淺析高爐冶煉中過程控制系統(tǒng)的設(shè)計特點

封 帆

（重慶鋼鐵集團電子有限責任公司，中國 重慶400084）

0 引言

在鋼鐵企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展過程中，作為上游工序，高爐冶煉的能耗占企業(yè)總能耗的60%左右，成本占總成本的1/3左右。在當今大型高爐冶煉過程中，普遍應(yīng)用過程計算機進行生產(chǎn)過程的監(jiān)控和指導，實現(xiàn)過程最優(yōu)化，保障高爐安全穩(wěn)定順行，同時降本增效提質(zhì)，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益。

1 高爐冶煉工藝簡介

高爐冶煉生產(chǎn)是一個連續(xù)的過程。鐵礦石、焦炭、熔劑等固體原料按照設(shè)定配料比稱量，經(jīng)主皮帶運輸，根據(jù)上料系統(tǒng)要求進入高爐，沿爐頂裝置不斷裝入爐內(nèi)，礦石和焦炭在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)；從高爐下部的風口吹入熱風和噴入煤粉等燃料，即形成鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭和煤粉燃燒，鐵礦石在下降過程中逐步通過還原反應(yīng)煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出，詳見圖1。

2 高爐過程控制系統(tǒng)概述

通常情況下人們所稱之為的過程控制系統(tǒng)，主要指的是過程控制計算機系統(tǒng)，它是由一套系統(tǒng)完善的計算機系統(tǒng)組成的。在具體的運行過程中，主要是對高爐冶煉生產(chǎn)過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進行有針對性的采集、整理和分析，同時做好模型的計算和優(yōu)化控制；對整個生產(chǎn)過程進行有效監(jiān)控，對各項生產(chǎn)操作進行規(guī)范和指導[1]；對數(shù)據(jù)進行存儲和管理，與各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)高效通信、信息共享；負責報表打印等一系列相關(guān)工作，詳見圖2。

3 高爐過程控制系統(tǒng)運行環(huán)境分析

高爐過程控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP通信協(xié)議，通過OPC通訊方式讀取基礎(chǔ)自動化PLC控制系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)交換平臺與MES系統(tǒng)和其他過程控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

圖1 高爐冶煉工藝流程簡圖

圖2 高爐監(jiān)控主畫面

整個通訊網(wǎng)絡(luò)分三級，見圖3。第一級為現(xiàn)場控制站：由現(xiàn)場控制主站至現(xiàn)場控制子站基于IEC61158標準的現(xiàn)場總線組成?，F(xiàn)場控制主站PLC及現(xiàn)場控制子站設(shè)置現(xiàn)場總線通訊模塊，用專用通訊電纜相連，構(gòu)成總線形式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

第二級為監(jiān)控級：中控室監(jiān)控計算機至現(xiàn)場站現(xiàn)場控制主站組成，采用環(huán)網(wǎng)形式的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

第三級為管理級：由MES系統(tǒng)、WEB發(fā)布、專家系統(tǒng)、廠長計算機、實時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等構(gòu)成，采用星形100 M以太網(wǎng)方式連接。

4 高爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計策略

4.1 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計

在設(shè)計環(huán)節(jié)，要確保過程控制系統(tǒng)和各系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)展開數(shù)據(jù)交換：和基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)進行操作數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)交換；和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實績、物料消耗、鐵水計量等數(shù)據(jù)交換[2]。

4.2 數(shù)據(jù)處理和存儲

過程控制系統(tǒng)按秒級向基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)讀取高爐生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，這樣就會導致數(shù)據(jù)量特別龐大，為了確保數(shù)據(jù)庫安全穩(wěn)定，需充分考慮滿足生產(chǎn)過程的監(jiān)控需求。

4.3 生產(chǎn)監(jiān)視設(shè)計

高爐生產(chǎn)過程監(jiān)視系統(tǒng)，主要包括兩種類型的監(jiān)視，分別是狀態(tài)監(jiān)視和過程監(jiān)視。狀態(tài)監(jiān)視主要是監(jiān)視設(shè)備和系統(tǒng)的實際生產(chǎn)狀態(tài)，用相對應(yīng)的圖像、數(shù)據(jù)等，顯示設(shè)備運行狀態(tài)、整體工藝流程、全景圖、設(shè)定參數(shù)和實時檢測數(shù)據(jù)。

4.4 生產(chǎn)統(tǒng)計設(shè)計

生產(chǎn)統(tǒng)計系統(tǒng)中主要計算和統(tǒng)計高爐冶煉消耗的礦石、焦炭、煤粉等原燃料，消耗的水、電、風、氣等能源，以及生產(chǎn)的鐵水、爐渣、煤氣等產(chǎn)品，統(tǒng)計風量、頂壓、頂溫、綜合煤氣分析等重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時計算出高爐冶煉的具體生產(chǎn)指標。

4.5 模型設(shè)計

隨著工業(yè)化和信息化的深度融合，計算機技術(shù)飛躍發(fā)展，高爐冶煉技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，更多功能完善的模型在高爐冶煉生產(chǎn)過程中得到高效的應(yīng)用，并呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢[3]。

4.5.1 配料模型

圖3 三級網(wǎng)絡(luò)圖

進入高爐的鐵礦石等各種原料具有不同的化學成分，上料系統(tǒng)根據(jù)礦批設(shè)定和配比對原料進行準確稱量，然后通過皮帶運送到高爐與焦炭進行冶煉還原，生產(chǎn)出合格的鐵水?？茖W合理的配比，對冶煉出優(yōu)質(zhì)合格的鐵水尤為重要。配料模型根據(jù)煉鐵生產(chǎn)計劃和鐵水質(zhì)量要求，通過對原料成分的檢化驗數(shù)據(jù)進行精準分析，計算出合理的礦石配比。

4.5.2 爐缸爐底侵蝕模型

高爐爐缸爐底侵蝕情況是直接影響高爐使用壽命的非常重要的因素。高爐是一個巨大的密閉容體，爐缸爐底侵蝕模型主要是根據(jù)爐缸爐底側(cè)壁埋設(shè)的熱電偶檢測的爐壁各點溫度以及爐體四周冷卻條件。

4.5.3 熱風爐燃燒控制模型

熱風爐是高爐冶煉生產(chǎn)的重要設(shè)備，為高爐輸送穩(wěn)定高溫的熱風。熱風爐的燃燒分為三個加熱時間段：快速燃燒期、拱頂溫度控制期和蓄熱期。熱風爐燃燒控制模型根據(jù)煤氣熱值、殘氧檢測、拱頂溫度、廢氣溫度等參數(shù)的變化，計算出各燃燒時段的最佳空燃比。

4.5.4 鐵水溫度預(yù)報模型

鐵水溫度預(yù)報模型主要是結(jié)合模糊專家系統(tǒng)理論，計算和預(yù)報對爐溫造成影響的相關(guān)參數(shù)和指標，對高爐的實際熱水平進行預(yù)報。這樣能夠使鐵水溫度和硅含量得到有效控制，使其偏差量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過對過程控制系統(tǒng)精心的設(shè)計、計算和分析、測試和改進，確保系統(tǒng)的精準性和穩(wěn)定性，使其在高爐生產(chǎn)過程中的應(yīng)用更加方便快捷、運行更加穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)更加精準完整，滿足高爐冶煉的工藝要求和質(zhì)量標準，更大程度提升高爐冶煉生產(chǎn)的智能化程度。