UniMAT PLC在高爐電氣自動化控制系統中的應用

結合秦皇島百工鋼鐵有限公司680M3高爐電氣自動化儀錶控制系統的現場實際情況，重點闡述了億維UN200和UN300系列PLC擴展模塊合理應用於上料系統、熱風爐系統、布袋除塵系統、高爐上料配電系統、本體儀錶檢測系統、鼓風機房系統、水泵站系統及畫面監視、軟體功能等系統中成功案例。本文將主要介紹上料PLC主站、本體PLC主站、熱風PLC主站、布袋PLC主站等四套PLC系統組成設計方案。
一、系統總體設計思想
根據高爐工藝，採用合理的方式，以低成本高性能的總體思想進行設計。自動化系統採用三電一體化開放式結構，為今後系統的擴展創造條件，留有區域級計算機及全廠管理計算機的介面能力。
根據高爐系統分散的特點，採用主從網路結構：分站通過網線再連接至主站系統，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，可在高爐設備就近配電室安裝。布袋反吹採用矩陣的方式進行設計，結構簡單，採用的模塊點數成倍減少。
系統採用億維PLC作為基礎控制站，完成對現場工藝設備的控制及監測；上位操作採用億維工控機作為操作站，進行人機對話，對現場設備運行情況及各種儀錶參數進行實時監視。系統在正常生產情況下以全自動為主，各上位機互為備用，在設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的正常運行。
自動化裝置的選用原則上採用目前檢測水平的新技術、新設備，同時考慮控制系統的構成簡單、實用、性能可靠，充分滿足工藝要求。確保產品質量並保證系統整體滿足工藝要求和性能的情況下減少投資。
二、系統配置
本系統完全為高爐操作提供服務，使被控設備能在主控樓的計算機上方便的進行集中操作，並對這些設備的運行情況做如實的記錄
1、自動監控系統:
1.1採用的網路結構
上位機採用工業乙太網，充分滿足上位機之間數據傳輸量大的要求；PLC與遠程站之間採用PROFIBUS-DP現場匯流排，以滿足現場數據傳輸的實時性和可靠性；網路框圖如圖一所示：

圖一主要有六台工控機作為操作站，分別為熱風、布袋、工長操爐、本體儀錶、礦槽上料、爐頂設備組成，可互為備用。PLC有四套siemens400系列主PLC系統組成，上料PLC主站、本體PLC主站、熱風PLC主站、布袋PLC主站，下設各自的擴展模塊完成系統的控制和數據採集。經PROFIBUS-DP網路與操作站之間完成數據交換。
1.2軟硬體設備組成
☆PLC選用億維200+300組成的高性能低成本模塊結構。
☆計算機操作台：不鏽鋼面操作台
☆編程軟體選用STEP7V5.4,組態軟體選用我WINCC6.0SP3
三、熱風爐控制系統
本高爐配有三座熱風爐，主要負責燃燒、蓄熱、給冷風加熱，並將熱風送進高爐。由於一座熱風爐是間斷的熱交換，而高爐需要連續的熱風，所以三座熱風爐按周期性工作，包括燃燒、悶爐、送風三個過程。
熱風爐順控系統設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
熱風爐工作狀態介紹
一個熱風爐可在「送風」向「悶爐」至「燃燒」狀態，也可從「燃燒」向「悶爐」至「送風」轉換。
「送風」指的是熱風爐被充壓，且冷風閥和熱風閥兩者均被打開，所有其它的閥門均關閉（不包括混風切斷閥和換熱器各閥門）。
「燃燒」指的是熱風爐被減壓，冷風閥、熱風閥和冷風充風閥關閉，廢氣均壓閥打開，助燃空氣和煤氣引入熱風爐。
「悶爐」指的是熱風爐所有閥門均關閉，但壓力控制仍在工作，預備著一個熱風爐隨時變為充壓或均壓狀態。
熱風爐工作制度：
正常情況下熱風爐採用並聯送風，或二燒一送工作制，非正常操作為一燒一送工作制。
每座熱風爐可以在「燜爐」、「送風」、「燃燒」三種狀態之間自動轉換，各閥開關受PLC程序控制，發出換爐指令后，熱風爐設備按工藝要求順序進行有關聯鎖動作。
四、高爐煤氣乾式凈化控制系統
高爐煤氣除塵設施是高爐的配套設施，其目的是凈化高爐煤氣，提高煤氣質量。高爐煤氣經重力除塵器除塵后，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高壓閥組輸送給熱風爐或煤氣管網供用戶使用。布袋除塵過濾后的塵灰由脈衝閥沖掃，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、本套設施共設計了三種反吹方式，時間反吹（設定時間到）、壓力反吹（壓差高於設定值）、手動反吹。
2、除塵系統包括反吹和卸灰兩個控制流程，均能單獨實現手動、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於設定差壓值（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（可設定）進行反吹。同時有定時反吹選擇，通過設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），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，反吹過程結束。
2.3箱體反吹採取離線反吹。當凈荒煤氣總壓差達到設定值6Kpa時，首先關閉正在工作箱體的進、出口蝶閥，然後進行反吹。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為2次（可調）
2.5卸灰自動操作為：定時卸灰。對卸灰時間進行設定，到設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備（上卸灰閥、下卸灰閥、葉輪給料機、灰斗清堵裝置脈衝閥），一般設定3次/24時，自動完成卸灰操作。
中間倉下部設備動作順序：
當N1箱體上部卸灰作業完成後，開始中間倉卸灰作業：首先開啟公共設備,即：斜管振動器→斗提機→刮板輸送機。完成後開啟：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，關閉中間倉下部設備。
①順序為：關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。之後依次為N3箱體、N4箱體、N5箱體……N8箱體。
當N10箱體下部卸灰完成後，關閉公共設備，其順序為：
刮板輸送機→斗提機→斜管振動器。
②高位灰倉下部設備動作順序此部分均為機旁操作,其它設備均為PLC控制：
開啟：加濕卸灰機→電動球閥→倉壁振動器
關閉：倉壁振動器→電動球閥→加濕卸灰機
五、高爐上料系統
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繫在一起，礦槽、料車和爐頂設備按照工藝設定協調動作，完成上料功能。
各種料質經振篩篩分后直接裝入稱量斗，然後有稱量斗裝入料車，篩下的粉礦經碎礦皮帶運至粉倉，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備，經過2級變速到達停車位。各個倉中的料質根據配方中的要求隨時變化，自動完成稱量到上料的操作。
1、設備組成
680M3高爐設雙排儲槽，分別存放燒結礦、球團、焦炭、雜礦，其中4個焦炭槽，6個燒結槽，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、旋轉機構、傾動機構、料罐、均壓閥、均壓放散和爐頂大放散等設備組成。
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：OOCC或CCOO
說明：O代表燒結礦、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，連續循環上料，滿足高爐的連續生產要求。
3、控制要求：根據工藝要求，對礦槽、上料及爐頂設備系統的有關工藝參數進行顯示和控制，並對有關參數進行趨勢記錄。其中包括14台電子稱的稱量記錄、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。
水冷系統的溫度檢測：當溜槽齒輪箱進、出口溫差大於5℃時發出報警信號，提示有關人員檢查水流量和高爐爐頂溫度；當溫差大於50℃時立即檢查水冷系統。
料罐壓力與大氣壓之差小於20KPa時，發出聯鎖信號，有電力專業打開上密閥；當料罐壓力與爐頂壓力之差小於20KPa時，發出聯鎖信號，打開下密封閥。
氣密箱冷卻有氮氣流量調節閥控制開度，進行自動的PID調節。
六、高爐本體儀控系統
高爐自上而下由爐喉、爐身、爐腹、爐缸、爐基五大部分及相關的水系統組成。所有儀錶點接入數據採集器，通過通訊傳至上位機。
高爐過程檢測和控制的主要任務為：採集溫度、壓力、流量等各種數據，對減壓閥組進行調節控制，能監視爐內反應，對爐體及設備進行保護。
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：溫度恢復正常時，關打水閥。
2.爐頂煤氣壓力控制
高爐爐頂煤氣壓力控制系統調節布袋除塵器后的減壓閥組開度來維持爐頂煤氣壓力的穩定。
3.風口檢漏及排水溫度的測量
為保護爐體安全，風口破損檢漏是極為重要的檢測項目。測量風口冷卻水進、出口流量差，測量風口排水溫度，能檢測風口是否完好。
七、畫面介紹
畫面系統是操作人員與控制系統的人機界面，操作人員通過畫面對設備進行操作、監視設備的運行情況，及時做出相應調整，畫面系統可以設定數據，改變運行方式，向操作人員顯示設備的正常狀態及報警信息等。
CRT畫面顯示主要內容如下：
（1）系統畫面：熱風、布袋、礦槽、爐頂、本體儀錶、爐長操爐、爐頂儀錶等
（2）控制設定畫面：配料、爐頂溜槽角度、料流開度參數設定
（3）故障監視畫面：實時顯示故障信號提示操作人員進行相應措施
（4）報警記錄：記錄各設備及儀錶的故障報警
（5）報表記錄：對生產參數進行實時記錄
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備，其中主要有上料小車、左右探尺、柱塞閥、上密、下密、旋轉布料裝置、均壓閥、放散閥等。生產中可實現手動、自動隨時轉換，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生產調節2、旋轉布料角度及速度可通過畫面直接設定，滿足生產工藝中的各種布料方式3、在檢修或新員工培訓情況下還可以通過畫面各種數據的設定來進行模擬生產。
高爐爐頂儀錶，對保證爐頂設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定各種料質重量，根據爐長下的各種料批要求通過調整周期表來完成自動上料。也可通過機旁轉換開關使個別控制轉到現場操作，畫面中有手動(綠色)、自動(紫色)指示。另外還有周期表子畫面。
礦槽周期畫面，合理調節配方並自動生成配方。生產報表記錄畫面，對生產成本實時掌握3、熱風爐畫面
此畫面中可實現助燃風機、調壓閥組、助燃調節閥、混風閥、冷風閥、熱風閥、放散閥、冷風均壓閥、煤氣調節閥、空氣調節閥、空氣切斷閥、煤氣切斷閥各種工藝閥門的操作並顯示儀錶參數。能自動完成熱風爐的各階段轉換達到自動送風、燜爐、燒爐。各種閥門在畫面中可實現點動操作，調節閥各通過輸入預定數值或點擊滾動條自動調節。4、布袋除塵畫面
包括脈衝閥、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，並顯示設備運行狀態、各儀錶參數等。用滑鼠點擊各閥們可自動彈出控制菜單，脈衝閥為動態顯示，可隨時發現因頻繁動作而損壞的電磁閥。脈衝時間及箱體選擇可根據要求設定。
在自動情況下自動完成吹掃，根據設定從1＃開始依次至8號箱體。如果某個箱體出現問題會自動跳過該箱體向下執行。
5、工長操爐畫面，通過畫面參數合理調節爐況是高爐順產、高產的關鍵。
6、本體儀錶畫面，高爐儀錶是監視高爐爐襯是否正常，主要包括水溫和壓力八、結束語
高爐自動化控制系統的各個動作和狀態都由PLC控制，不僅能滿足各設備的集中控制方式、機旁控制方式、兩地並用控制方式所需的大量按扭、開關、位置檢測點的要求；而且還能根據不同的工藝要求，選用合理的配置方法：網路的主從結構、布袋反吹的矩陣結構等；更可通過介面元器件與計算機組成PLC工業區域網，實現網路通信與網路控制。使高爐電氣自動化儀錶控制系統能方便地嵌入到鋼鐵工業生產流水線中。