒結(jié)礦重量計(jì)算值的分子部分,考慮二元堿度的計(jì)算結(jié)果*)

    x=n1/n2;//(*燒結(jié)礦重量計(jì)算值，kg,考慮二元堿度的計(jì)算結(jié)果*)

    y=oresum-x;//(*球團(tuán)礦重量計(jì)算值，kg,考慮二元堿度的計(jì)算結(jié)果*)

    m1=x*(a2+a4)+cokecao;//(*三元堿度的校核計(jì)算的分子部分,中間計(jì)算結(jié)果,熔渣的堿性*)

    m2=x*(a3-a1*d5)+y*(b3-b1*d5)+cokesio2;//(*三元堿度的校核計(jì)算的分子部分,中間計(jì)算結(jié)果,熔渣的酸性*)

    r3=m1/m2;//(*三元堿度的校核計(jì)算結(jié)果*)

    算法中：

    a1、a2、a3 、a4分別為：燒結(jié)礦中Fe、CaO、SiO2、MgO的重量系數(shù)，小數(shù)；

    coke： 含水焦炭的重量,設(shè)定值,kg；c1： 含水焦炭的水分重量系數(shù),小數(shù)；c2：干燥焦炭的灰分重量系數(shù),小數(shù)；c3、c4分別為：干燥焦炭灰分的CaO、SiO2重量系數(shù),小數(shù)；

    d1：生鐵的回收率系數(shù),小數(shù)；d2、d3分別為：生鐵的Fe、Si的重量系數(shù)，小數(shù)；d4： 生鐵的SiO2與Si轉(zhuǎn)換系數(shù)；r2： 熔渣的二元堿度；sum： 礦石總重量,設(shè)定值,kg；

3.2 槽下配料矩陣

    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)配料矩陣周期循環(huán)最多36車(chē)，適合異常情況下的特殊矩陣沒(méi)定，并且操作簡(jiǎn)單明了，可在線(xiàn)設(shè)定修改。

    配料矩陣設(shè)定用配料代號(hào)表示礦或焦，東、西礦各有4個(gè)代號(hào)對(duì)應(yīng)4種配料方式，東、西焦則分別有2個(gè)代號(hào)對(duì)應(yīng)。布料代碼代表爐頂布料方式，用1，2，3，4，確定不同料的布料傾角、圈數(shù)和料流閥開(kāi)度，布料代碼與爐頂布料矩陣相聯(lián)系周期標(biāo)記用來(lái)確定料批是否結(jié)束或配料循環(huán)是否結(jié)束，66為罐標(biāo)記，88為越位，99為批標(biāo)記，100為返回，0代表走空車(chē)。每批料由一批礦或一批焦組成，每上完一車(chē)料，配料車(chē)次指針加1，一周期所有車(chē)次結(jié)束時(shí)，周期指針自動(dòng)回到1。配料矩陣允許操作員在線(xiàn)設(shè)定修改，在任何位置均可加“附加焦”，不打亂周期程序。

3.3 稱(chēng)量自動(dòng)化控制系統(tǒng)

    焦炭部分控制過(guò)程為：按周期設(shè)定自動(dòng)選倉(cāng)，在具備上料的條件下(坑斗為空，閘門(mén)關(guān)到位)，自動(dòng)啟動(dòng)振動(dòng)篩對(duì)焦坑斗受料。達(dá)到設(shè)定重量的控制值時(shí)停止，延時(shí)稱(chēng)量完畢等待放料。碎焦則經(jīng)返1#碎焦皮帶運(yùn)到碎焦倉(cāng)。

    礦石部分則以燒結(jié)礦簡(jiǎn)述其控制過(guò)程：選取某燒結(jié)礦槽后在具備上料的條件下(漏斗為空，閘門(mén)關(guān)到位)，開(kāi)動(dòng)振動(dòng)篩把燒結(jié)礦卸入稱(chēng)量漏斗，當(dāng)重量達(dá)到控制值時(shí)，停止振動(dòng)篩，延時(shí)稱(chēng)重完畢。通常除空置和檢修某個(gè)料槽外，各礦槽都是裝滿(mǎn)稱(chēng)重完畢的爐料待機(jī)卸料的[2]。放料時(shí)打開(kāi)漏斗閘門(mén)，礦石落入1＃礦皮帶或2＃礦皮帶。當(dāng)漏斗重量降到料空值時(shí)認(rèn)為放料完畢，關(guān)閉閘門(mén)。皮帶把礦石裝入1＃礦石坑斗或2＃礦石坑斗。燒結(jié)礦經(jīng)振動(dòng)篩篩分后，篩下碎礦則經(jīng)返碎礦皮帶運(yùn)到返礦倉(cāng)。

    另外，輸送皮帶、振動(dòng)篩和稱(chēng)量斗等設(shè)備由于機(jī)械慣性和滯后的原因會(huì)引起高爐上料量的誤差。因此，PLC的編程過(guò)程中，加入了稱(chēng)量補(bǔ)償部分及余振量自動(dòng)跟蹤功能。補(bǔ)償算法為：

    （1）入爐量＝料滿(mǎn)值－料空值

    （2）誤差＝設(shè)定值－入爐量

    （3）下次設(shè)定值＝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值－誤差

    （4）本次提前量＝滿(mǎn)值－本次控制值

    （5）下次提前量＝上次提前量×系數(shù)＋（1－系數(shù)）×本次提前量

    （6）下次控制值＝下次設(shè)定值＋料空值－下次提前量

    公式(5)中的系數(shù)：若振動(dòng)篩的慣性大系數(shù)可選0.6一0.8；若振動(dòng)篩慣性小，系數(shù)可選用0.1~0.3[1]。如果外部設(shè)備都運(yùn)行正常(閘門(mén)、振動(dòng)篩等)，按以上公式進(jìn)行補(bǔ)正，稱(chēng)量誤差小于1%，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.4 卷?yè)P(yáng)及爐頂自動(dòng)化

    主卷?yè)P(yáng)機(jī)由兩臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，根據(jù)料批程序自動(dòng)控制；設(shè)備安全聯(lián)鎖控制，料車(chē)到料坑底發(fā)出到位信號(hào)，開(kāi)始一個(gè)中間倉(cāng)選倉(cāng)自動(dòng)過(guò)程后，料斗閘門(mén)打開(kāi)，當(dāng)料空且閘門(mén)關(guān)好后，發(fā)出上行信號(hào)；當(dāng)每批料中第一車(chē)料到達(dá)上密封閥檢查點(diǎn)時(shí)，檢查上密是否關(guān)好，若未關(guān)好，料車(chē)停止，條件滿(mǎn)足后，繼續(xù)上行，將料裝入受料斗；當(dāng)料滿(mǎn)且滿(mǎn)足條件后，打開(kāi)放散閥卸壓，通過(guò)受料斗閘門(mén)及上密封閥向料罐裝料，裝料完畢，關(guān)閉料斗閥、上密封閥及放散閥，探尺探料降至規(guī)定料線(xiàn)深度提探尺，提尺同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)均壓閥向下罐均壓，布料器傾動(dòng)到位，打開(kāi)下密封閥，在溜槽到達(dá)步進(jìn)角位置時(shí)打開(kāi)料流調(diào)節(jié)閥，用其開(kāi)度大小來(lái)控制料流速度，爐料由布料溜槽布入爐內(nèi)。布料溜槽每布一批料，其起始角均較前批料的起始角步進(jìn)60°或120°。此過(guò)程的工藝流程如圖1所示。

 
                                         圖1   程序流程圖

4  上料監(jiān)控主畫(huà)面

畫(huà)面主要監(jiān)控高爐上料全自動(dòng)控制過(guò)程狀態(tài)。主要顯示高爐上料時(shí)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，例如:東/西礦稱(chēng)量值、東/西焦炭稱(chēng)量值、東/西礦皮帶狀態(tài)、東/西返礦皮帶狀態(tài)、東/西焦碎焦皮帶狀態(tài)、振動(dòng)篩狀態(tài)、稱(chēng)量斗空/滿(mǎn)狀態(tài)等;顯示批次及車(chē)次、料車(chē)位置大/小鐘狀態(tài)、均壓閥和放散閥狀態(tài)等;顯示各種報(bào)警信息，例如缺料報(bào)警、超料報(bào)警、存料報(bào)警、電子秤報(bào)警、皮帶報(bào)警、閘門(mén)報(bào)警、料車(chē)報(bào)警、以便能指導(dǎo)操作人員順利操作。

有三種操作方式：

HMI自動(dòng)操作方式：此種方式是當(dāng)操作控制條件和工藝及設(shè)備連鎖條件成立時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)的完成一個(gè)工藝過(guò)程的控制（或動(dòng)作）的控制操作方式。

HMI手動(dòng)操作方式：此種方式是當(dāng)操作控制條件和工藝及設(shè)備連鎖條件成立時(shí)，人工依照工藝順序分別對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種操作的單機(jī)控制操作方式。

機(jī)旁手動(dòng)操作方式：此種操作方式是僅有單機(jī)設(shè)備自身最基本的安全連鎖而無(wú)其它連鎖，在機(jī)旁進(jìn)行操作，這種方式主要用于檢修和調(diào)試各系統(tǒng)的控制設(shè)備及儀表檢測(cè)項(xiàng)目。 

         
         
                                       圖２   上料監(jiān)控主畫(huà)面

5  結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新一代電儀一體化、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)及人機(jī)操作接口一體化；在建源450m3 高爐卷?yè)P(yáng)上料系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備維護(hù)量小。滿(mǎn)足了高爐的各種工藝控制要求，保證了高爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
　　

參考文獻(xiàn)：

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