PLC技術(shù)視角下錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)研究

祁 偉

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

煉鐵與煉鋼是現(xiàn)代化社會(huì)的一大基本工業(yè)，而高爐是保證此工業(yè)得以進(jìn)行與發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在高爐煉鐵系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候，固體原料從頂部逐層進(jìn)行填充。而在經(jīng)過(guò)預(yù)熱與壓縮后的熱空氣、粉煤同時(shí)通過(guò)風(fēng)口在下部進(jìn)行噴射，此注射劑進(jìn)入爐膛，是高爐最終熔融金屬產(chǎn)品聚集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)熱爐熱空氣與焦炭、輔助噴射的燃料發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，通過(guò)煤或者焦炭再還原成為一氧化碳，在燃燒區(qū)域內(nèi)生成氫氣。在此轉(zhuǎn)換中，會(huì)大量釋放熱量，促使?fàn)t膛溫度加熱到大約2 000 ℃，冶煉好的液態(tài)鐵水從出鐵口輸出，冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的爐渣從出渣口排出。一般情況下，煉鐵高爐將原料轉(zhuǎn)換成鐵水大約需耗費(fèi)6～8 h的時(shí)間。錳鐵高爐操作的最終目標(biāo)是保證煉鐵能夠正常進(jìn)行，并通過(guò)低成本獲得高質(zhì)量鐵水，為此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控高爐煉鐵全過(guò)程。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能環(huán)保，高爐上料控制系統(tǒng)直接影響著鐵水質(zhì)量。而為了保障鐵水含量的輸出準(zhǔn)確性，利于后續(xù)工藝順利開(kāi)展，在煉鐵控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮PLC 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)料的精確化管理，提高錳鐵高爐煉鐵的效率與質(zhì)量[1]。

1 錳鐵高爐自動(dòng)上料系統(tǒng)工藝流程

錳鐵高爐上料實(shí)際上就是通過(guò)槽下向爐頂設(shè)備中進(jìn)行供料的整個(gè)過(guò)程。高爐原料通過(guò)槽下向爐頂輸送的方式主要有兩種，皮帶輸送與小車輸送。其中，小車輸送方式主要是選用小車卷?yè)P(yáng)機(jī)基于交流電機(jī)加以拖拽，并利用電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)雙向控制，牽引鋼絲繩相互連接的料車，在斜橋上交替運(yùn)轉(zhuǎn)。槽下備料系統(tǒng)主要的燒結(jié)礦倉(cāng)與球團(tuán)礦倉(cāng)在經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩之后，熔劑倉(cāng)通過(guò)給料機(jī)之后，按照配料料單明確稱量再進(jìn)行放料，通過(guò)槽下主皮帶傳輸?shù)降乜臃Q量漏斗中。在料車到達(dá)料坑之后，斗將料轉(zhuǎn)移到料車中去，閘門關(guān)閉，并準(zhǔn)備好爐頂，及時(shí)啟動(dòng)料車。料車根據(jù)具體要求，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)提升槽下物料到爐頂上去，經(jīng)過(guò)受料斗的放料閥、料流調(diào)節(jié)閥、下密封閥等，最后利用布料器把物料均衡分布在爐內(nèi)部[2]。

2 PLC技術(shù)視角下錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)

錳鐵高爐自動(dòng)上料系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境要求高溫高壓，并需要具備較高的準(zhǔn)確性與可靠性，一旦信號(hào)傳遞不準(zhǔn)確，極有可能會(huì)阻礙錳鐵高爐正常運(yùn)行，直接給企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，系統(tǒng)應(yīng)有效控制精確度，確保與錳鐵高爐需求相符[3]。

2.1 硬件部分

構(gòu)建PLC技術(shù)視角下的錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)，應(yīng)科學(xué)合理構(gòu)建硬件部分，其中主要的硬件包括PLC控制器、CPU、槽架、總線接口網(wǎng)卡、遠(yuǎn)程I/O等等。其中詳細(xì)的模塊有輸入輸出模塊、電源模塊與接收模塊等。其一，接收模塊的作用是連接槽架，以傳遞信息；其二，輸入模塊的作用是采集開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，以及料斗與料車到位信號(hào)；其三，輸出模塊的作用是控制開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，開(kāi)放或關(guān)閉料斗，并有效控制探尺開(kāi)關(guān)[4]。

2.2 軟件部分

基于Step7與組態(tài)軟件，全程監(jiān)控錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)，確保其實(shí)時(shí)性、全面性、精確性、可靠性，從而充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能，實(shí)現(xiàn)錳鐵高爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)軟件包組成具體如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)軟件包組成

控制軟件全面串聯(lián)了所有功能模塊，其中控制開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出，主要采用的是Step7 軟件的控制模塊。首先，上位工控機(jī)，能夠科學(xué)展現(xiàn)錳鐵高爐上料的整個(gè)工藝流程，以及交互展示具體流程，從而保證錳鐵高爐上料的穩(wěn)定性與可靠性。另外，還應(yīng)及時(shí)輸入配料的詳細(xì)信息，確保整個(gè)系統(tǒng)可以嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)模式實(shí)施。上位工控機(jī)能夠詳細(xì)記錄錳鐵高爐的全部物料參數(shù)信息，并加以保存，從而為錳鐵高爐的正常維護(hù)與保養(yǎng)提供幫助。其次，CPUS-315-2DP單元的任務(wù)是采集、計(jì)算、控制系統(tǒng)重要信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的邏輯控制與自動(dòng)配料，提高系統(tǒng)的控制性與安全性。再次，模擬量輸入單元，處理模擬信號(hào)，把電流轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以使得PC 機(jī)能夠識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)，完善補(bǔ)償增益功能與平均值功能等等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐頂溫度、熱風(fēng)溫度、爐頂壓力等相關(guān)信號(hào)的控制。最后，開(kāi)關(guān)量輸入與輸出單元，其中輸出單元是采集多閘門開(kāi)關(guān)信號(hào)，為構(gòu)建輸入模塊提供幫助。而輸入單元的任務(wù)是控制開(kāi)關(guān)，保證系統(tǒng)有序運(yùn)行，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性[5]。

2.3 PLC工作程序

基于Step7軟件編寫程序的時(shí)候，主要包含線性化編程與結(jié)構(gòu)化編程兩種結(jié)構(gòu)。其中，線性化編程在編寫簡(jiǎn)單程序需要一定存儲(chǔ)空間的時(shí)候，一般會(huì)選用此結(jié)構(gòu)。而結(jié)構(gòu)化編程主要是把繁雜的自動(dòng)化任務(wù)劃分成可以反應(yīng)過(guò)程工藝、功能與小型任務(wù)[6]。在PLC 程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了提高程序的可讀性，便于調(diào)試與維護(hù)工作的開(kāi)展，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性與規(guī)范性，有助于Wincc 組態(tài)的時(shí)候，統(tǒng)一編制變量標(biāo)簽并統(tǒng)一顯示設(shè)備狀態(tài)，科學(xué)合理選用模塊化結(jié)構(gòu)程序，也就是所謂的結(jié)構(gòu)化編程。

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)組控制塊設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)塊的控制方式主要是基于上位機(jī)加以設(shè)置的：其一，設(shè)定啟動(dòng)、停止、故障警告、輸出、故障應(yīng)答與復(fù)位；其二，起動(dòng)、停止命令，起動(dòng)、停止完成信號(hào)，運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)與故障信號(hào)分別輸出不同狀態(tài)字；其三，正常起停控制之外，合理設(shè)置緊急組停。其中標(biāo)準(zhǔn)組控制塊的具體流程如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)組控制塊程序流程圖

2.3.2 控制設(shè)備分組

就工藝需求劃分生產(chǎn)設(shè)備為工藝小組，即料倉(cāng)設(shè)備控制小組、料車設(shè)備控制小組、液壓與布料器設(shè)備控制小組等。

2.3.3 設(shè)備控制組程序編制

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)組控制塊生成背景數(shù)據(jù)塊。把設(shè)備I/O點(diǎn)、聯(lián)鎖信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)程序塊變量相對(duì)應(yīng)。合理設(shè)置設(shè)備起動(dòng)與停止順序、連鎖、延時(shí)等。邏輯控制線路與閉環(huán)控制科學(xué)合理設(shè)計(jì)。適當(dāng)設(shè)置設(shè)備報(bào)警信號(hào)[7]。

2.4 監(jiān)控軟件

2.4.1 上料控制與監(jiān)控畫面

實(shí)時(shí)監(jiān)控上料控制系統(tǒng)，采用手動(dòng)與全自動(dòng)控制模式，能夠進(jìn)一步保證系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。在不使用或者料倉(cāng)沒(méi)有料的時(shí)候，畫面上顯示停用，使用時(shí)顯示啟用即可。

2.4.2 料單設(shè)定畫面

由于高爐工況與工藝要求，需要實(shí)時(shí)改變下料重量與料配比，即礦石、石灰石與焦炭等等。在料倉(cāng)沒(méi)料的時(shí)候，及時(shí)停用，并利用相同屬性的其他料倉(cāng)替代。

2.4.3 稱量情況畫面

全程監(jiān)控稱量斗的數(shù)據(jù)信息，切實(shí)反映了斗的料單設(shè)定值、實(shí)際設(shè)定值、測(cè)量值、重量值、滿補(bǔ)值、補(bǔ)償值、最大值等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以此一來(lái)可以更準(zhǔn)確了解斗內(nèi)詳細(xì)數(shù)據(jù)，并基于修改既定值提高稱量的準(zhǔn)確性。

2.4.4 測(cè)試畫面

在控制系統(tǒng)尚未進(jìn)入正式工作狀態(tài)之前，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試的畫面。操作人員不需要親臨現(xiàn)場(chǎng)，就能了解系統(tǒng)的完整性。然而一旦系統(tǒng)投入使用，便無(wú)法利用高度程序測(cè)試系統(tǒng)，否則將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，所以，此畫面權(quán)限只能是系統(tǒng)工程師，通過(guò)用戶權(quán)限的方式加以限制。

2.4.5 全自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

基于物聯(lián)網(wǎng)與傳感器，連接錳鐵高爐儀表設(shè)備，采集顯示數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，以完全顯示數(shù)據(jù)，切實(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，以便于后續(xù)查詢與應(yīng)用，從而為錳鐵高爐運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

3 基于PLC技術(shù)的錳鐵高爐自動(dòng)上料系統(tǒng)控制作用

在錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)中，PLC 技術(shù)發(fā)揮著有效的控制作用。爐頂所承受的壓力來(lái)自不同角度，通過(guò)此控制系統(tǒng)可以就實(shí)際情況選擇壓力，即高壓與常壓操作選項(xiàng)。在控制選擇上，也十分便利，可以利用全自動(dòng)控制模式、手動(dòng)控制模式等。依據(jù)運(yùn)行工況與高爐內(nèi)部狀態(tài)，合理選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞?。另外，布料旋轉(zhuǎn)方向也不固定，基于自動(dòng)上料控制系統(tǒng)，可以明確具體旋轉(zhuǎn)方向，即正向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)。高爐頂部裝置原材料制度與使用時(shí)間、順序等，都可以利用自動(dòng)上料控制系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃與管理。高爐頂部的不同操作制度，在設(shè)備和原材料使用中，應(yīng)切實(shí)依據(jù)相關(guān)操作制度，進(jìn)一步明確具體時(shí)間與順序，以此科學(xué)通過(guò)顯示器與計(jì)數(shù)器確定控制最佳狀態(tài)。而且原料裝置循環(huán)具有一定的周期性，可以就周期性與運(yùn)行特點(diǎn)為依據(jù)，提前合理設(shè)置具體方式[9]。

高爐料罐稱量也是十分重要的工作，需要在自動(dòng)上料控制系統(tǒng)中補(bǔ)償壓力，并確定料罐質(zhì)量，利用稱量系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)代化專業(yè)技術(shù)、傳感器、電子設(shè)備，科學(xué)有效監(jiān)督高爐的PLC數(shù)據(jù)，而且傳輸十分順利。PLC在高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)中，可以進(jìn)行質(zhì)量稱量，自行校對(duì)與檢驗(yàn)，并補(bǔ)償壓力，以及有效控制原料和設(shè)備具體運(yùn)行狀況。同時(shí)，還可以基于調(diào)節(jié)方式加以控制，充分考慮液壓比例，有效利用PLC 形成特性曲線，以發(fā)出指令，從而促使系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

布料控制方式各式各樣，主要有自動(dòng)控制的多環(huán)布料與單環(huán)布料、手動(dòng)控制的扇形布料與點(diǎn)狀布料等。就具體重量采取相應(yīng)的控制方式。在裝料時(shí)，還需要充分合理利用閥門，確保機(jī)器可以處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則及時(shí)發(fā)出警報(bào)，快速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。其中安裝密封閘門也需要加強(qiáng)重視，在開(kāi)啟或者密封時(shí)，都應(yīng)確保爐內(nèi)與要求相符。在特殊狀況下，探尺運(yùn)轉(zhuǎn)可以隨時(shí)停止，然后解除裝入，確保探尺快速下降或提升[10]。

4 結(jié) 論

總而言之，為了確保錳鐵高爐鐵水質(zhì)量，提高錳鐵高爐自動(dòng)上料系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與高效性，對(duì)PLC 技術(shù)構(gòu)建完善的自動(dòng)上料控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上料、布料、給料、誤差補(bǔ)償?shù)娜轿豢刂疲⒁员O(jiān)控系統(tǒng)為載體，進(jìn)一步詳細(xì)分析系統(tǒng)故障，完善相關(guān)報(bào)警功能，促使錳鐵高爐自動(dòng)上料控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精確和高效，從而促進(jìn)錳鐵企業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量得到顯著提升，進(jìn)而為錳鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。