西門子PLC在高爐上料自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅仕佳

摘要：文章介紹了西門子PLC在高爐上料自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要闡述了整個控制系統(tǒng)的軟硬件配置，并概述了高爐上料工藝。該控制系統(tǒng)配置靈活、控制可靠、維護(hù)方便，確保了高爐穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的實(shí)施效果。

關(guān)鍵詞：西門子PLC;高爐上料;自動控制系統(tǒng);軟硬件配置;煉鐵生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF325 文章編號：1009-2374（2016）04-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.022

高爐上料是煉鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，將原料系統(tǒng)配好的物料按預(yù)先設(shè)定的上料程序裝入爐內(nèi)，以保證高爐的連續(xù)生產(chǎn)。重鋼新建2500m3高爐的上料系統(tǒng)采用SIMATIC S7-400 PLC控制系統(tǒng)以及IM460/IM461近程擴(kuò)展，PROFIBUS過程現(xiàn)場總線技術(shù)的分散型I/O子系統(tǒng)，上位機(jī)操作監(jiān)控，完成了對上料系統(tǒng)工藝設(shè)備的控制及各工藝參數(shù)的檢測、調(diào)節(jié)。

1 工藝簡介

高爐上料系統(tǒng)由爐頂裝料設(shè)備、料罐均壓設(shè)施、爐頂液壓站及潤滑站、爐頂水冷站、爐頂探尺、爐頂噴霧設(shè)備、檢修設(shè)施和爐頂框架所組成。其中裝料設(shè)備采用了串罐無料鐘設(shè)備，主要由固定料罐、稱量料罐、閥箱、傳動齒輪箱及布料溜槽等組成，如圖1所示：

整個上料系統(tǒng)采用的膠帶機(jī)上料，其上料控制流程為膠帶機(jī)運(yùn)輸原料到固定料罐，對稱量料罐進(jìn)行排壓，使其內(nèi)部壓力等同于大氣壓力，再打開上料閘門、上密封閥由固定料罐裝料到稱量料罐，然后關(guān)閉上密封閥、上料閘門對稱量料罐進(jìn)行兩次均壓使其內(nèi)部壓力等同于高爐內(nèi)部壓力，最后打開下密封閥及下料閘、料流閥通過布料溜槽對高爐進(jìn)行布料。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于上料系統(tǒng)在高壓高溫環(huán)境下對信號的可靠性、準(zhǔn)確性要求很高，如果信號不準(zhǔn)確將直接導(dǎo)致高爐慢風(fēng)或休風(fēng)，給生產(chǎn)造成巨大損失。同時(shí)上料系統(tǒng)是通過布料溜槽的旋轉(zhuǎn)、傾動和料流調(diào)節(jié)閥的控制，可實(shí)現(xiàn)爐喉料面上的多種布料方式，適應(yīng)各種爐況的上部調(diào)節(jié)要求，使得對控制的精度要求也很高，因此重鋼新區(qū)2500m3高爐上料系統(tǒng)選用了SIMATIC S7-400 PLC。

2.1 硬件配置

本系統(tǒng)選用CPU414，電源模板PS407，DI模板SM421，DO模板SM422，AI模板SM431，AO模板SM432，計(jì)數(shù)模板FM450，通訊模板CP443以及接口模板IM460/461。通過繼電器和隔離器連接現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備和儀器儀表，并通過西門子OSM交換機(jī)連接上位機(jī)操作監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

整個軟件設(shè)計(jì)使用西門子STEP7編程工具來完成對硬件的組態(tài)、控制程序的編寫、信號的處理以及文檔報(bào)表的處理。由3個OB組織塊、49個FC功能、1個FB功能塊、28個DB數(shù)據(jù)塊組成。通過CPU循環(huán)掃描OB組織塊來完成對FC、FB塊中子程序的邏輯控制及信號處理。

2.3 操作監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)操作監(jiān)控系統(tǒng)通過西門子WINCC對上料系統(tǒng)進(jìn)行過程控制及參數(shù)設(shè)定，并給操作人員提供多幅顯示和操作畫面。該系統(tǒng)既包括了所有主要工藝流程、檢測參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的顯示，也集中了監(jiān)控系統(tǒng)的所有主要操作、參數(shù)設(shè)定，主要含有裝料設(shè)備操作監(jiān)視畫面、探尺操作及爐喉料面跟蹤畫面、齒輪箱冷卻系統(tǒng)操作監(jiān)視畫面、液壓站及潤滑站系統(tǒng)操作監(jiān)視畫面、料線選擇及布料參數(shù)設(shè)定畫面、布料模式預(yù)約畫面、裝料制度預(yù)約及裝入周期修改畫面、空焦裝入操作設(shè)定畫面、爐頂主控制選擇畫面、轉(zhuǎn)入系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)程序?qū)嵭挟嬅?、裝入數(shù)據(jù)跟蹤畫面等。操作人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并方便、迅速、可靠地對設(shè)備做出相應(yīng)的調(diào)整，既簡化了操作人員的工作，又使系統(tǒng)隨時(shí)處于監(jiān)控狀態(tài)，在一定程度上保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3 實(shí)現(xiàn)功能

3.1 主要功能

第一，爐頂系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)控制包括無料鐘爐頂上料設(shè)備，一、二次均排壓設(shè)備，探尺，爐頂安裝起重機(jī)，爐頂液壓站，集中潤滑站及冷卻系統(tǒng)設(shè)備等。

第二，上料系統(tǒng)設(shè)備的時(shí)序控制。

第三，爐頂布料方式控制，包括布料模式設(shè)定、排料控制方式等。

第四，爐頂料罐的均壓、稱量及壓力補(bǔ)償控制。

第五，爐頂料罐壓力、裝料設(shè)備溫度、冷卻系統(tǒng)溫度、流量、水位的監(jiān)測及控制。

第六，爐頂探尺對爐內(nèi)物料的跟蹤、記錄與監(jiān)視。

第七，上料系統(tǒng)裝料制度、料線設(shè)定、裝料循環(huán)周期的處理。

第八，空焦裝入方式及運(yùn)轉(zhuǎn)控制。

第九，上料操作參數(shù)的設(shè)定、實(shí)際裝入操作的數(shù)據(jù)收集、處理。

第十，上料系統(tǒng)設(shè)備的操作與監(jiān)視。

3.2 基本控制功能

第一，爐頂壓力選擇：設(shè)有高壓操作和常壓操作選擇。

第二，控制選擇：全自動→1批料（Charge）自動→1小批料（Dump）自動→手動→停止→現(xiàn)場。

第三，布料溜槽旋轉(zhuǎn)方向選擇：布料溜槽設(shè)有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)方向選擇。

第四，爐頂裝料制度及裝入時(shí)序控制：爐頂裝入操作設(shè)有兩種基本操作制度：C↓O↓和C↓OL↓OS↓，其中C↓OL↓OS↓為預(yù)留裝料制度。爐頂裝料設(shè)備和裝入操作，應(yīng)根據(jù)裝料制度的時(shí)序圖，由時(shí)間計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制。裝料循環(huán)周期為14個，可預(yù)先設(shè)置14批料的裝入方式（最多）。

第五，料罐的稱量與壓力補(bǔ)償：稱量系統(tǒng)由三個荷重傳感器和一個電子裝置組成，并和爐頂PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)具備如下功能：稱量皮重，校核料重，超載校驗(yàn)，稱量值的壓力補(bǔ)償，消除壓力波動對稱量值的影響，進(jìn)行排料控制及發(fā)出料空料滿信號。

第六，料流調(diào)節(jié)閥的開度控制及自學(xué)習(xí)：料流調(diào)節(jié)閥的開度由PLC通過液壓比例閥進(jìn)行控制，PLC根據(jù)料批重量、布料時(shí)間及料流調(diào)節(jié)閥的排料特性曲線給出開度指令。對于焦炭和礦石，有兩組與之相對應(yīng)的排料特性曲線系數(shù)。

第七，布料方式選擇及布料控制方式選擇：布料方式分別為多環(huán)布料（自動控制）、單環(huán)布料（自動控制）、扇形布料（手動控制）、點(diǎn)布料（手動控制）;布料控制分為時(shí)間控制方式——以控制布料溜槽在每一環(huán)上的停留時(shí)間來控制每一環(huán)上的布料量、重量控制方式——根據(jù)每一環(huán)上的實(shí)際布料重量來控制溜槽的傾動。

第八，上料主膠帶機(jī)向爐頂固定料罐裝料：當(dāng)上料主膠帶機(jī)上來料的料頭到達(dá)爐頂設(shè)備準(zhǔn)備點(diǎn)檢OK點(diǎn)時(shí)，如果固定料罐料空且上料閘關(guān)閉，則具備受料條件主膠帶機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，否則主膠帶機(jī)應(yīng)停止運(yùn)行。固定料罐中設(shè)有兩個料位計(jì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高料位時(shí)，則發(fā)出報(bào)警，此時(shí)如主膠帶機(jī)上的物料料尾仍未過OK點(diǎn)，則主膠帶機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

第九，固定料罐向稱量料罐排料：當(dāng)確認(rèn)物料已裝入固定料罐后，則發(fā)出允許排料的信號。當(dāng)稱量料罐也已準(zhǔn)備好受料時(shí)，則發(fā)出開啟上料閘的指令，開始排料。完成排料并得到料空信號后延時(shí)，發(fā)出關(guān)上料閘、關(guān)上密封閥的指令，料罐準(zhǔn)備均壓。

第十，上密封閥開啟條件：稱量料罐已排料結(jié)束，下密封閥關(guān)，放散閥開。上密封閥應(yīng)在上料閘關(guān)閉后才能關(guān)閉。

第十一，上料閘的運(yùn)轉(zhuǎn)：開啟條件為上密封閥開到位，料流調(diào)節(jié)閥關(guān)，稱量料罐內(nèi)料空。開啟后，應(yīng)在得到固定料罐料空信號后延時(shí)3s再關(guān)閉。固定料罐料空信號由γ射線料位儀來發(fā)出。

第十二，一次均壓閥的運(yùn)轉(zhuǎn)：開啟條件為選擇高壓操作，排壓閥已閉并且上密封閥關(guān)到位，二次均壓閥閉。關(guān)閉條件為關(guān)閉指令及一次均壓完信號。

第十三，二次均壓閥的運(yùn)轉(zhuǎn)：設(shè)有二次均壓選擇開關(guān)。當(dāng)選擇二次均壓時(shí)，二次均壓設(shè)備才投入運(yùn)行。其開啟條件為選擇高壓及二次均壓操作，放散閥已閉，一次均壓完畢且一次均壓閥已關(guān)。關(guān)閉條件為稱量料罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值。

第十四，布料溜槽的運(yùn)轉(zhuǎn)：啟動條件為探尺全部提升到位，布料溜槽到達(dá)開始布料傾角位置，無溜槽更換選擇。多環(huán)與單環(huán)布料以高速方式旋轉(zhuǎn)，扇形和點(diǎn)布料時(shí)以低速方式旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)設(shè)有6個起始位置，間隔60°。傾動上升應(yīng)在無負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行，即上傾的條件為料流調(diào)節(jié)閥關(guān)。下傾動作應(yīng)根據(jù)布料模式的設(shè)定進(jìn)行控制，傾動由VVVF調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，傾動速度應(yīng)根據(jù)與目標(biāo)角度的距離來進(jìn)行調(diào)節(jié)。溜槽傾動停止后，當(dāng)設(shè)定角度與實(shí)際角度的差值>0.2°或<-0.2°時(shí)，溜槽將據(jù)此判斷相應(yīng)地自動增加或減小傾動角度。布料溜槽停止位置設(shè)有11個，其角度應(yīng)預(yù)先設(shè)置，并可通過操作畫面進(jìn)行修改。

第十五，探尺的運(yùn)轉(zhuǎn)：爐頂共設(shè)3臺探尺，正常情況下同時(shí)工作;特殊情況下，可任意停止1或2臺探尺工作。當(dāng)探尺均到達(dá)料線后，解除裝入，待發(fā)出中間漏斗閘門可開啟的指令，探尺提升全部到位后，啟動布料溜槽準(zhǔn)備布料。探尺提升應(yīng)快速，下降則應(yīng)慢速。布料完畢，布料溜槽停止旋轉(zhuǎn)，探尺即可下降至料面。探尺可以連續(xù)測定料面，也可以點(diǎn)測料面。在正常情況下采用連續(xù)測定料面，并顯示料面位置;需點(diǎn)測料面時(shí)采用手動操作，接觸料面時(shí)立即提起探尺，也應(yīng)顯示料面位置。

4 結(jié)語

高爐上料自動控制系統(tǒng)自生產(chǎn)以來，其控制精度高、布料效果好，監(jiān)控系統(tǒng)直觀明了、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡單方便，豐富了高爐上部的調(diào)節(jié)手段，改變了煤氣的分布，從而有效地提高了高爐煤氣利用率，降低了焦比，減少了焦炭消耗，既節(jié)約了資源，又減少了對環(huán)境的污染，同時(shí)入爐焦比下降，提高了高爐利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高爐穩(wěn)定、順行、高產(chǎn)、低耗，有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)任編輯：陳 潔）