邯鋼200萬t球團(tuán)生產(chǎn)線工程自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王為剛，崔 燕

（1. 邯鄲鋼鐵集團(tuán)自動化部，河北 邯鄲 056000；2. 邯鄲鋼鐵集團(tuán)技工學(xué)校，河北 邯鄲 056000）

邯鄲鋼鐵集團(tuán)公司年產(chǎn)200萬t氧化球團(tuán)生產(chǎn)線于2004年建成投產(chǎn)，為邯鋼提供高質(zhì)量球團(tuán)礦，可以滿足邯鋼對酸性爐料的需求，使高爐入爐爐料結(jié)構(gòu)更加合理，提高高爐利用系數(shù)，降低生鐵成本，對邯鋼高爐生產(chǎn)起到了積極作用。

1 工藝特點(diǎn)

球團(tuán)生產(chǎn)的工藝流程包括精礦配料、精礦干燥、輥壓、膨潤土與灰塵配料、混合、造球、生球布料、生球干燥、預(yù)熱、氧化焙燒、冷卻及成品輸出等。

1.1 鐵精礦配料系統(tǒng)

設(shè)6個精礦配料槽，鐵精礦用膠帶機(jī)從原有FZ18轉(zhuǎn)運(yùn)站轉(zhuǎn)運(yùn)至精礦配料槽，精礦配料槽下設(shè)變頻調(diào)速圓盤給料機(jī)及皮帶秤，以實(shí)現(xiàn)配料自動化。礦槽設(shè)料位顯示，高低料位報警。礦槽下段設(shè)彈簧支撐振動裝置，以保證礦槽下料順暢。

1.2 精礦干燥系統(tǒng)

精礦水分一般在10%左右，高于成球水分，因此設(shè)置了精礦干燥系統(tǒng)，采用一臺規(guī)格為Φ3.6×31 m的圓筒干燥機(jī)，利用高爐煤氣作為熱源，將鐵精礦100%干燥。另外設(shè)計(jì)了旁路系統(tǒng)，當(dāng)精礦水份滿足造球要求、不需要干燥時，可由旁路系統(tǒng)將精礦運(yùn)至下一道工序。

1.3 輥壓和除塵灰、膨潤土配料系統(tǒng)

選用了一臺處理能力為350 t/h的進(jìn)口高壓輥壓機(jī)，將鐵精礦細(xì)磨，改善物料表面活性和提高生球強(qiáng)度。經(jīng)高壓輥壓后的物料，通過皮帶秤給到去混合室的集料皮帶上，繼而接受膨潤土和除塵灰的配料后送往混合室。采用進(jìn)口立式強(qiáng)力混合機(jī)，達(dá)到混勻目的。

1.4 造球系統(tǒng)

造球室設(shè)置9臺Ф6.0 m圓盤造球機(jī)，經(jīng)混合后的混合料用膠帶機(jī)運(yùn)至造球室混合料礦槽，礦槽均設(shè)有稱重料位計(jì)，槽下設(shè)備采用調(diào)速圓盤給料機(jī)和電子皮帶秤，造球機(jī)的給料量可按設(shè)定值自動控制。造球機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，傾角可調(diào)。

1.5 布料系統(tǒng)、生球干燥與預(yù)熱系統(tǒng)

造球機(jī)產(chǎn)出的生球經(jīng)輥式篩分機(jī)、擺動膠帶機(jī)布到寬膠帶機(jī)上，再由寬膠帶機(jī)布到輥式篩分布料機(jī)上（輥式篩分機(jī)間隙可調(diào)），篩出－5 mm粒級后均勻布到鏈篦機(jī)床上。鏈篦機(jī)受料端篦板上方設(shè)有自動測料位裝置，通過自動調(diào)節(jié)鏈篦機(jī)運(yùn)行速度來保證鏈篦機(jī)規(guī)定料厚。生球料層厚度約180 mm。

1.6 生球干燥與預(yù)熱系統(tǒng)

生球干燥與預(yù)熱在鏈篦機(jī)上完成。干燥預(yù)熱分為抽風(fēng)干燥I段、抽風(fēng)干燥II段、預(yù)熱I段和預(yù)熱II段。

1.7 氧化焙燒系統(tǒng)

球團(tuán)礦的焙燒、固結(jié)過程在回轉(zhuǎn)窯中完成。經(jīng)過鏈篦機(jī)預(yù)熱后的球團(tuán)通過鏟料板和給料溜槽給入回轉(zhuǎn)窯中，并隨回轉(zhuǎn)窯沿周邊翻滾的同時，沿軸向朝窯頭移動。在窯頭裝有專門設(shè)計(jì)的雙調(diào)節(jié)伸縮式混合煤氣燒嘴，通過調(diào)節(jié)空氣煤氣比例來調(diào)節(jié)火焰長度，控制煤氣量。球團(tuán)在窯內(nèi)主要受熱輻射作用，邊翻滾邊焙燒，從而得到均勻焙燒。球團(tuán)焙燒溫度為1 250～1 350 ℃，焙燒時間為25～35 min。焙燒好的球團(tuán)通過回轉(zhuǎn)窯窯頭罩內(nèi)溜槽和固定篩卸到環(huán)冷機(jī)受料斗內(nèi)。

1.8 成品球團(tuán)礦冷卻系統(tǒng)

從回轉(zhuǎn)窯排出的球團(tuán)礦溫度約1 250 ℃，經(jīng)過窯頭罩固定篩，通過環(huán)冷機(jī)受料斗均勻布在環(huán)冷機(jī)臺車上，料層厚度為760 mm。球團(tuán)礦在環(huán)冷機(jī)內(nèi)被冷卻到150 ℃以下。

環(huán)冷機(jī)爐罩分4段，一冷段近1 030 ℃，熱氣流通過受料斗上部窯頭罩和平行管道直接入窯作二次風(fēng)，提高窯內(nèi)氣氛溫度。二冷段近650 ℃，熱氣流通過熱風(fēng)管直接引入鏈篦機(jī)預(yù)熱I段作為熱源。三冷段約 350 ℃，低溫風(fēng)被送至鏈篦機(jī)抽風(fēng)干燥I段作為熱源。四冷段約100 ℃，廢氣通過環(huán)冷機(jī)上煙囪排放。環(huán)冷機(jī)鼓風(fēng)機(jī)通過風(fēng)門自動調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量，在滿足成品球冷卻的前提下控制回?zé)犸L(fēng)溫度。

環(huán)冷機(jī)卸料斗設(shè)料位傳感器，排料用電液動扇形閥控制，均勻排料，＜150 ℃球團(tuán)礦通過卸料斗卸到膠帶機(jī)上運(yùn)出。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制范圍

自動控制范圍從原料入口至成品輸出的生產(chǎn)全過程（包括聯(lián)鎖啟動、緊停等方式）包括料倉自動配料、除塵灰和膨潤土配料、干燥、輥壓、混勻、造球、干燥預(yù)熱、焙燒、冷卻、成品輸出等。

2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備區(qū)域分布的特點(diǎn)，將整個控制系統(tǒng)分為3個現(xiàn)場控制站（AS站），分別為：配料站、造球站、除塵站。在中控室設(shè)一個工程師站（ES站），4個操作員站（OS站）。

現(xiàn)場控制站是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的重要站點(diǎn)，主要完成數(shù)據(jù)采集、工程參數(shù)轉(zhuǎn)換、控制和連鎖以及控制輸出等功能，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果送到操作員站。

現(xiàn)場控制站主機(jī)采用西門子S7－400系列CPU，冗余設(shè)計(jì)，控制網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線，純主站—從站系統(tǒng)，主站為帶有DP口的CPU，通過CPU上的PROFIBUS DP接口以PROFIBUS DP方式連接變頻器和現(xiàn)場ET200M I/O站。

圖1 冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場I/O站由若干個ET200M站組成，具有結(jié)構(gòu)小、安裝靈活方便、性價比高的優(yōu)點(diǎn)，所有模塊均具有完善的自診斷功能、傳感器斷線監(jiān)測功能、在線插拔功能，保證了系統(tǒng)安全長時間運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

兩個CPU414－4H是冗余系統(tǒng)的核心組件，以雙通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，冗余的實(shí)現(xiàn)方式為“硬冗余”，冗余的切換方式為“熱冗余”。冗余狀態(tài)下主備CPU具有相同的用戶程序，并通過西門子專利的“事件驅(qū)動的同步”方法同步執(zhí)行程序。一旦可能導(dǎo)致主備站的內(nèi)部單元狀態(tài)不同的事件發(fā)生時，例如對 I/O直接訪問的事件，將由操作系統(tǒng)自動同步它們的數(shù)據(jù)。冗余系統(tǒng)在正常狀態(tài)下，主備CPU同時參與程序處理和數(shù)據(jù)運(yùn)算，不同之處是備用CPU不輸出控制信號。如果發(fā)生主站故障將進(jìn)行無擾動主備CPU切換，從中斷點(diǎn)處由備CPU接替生產(chǎn)過程的控制，并處于單機(jī)工作狀態(tài)。CPU無切換時間，系統(tǒng)切換時間主要取決于Profibus－DP的切換時間，該段時間內(nèi)輸出保持切換前的輸出狀態(tài)，切換期間無信息或報警/中斷丟失。一般 CPU切換時間達(dá)到毫秒級，只要切換時間小于I/O 延遲時間和報警/中斷檢測時間，便可以保證在切換期間無信號丟失。

在中央控制室設(shè)立一個工程師站和四個操作員站。工程師站完成程序編制及下裝，包括數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法及報表的組態(tài)；參數(shù)配置；操作員站、現(xiàn)場控制站及 I/O模塊的配置組態(tài)；數(shù)據(jù)下裝和增量下載。操作員站負(fù)責(zé)對全廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和監(jiān)控，包括工藝流程顯示、控制操作、報警和記錄管理、歷史趨勢顯示、報表打印等。

工程師站使用西門子 PC－S7應(yīng)用程序軟件，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件配置和控制程序的編制工作。SIMATIC PC－S7是一種模塊化的基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將兩種功能有機(jī)的結(jié)合在一起，真正實(shí)現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點(diǎn)。PC－S7 V6.1提供了功能強(qiáng)大的開發(fā)語言，采用符合IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)的六種編程語言 CFCSFCFBDLDSTIL，并提供了豐富的控制算法庫。

操作員站使用西門子WinCC V6.0軟件，主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行操作與維護(hù)。主要控制畫面包括原料準(zhǔn)備、造球、焙燒等系統(tǒng)和各系統(tǒng)畫面，如流程圖、輔助系統(tǒng)儀表檢測參數(shù)顯示、除塵系統(tǒng)顯示、報警畫面等。

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為上層管理網(wǎng)和下層控制網(wǎng)，上層管理網(wǎng)由五塊光交換機(jī)OSM 構(gòu)成環(huán)網(wǎng)主架，每個OSM向上由標(biāo)準(zhǔn)電纜，鏈接操作員站和工程師站中的一個工業(yè)以太網(wǎng)通訊卡CP1613。向下由標(biāo)準(zhǔn)電纜，鏈接冗余機(jī)架中的一個以太網(wǎng)通訊模塊CP443，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)。通過ISO傳輸協(xié)議和S7通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)操作站、工程師站和中央控制器間的數(shù)據(jù)交換。下層控制網(wǎng)由西門子 Profibus專用電纜，加雙路 IM153構(gòu)成冗余Profibus－DP網(wǎng)，向上鏈接CPU414－4H的DP口，向下鏈接ET200M分布式I/O站，完成對現(xiàn)場信號的采集、處理。

2.3 過程控制方案內(nèi)容

整個球團(tuán)生產(chǎn)自動控制由下位機(jī)PLC完成實(shí)時控制，通過開放的PROFIBUS一DP現(xiàn)場總線連接各個部件，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制、聯(lián)動和聯(lián)鎖控制以及信號傳輸、報警和數(shù)據(jù)采集等，同時設(shè)有人工緊急停車處理按鈕。工程師站提供方便的PLC和監(jiān)控軟件在線和離線維護(hù)、測試和開發(fā)功能。球團(tuán)燒結(jié)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的PLC程序采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，分為組織塊、功能塊、功能塊和共享數(shù)據(jù)塊四種類型。

鏈蓖機(jī)—回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)的運(yùn)行可分為三個階段，即啟動階段、正常運(yùn)行階段和停止階段。在啟動和停止階段需要完成鏈蓖機(jī)機(jī)組、回轉(zhuǎn)窯機(jī)組和環(huán)冷機(jī)機(jī)組等設(shè)備裝置的啟停操作，而正常運(yùn)行階段主要實(shí)現(xiàn)對各個生產(chǎn)過程變量的控制調(diào)整操作，包括基本的回路閉環(huán)控制操作和高級的優(yōu)化控制操作。因此鏈蓖機(jī)—回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)綜合自動化系統(tǒng)的過程控制功能包括邏輯連鎖控制、基礎(chǔ)回路控制和優(yōu)化控制功能。

2.3.1 邏輯連鎖控制功能

邏輯連鎖控制可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備裝置的單機(jī)起停操作和全線聯(lián)動起停操作。邏輯連鎖控制讀入開關(guān)、觸點(diǎn)狀態(tài)，檢查各設(shè)備的工作條件和約束關(guān)系，送出開關(guān)量輸出信號，控制各設(shè)備電動機(jī)的起動和停止、閥門的開啟和關(guān)閉等。

2.3.2 基礎(chǔ)回路控制功能

基礎(chǔ)回路控制可實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制操作。在鏈蓖機(jī)—回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)生產(chǎn)過程綜合自動化系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了自動配料、造球水分、鏈蓖機(jī)的速度、鼓千段罩內(nèi)溫度、抽干段罩內(nèi)溫度和預(yù)熱段罩內(nèi)溫度，回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火用煤氣量和窯內(nèi)氣體焙燒溫度，回轉(zhuǎn)窯事故停機(jī)時的緊急慢動控制，生產(chǎn)操作正常以集中控制方式運(yùn)行，同時在機(jī)旁設(shè)手動開關(guān)和事故開關(guān)，能實(shí)現(xiàn)單機(jī)手動操作（不通過PLC）。集中控制方式采用上位機(jī)控制與監(jiān)控，順序控制具有完善的逆起順停、同起同停、聯(lián)鎖停車、緊急停車、事故報警及故障識別等功能。

3 自控系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）采用以PLC為核心的EIC系統(tǒng)控制，構(gòu)成儀電合一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成全車間生產(chǎn)的順序控制與過程控制。

（2）無須編程的處理器冗余，實(shí)現(xiàn)處理器互為熱備。在一個處理器故障時，另一個能無擾接替工作，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（3）回轉(zhuǎn)窯和所有變頻器的控制與 PLC通信采用PROFIBUS總線方式，提高了通訊的可靠性，節(jié)約了電纜費(fèi)用。

（4）除了必要的計(jì)量顯示儀表外，取消二次儀表，通過選用相應(yīng)的PLC輸入模板直接采集現(xiàn)場信號，所有運(yùn)算與控制均由PLC完成，并將過程變量信號送至控制室顯示。

（5）根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備區(qū)域分布的特點(diǎn)設(shè)立現(xiàn)場控制站，可大大降低電纜費(fèi)用，縮短安裝時間。

（6）系統(tǒng)自診斷功能的使用，使系統(tǒng)維護(hù)更加簡單快速。

（7）人性化的界面設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的操作功能，完善的工藝報警、系統(tǒng)報警、趨勢記錄等功能，提高了操作效率，有助于用戶進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累和事故分析。

4 結(jié)束語

邯鄲鋼鐵集團(tuán)公司年產(chǎn)200萬t氧化球團(tuán)生產(chǎn)線于2004年建成正式投產(chǎn)，控制系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定，控制精確，連鎖可靠，達(dá)到了預(yù)期目的，各項(xiàng)工藝指標(biāo)均正常，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)量在試生產(chǎn)一個月后就達(dá)到了日產(chǎn)6 000 t，為邯鋼帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。