芻議PLC 在鋼鐵冶金企業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用

袁世鵬

（新余鋼鐵集團(tuán)有限公司數(shù)智化部，江西 新余 338000）

0 引言

作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵冶金生產(chǎn)工序煩瑣、復(fù)雜，涉及的人員、機(jī)械等要素十分多樣，現(xiàn)階段自動化控制技術(shù)優(yōu)化發(fā)展，給冶金企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了極大助力，員工勞動強(qiáng)度降低，工藝順序控制、精度控制都更有保障。但由于現(xiàn)有的自動化技術(shù)開放性較差，無法實(shí)現(xiàn)自發(fā)邏輯編程控制，設(shè)備性能、參數(shù)設(shè)置等很可能不符合企業(yè)實(shí)際需求，因此造成的能源浪費(fèi)、效率下降等問題也普遍存在，有必要引進(jìn)靈活性更高的PLC 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 PLC 特點(diǎn)及優(yōu)勢

PLC 技術(shù)最早于20 世紀(jì)中后期出現(xiàn)在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營中，寶鋼是最先引進(jìn)該技術(shù)的企業(yè)，初代引進(jìn)的設(shè)備數(shù)量高達(dá)200 余臺，由于采用成套購置和安裝方式，因此支出費(fèi)用非常高昂。至20 世紀(jì)90 年代以后，PLC 技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛，設(shè)計(jì)、編程方案也更加完善，在降低費(fèi)用支出的同時實(shí)現(xiàn)了高效的自動化控制，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）體積小且安裝方便。PLC 編程語言較為豐富，其中梯形圖、流程圖語言簡單易懂，能夠滿足多數(shù)生產(chǎn)控制需求，裝置體積較小且非常輕便，只需將現(xiàn)場設(shè)備與PLC 對應(yīng)的I/O 接口聯(lián)通即可，用其替代PID 控制方法[1]，可以顯著提升動靜態(tài)屬性，參數(shù)監(jiān)控的處理能力也比傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備要強(qiáng)大，因此得到了諸多企業(yè)的青睞。

（2）滿足差異化生產(chǎn)需求。鋼鐵冶金工藝較為煩瑣和復(fù)雜，鋼鐵原料稱量、流量計(jì)算、集料比例配置等均存在較大差異，而PLC 采用可編程設(shè)計(jì)方式，內(nèi)部配備有豐富的輸出輸入接口，鋼鐵冶金企業(yè)完全可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置控制邏輯，對參數(shù)閾限、控制閥等進(jìn)行靈活改進(jìn)，有助于提升自動控制差異性，保障工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（3）降低故障發(fā)生概率。鋼鐵冶金生產(chǎn)設(shè)備多樣、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，因此儀表系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等很容易發(fā)生故障，而PLC 技術(shù)提供了大量的軟觸點(diǎn)，可以顯著降低磨損概率，且PLC 硬件架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，電源、CPU、編程器等模塊相互獨(dú)立，設(shè)置有配套的故障指示裝置，能夠明顯縮減故障停機(jī)時間。

2 PLC 硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用要點(diǎn)分析

PLC 技術(shù)全稱為可程序化邏輯控制器（programmable logic controller），是一種內(nèi)嵌微處理器的高端裝置，能夠在指令存儲的基礎(chǔ)上對各模塊進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，其硬件結(jié)構(gòu)主要分為7 個模塊，電源模塊負(fù)責(zé)能源轉(zhuǎn)化和供應(yīng)，中央處理器模塊負(fù)責(zé)指令下發(fā)、接收以及識別，另設(shè)輸入輸出（I/O）模塊、編程模塊、通信模塊等，可以為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行提供助力（圖1）?，F(xiàn)有的PLC 經(jīng)過長時間的發(fā)展和變革，已經(jīng)具備了較為完善的技術(shù)體系，可以支持多種語言的編程需求，常見的有控制系統(tǒng)流程圖、梯形圖等，前者主要用于工序過程控制場景，后者則用于離散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）的設(shè)計(jì)中，配合基礎(chǔ)的語句表編程語言類型，能夠?yàn)殇撹F冶金產(chǎn)業(yè)提供更加完善的管理流程。實(shí)踐中要結(jié)合工序情況對PLC 硬件進(jìn)行合理選用，根據(jù)傳感器、智能儀表型號確定PLC 端口，對控制器反應(yīng)需求、輸出信號需求等進(jìn)行深入分析，并選擇適配的PLC 機(jī)型，同時對各種語言進(jìn)行搭配使用，比如步進(jìn)電機(jī)控制中可以采用PLC 順序控制語言，多級分布式控制系統(tǒng)中則更推薦DCS 方式，最大限度保障自動化系統(tǒng)優(yōu)越性。

圖1 PLC 硬件模塊構(gòu)成

3 PLC 在鋼鐵冶金企業(yè)中的應(yīng)用思路及方案

3.1 高爐控制自動化

高爐是鋼鐵冶金企業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備，外部以鋼板作爐殼，內(nèi)部襯砌耐火磚進(jìn)行防護(hù)，按照功能種類的不同，基本可以分為高爐本體、熱風(fēng)爐、噴煤系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)以及上料系統(tǒng)等，子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)十分緊密，任何疏漏均有可能影響冶金生產(chǎn)質(zhì)量。PLC 技術(shù)融合使用過程中，需要處理好各模塊之間的通信連接關(guān)系，推薦采用小型TCP/IP 以太網(wǎng)通信方式，以微機(jī)聯(lián)網(wǎng)方式在各數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、調(diào)度室之間建立溝通橋梁。其中上料系統(tǒng)選用的PLC 控制器要足夠靈敏，能夠連接和控制槽下運(yùn)料皮帶、振動篩、液壓油泵等設(shè)備，對于稱量斗誤差情況還能夠進(jìn)行為微波檢測和補(bǔ)償控制。爐頂裝料系統(tǒng)同樣內(nèi)嵌PLC 裝置，可以控制密封閥、節(jié)流閥等，高爐本體采用儀表控制方式，配額傳感器實(shí)時采集爐內(nèi)壓力、流量計(jì)溫度信號，所有數(shù)據(jù)實(shí)時傳送回PLC 裝置，內(nèi)部CPU 判別比較后控制爐頂壓力變更，參數(shù)記錄還能拷貝、傳送回?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器，按照實(shí)際需求生成歷史報(bào)表和變化曲線，為生產(chǎn)管理的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)提供依據(jù)。熱風(fēng)爐系統(tǒng)采用兩燒一送方式，內(nèi)嵌PLC 裝置對熱風(fēng)閥、煙道閥、冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥等進(jìn)行管控，所有控制指令建立在參數(shù)分析基礎(chǔ)上，管理效率和質(zhì)量更有保障（圖2）。

3.2 電機(jī)變頻調(diào)速與降耗增效

高爐鼓風(fēng)機(jī)是冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的動力設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性、高效性直接影響冶金生產(chǎn)效率，若鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障、停機(jī)問題，將會給企業(yè)帶來不可估量的損失。與此同時，該部分也是整個高爐系統(tǒng)中功率載荷最大的部分，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年我國單位鋼耗電量基本可以達(dá)到474kWh/t[2]，其中有多數(shù)能耗都來源于鼓風(fēng)機(jī)，因此強(qiáng)化電機(jī)變頻調(diào)控勢在必行。分析能耗問題時，可以發(fā)現(xiàn)無功功率在其中扮演了極其重要的角色，無功功率的增大不僅會影響電壓，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的線損、變壓器損耗問題，加劇資源浪費(fèi)問題，因此設(shè)計(jì)過程中完全可以借助PLC 裝置對無功功率情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)返回計(jì)算后生成相應(yīng)的優(yōu)化方案，并將指令饋回PLC 裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速與降耗增效。

此外，鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝中，熱軋工藝也是導(dǎo)致能耗急劇上升的重要誘因，借助PLC 技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化改造時應(yīng)當(dāng)做好流程把控和針對性分析，第一道加熱爐均熱工序中，可以設(shè)置PLC 自動調(diào)溫控溫程序，通過電熱偶、電控?zé)斓膮?shù)調(diào)控保障均熱處理質(zhì)量，減少危險(xiǎn)因素。第二道的高壓水除鱗系統(tǒng)中，可以借助HMD 探測板坯位置，并依托PLC 裝置控制噴射閥組啟閉，最大限度保障精準(zhǔn)性。第三道壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，同樣可以借助PLC 技術(shù)對AGC 厚度、HGC 輥縫[3]等進(jìn)行調(diào)整控制，保證板坯加工塑性質(zhì)量，在最后的冷卻、卷曲工藝中，需要通過快冷、層流等方式對板材進(jìn)行優(yōu)化處理，可以借助PLC 技術(shù)對側(cè)導(dǎo)板、助卷輥踏步等進(jìn)行控制，簡化工藝的同時提升軋鋼質(zhì)量。

3.3 配比計(jì)算與配料調(diào)控

鐵礦粉、焦炭等是鋼鐵冶金生產(chǎn)鏈中不可或缺的原料物資，其供應(yīng)速度、配比均會影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量，傳統(tǒng)進(jìn)料場控制多依賴?yán)^電器、接觸器裝置完成，其中包含的元器件種類非常多樣，接線也十分復(fù)雜，單個部位的故障問題很容易擴(kuò)散、蔓延，造成大規(guī)模的停機(jī)隱患。PLC 技術(shù)與傳統(tǒng)的控制裝置相比，穩(wěn)定性、高效性都要更加明顯，開關(guān)動作由無觸點(diǎn)半導(dǎo)體電路完成，設(shè)備接線顯著簡化，限位開關(guān)、傳感器等直接與PLC 端子連接，即可滿足聯(lián)通控制需求，內(nèi)部配備的故障指示裝置還能實(shí)時檢測和警報(bào)，大幅簡化了故障檢修工作量（圖3）。融合設(shè)計(jì)時注意做好控制需求分析，作業(yè)流程應(yīng)當(dāng)具備自由選擇、取消功能，支持人為遠(yuǎn)程輸入指令，流程之間也要建立起互鎖關(guān)系，凡是含有一個或一個以上相同設(shè)備的流水線，絕對不能同時啟動，避免現(xiàn)場出現(xiàn)不同原料混合輸送的情況，減少多來源原料同時匯聚可能造成的堆料、壓帶問題。單條流水線之中則要處理好上下游設(shè)備的聯(lián)鎖啟動關(guān)系，防止原料已經(jīng)進(jìn)入但膠帶機(jī)卻靜止的狀況，減少現(xiàn)場堆料造成的不良影響，同時配備現(xiàn)場急停功能，若生產(chǎn)線中出現(xiàn)打滑、堆料等情況時，要能夠及時停車并發(fā)出提示，待到上游空出并排除故障隱患后方可重新啟動。

圖3 鋼鐵冶金企業(yè)PLC 自動供配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 燒結(jié)除塵與煉鐵除塵

粉塵污染是鋼鐵企業(yè)燒結(jié)、冶金生產(chǎn)中較為常見的污染類型，原料運(yùn)輸、裝卸過程中會產(chǎn)生大量含塵廢氣，生產(chǎn)中涉及的多種化學(xué)反應(yīng)還會加劇廢氣產(chǎn)生量，部分氣體成分較為復(fù)雜，含有大量的氧化鐵煙塵，粒度比常規(guī)粉塵小且吸附力極強(qiáng)，治理凈化難度較高。PLC技術(shù)的出現(xiàn)可以較好地解決這些問題，將之內(nèi)嵌于原料準(zhǔn)備系統(tǒng)中，原料從破碎、混合至篩分、運(yùn)輸均在監(jiān)控范圍之內(nèi)，通過邏輯設(shè)計(jì)定時噴灑水霧實(shí)現(xiàn)水利除塵，篩分環(huán)節(jié)則設(shè)置密閉抽風(fēng)除塵系統(tǒng)，傳感器感應(yīng)到原料運(yùn)送到位后，由PLC 負(fù)責(zé)指令下達(dá)和遠(yuǎn)程控制，另配備分散式除塵系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況選取泡沫式或脈沖式設(shè)備，與PLC 互為配合最大限度保障除塵效果。燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)同樣可以裝設(shè)PLC 裝置，對燒結(jié)過程中的二氧化硫濃度進(jìn)行檢測，當(dāng)其達(dá)到一定濃度后啟動脫硫引入開關(guān)，二氧化硫經(jīng)過專門的石灰石膏處理或鋼渣石膏處理后，濃縮和凝練成硫酸銨，方便后期回收使用。球團(tuán)豎爐、爐前礦槽等處同樣可以采用類似的除塵優(yōu)化技術(shù)，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益的提升奠定基礎(chǔ)。

3.5 故障響應(yīng)與自動停車

冶金生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時間長且工作強(qiáng)度大，很容易出現(xiàn)各種各樣的故障，常見的比如松動故障，多發(fā)于振動篩、球磨機(jī)等設(shè)備中，基礎(chǔ)松動是其中較為典型的類別，表現(xiàn)為機(jī)械底部支座、承座的緊固螺栓松動[4]、軸承外套松動等。再比如變形故障，多是由于安裝、制作不當(dāng)，致使軸類零件長期承受偏心應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)變形彎曲現(xiàn)象。此外磨損性故障也是非常多見的種類，多發(fā)于齒輪、鏈輪等對轉(zhuǎn)零件中，其中的元部件相互接觸，在長期的運(yùn)行過程中發(fā)生損耗。鋼鐵冶金企業(yè)現(xiàn)場粉塵較大，酸堿環(huán)境較為復(fù)雜，設(shè)備長時間投產(chǎn)運(yùn)營后外部密封殼很容易發(fā)生損壞裂縫情況，粉塵隨間隙進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，也會進(jìn)一步加劇磨損問題。故障發(fā)生后不僅會干擾正常生產(chǎn)秩序，造成停工降產(chǎn)等問題，還會帶來嚴(yán)重的安全隱患，PLC 技術(shù)引進(jìn)后，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定故障檢測參數(shù)和閾值，比如動作超時判定、過動作判定等，一旦超過預(yù)設(shè)值上限即可發(fā)出警報(bào)，提醒現(xiàn)場人員檢查定位，對于嚴(yán)重故障問題還可以及時停車，防止故障擴(kuò)大造成高額損失或滋生安全問題。實(shí)踐中也可以與人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)[5]等聯(lián)用，發(fā)生故障后PLC 直接返回相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)后臺計(jì)算分析，并得出相應(yīng)的定位和檢修解決方案，供檢修人員查看參考，加快檢修速度的同時保障流水線正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

綜上所述，鋼鐵冶金工藝具有鮮明的煩瑣性、復(fù)雜性特征，冶煉溫度、壓力、送料速度等均會影響冶金成效，實(shí)踐中務(wù)必要給予充分重視，利用PLC 技術(shù)對高爐裝料系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合高效感應(yīng)、控制器改進(jìn)料場供應(yīng)鏈，同時借助PLC 技術(shù)高端性能提升除塵系統(tǒng)、故障響應(yīng)系統(tǒng)性能，完善熱軋工序生產(chǎn)線，降低能耗的同時保障生產(chǎn)安全性和高效性，為鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。