高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)

辛瑞峰 江 杰

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010）

0 概述

高爐上料裝置是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高其自動(dòng)化水平，可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)通過(guò)原料的精確配比，又可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC完成所有的順序控制過(guò)程、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)節(jié)、事故處理及報(bào)警等工作。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控和人機(jī)對(duì)話(huà)，PLC和計(jì)算機(jī)通過(guò)光纖進(jìn)行通訊，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，控制與監(jiān)控分開(kāi)，可靠性高。

1 上料系統(tǒng)的控制方案

萬(wàn)騰鋼鐵1#高爐上料控制系統(tǒng)分為槽下配料和小車(chē)上料及爐頂布料三部分構(gòu)成，采用的是卷?yè)P(yáng)小車(chē)自動(dòng)上料，爐頂是單罐式無(wú)料鐘爐頂，槽下礦槽為單列左右對(duì)稱(chēng)布置，高爐料車(chē)卷?yè)P(yáng)采用的是兩套變頻傳動(dòng)，互為備用。溜槽布料傾角和節(jié)流調(diào)節(jié)采用比例閥控制，爐頂探測(cè)料面采用2根變頻調(diào)速垂直探尺。爐頂其它設(shè)備采用的是液壓傳動(dòng)。溜槽、料溜調(diào)節(jié)閥的位置檢測(cè)裝置采用的是三個(gè)增量型編碼器。在上料過(guò)程中，爐料先投進(jìn)受料斗里，隨后放入料罐中，在這個(gè)過(guò)程中，由于高爐不能和大氣相通，通過(guò)控制爐頂放散閥、均壓閥、上密閥、料斗翻板、下密閥、料流閥的順序開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)高爐的正常下料，通過(guò)控制α、β、γ來(lái)實(shí)現(xiàn)高爐布料。

根據(jù)高爐上料系統(tǒng)的工藝要求，綜合考慮控制的可靠性及實(shí)用性，其設(shè)計(jì)方案如下。

高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)由一套冗余PLC及三個(gè)遠(yuǎn)程I/O站組成。CPU機(jī)頭及高爐爐頂I/O位于高爐主控樓PLC室，CPU、電源模塊及通訊模塊采用冗余方式。爐頂遠(yuǎn)程I/O主要控制爐頂設(shè)備及布料器、探尺等爐頂設(shè)備。槽下設(shè)備遠(yuǎn)程I/O站位于礦槽主控樓，主要控制槽下配料設(shè)備以及槽下液壓站設(shè)備。卷?yè)P(yáng)遠(yuǎn)程I/O站位于卷?yè)P(yáng)液壓站，主要控制爐頂液壓站及與卷?yè)P(yáng)西門(mén)子300PLC的硬連接控制。礦槽除塵遠(yuǎn)程I/O站，主要控制礦槽除塵風(fēng)機(jī)、倉(cāng)壁振動(dòng)器及刮板機(jī)等除塵系統(tǒng)設(shè)備。

2 控制系統(tǒng)的硬件配置

圖1 上料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)示意圖

整個(gè)上料系統(tǒng)包括一套冗余PLC系統(tǒng)和三個(gè)遠(yuǎn)程I/O站。冗余PLC包括CPU冗余、電源冗余及網(wǎng)絡(luò)冗余。各機(jī)架之間采用Cnet冗余連接。具體如下圖1所示。

上位機(jī)完成對(duì)整個(gè)上料系統(tǒng)的順序控制和畫(huà)面監(jiān)示及數(shù)據(jù)采集等。自動(dòng)控制系統(tǒng)下位機(jī)采用的是美國(guó)羅克韋爾公司生產(chǎn)的AB logix5000系列PLC,監(jiān)控軟件采用的是美國(guó)羅克韋爾公司生產(chǎn)的AB Factory Talk View Stodio，上位機(jī)與PLC之間通過(guò)光纖以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上料過(guò)程的自動(dòng)控制。

網(wǎng)絡(luò)通訊方面，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分控制級(jí)和監(jiān)控管理級(jí)兩級(jí)控制。在監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)中采用100Mb光纖工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議），傳輸速率為10/100M自適應(yīng)。監(jiān)控管理級(jí)通過(guò)光纖及交換機(jī)將各PLC系統(tǒng)、控制站連接構(gòu)成工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通過(guò)配置交換機(jī)構(gòu)成了快速生成樹(shù)的環(huán)網(wǎng)方式，以便在光纖路由單點(diǎn)斷路時(shí)能夠及時(shí)的保證通訊的正常。

3 上料控制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)

高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括槽下配料及爐頂上料兩部分組成，高爐爐頂采用無(wú)料鐘單罐式爐頂，分為受料斗、料罐、氣密箱等組成部分。裝料流程：焦炭、燒結(jié)礦等各種入爐原料由料車(chē)運(yùn)到爐頂，倒入受料斗中，受料斗最多可裝4車(chē)料。料罐放散完畢后打開(kāi)上密閥和料斗翻板向料罐裝料。裝料完成后料罐進(jìn)行均壓。一旦高爐準(zhǔn)備接受下一批爐料就進(jìn)行布料，首先打開(kāi)下密閥并將料流調(diào)節(jié)閥打開(kāi)至設(shè)定開(kāi)度，料罐中的爐料通過(guò)料流調(diào)節(jié)閥流到旋轉(zhuǎn)的布料溜槽上。在布料期間，通過(guò)γ射線探測(cè)料流，該裝置可發(fā)出料罐清空信號(hào)。一旦料罐清空，關(guān)閉料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥，打開(kāi)放散閥進(jìn)行放散，準(zhǔn)備下一次裝料。

布料流程：一批料中，允許焦礦設(shè)定兩個(gè)不同的料線位置。當(dāng)探尺達(dá)到規(guī)定的料線位置后，自動(dòng)提升到位，發(fā)出布料信號(hào)，下密封閥打開(kāi)，布料溜槽進(jìn)行啟動(dòng)。β角旋轉(zhuǎn)到設(shè)定速度并且到達(dá)布料位置，開(kāi)啟料流調(diào)節(jié)閥，按照批重及規(guī)定的布料程序，調(diào)節(jié)料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和溜槽傾角，使每圈料流均勻、重量相等和首尾相接的向爐喉任意布料。為了減少料頭料尾不均勻現(xiàn)象，每批料布完后，布料角度自動(dòng)步進(jìn)60度。

3.1 爐頂控制范圍及內(nèi)容

1）爐頂上至料罐下至探尺各設(shè)備的順序控制。

2）無(wú)料鐘單罐式爐頂?shù)难b料及均壓、放散控制。

3）料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度（γ角）、布料溜槽傾動(dòng)角（α角）、布料溜槽旋轉(zhuǎn)角（β角）的控制。

3.1.1 爐頂裝料控制

上次布料結(jié)束且下密閥關(guān)到位后，程序發(fā)出申請(qǐng)裝料信號(hào)，料車(chē)開(kāi)始裝料，受料斗滿(mǎn)且料罐空，放散閥打開(kāi)，在放散過(guò)程中，一旦打開(kāi)放散閥并料罐內(nèi)壓力等于大氣壓力，則認(rèn)為放散OK。放散OK后開(kāi)上密閥，上密閥開(kāi)到位后開(kāi)翻板，料車(chē)開(kāi)始下料。延時(shí)一定時(shí)間后翻板關(guān)閉，關(guān)放散閥，關(guān)上密閥，爐料裝入料罐中后開(kāi)均壓閥開(kāi)始均壓。這時(shí)受料罐發(fā)允許料車(chē)上行信號(hào)。 爐頂系統(tǒng)畫(huà)面如圖2所示。

3.1.2 爐頂布料控制

圖2 爐頂系統(tǒng)操作畫(huà)面

圖3 布料器系統(tǒng)畫(huà)面

料罐滿(mǎn)且上密關(guān)到位后，程序發(fā)出申請(qǐng)布料信號(hào)，此時(shí)探尺探測(cè)到設(shè)定料線后提探尺至零位。均壓好后關(guān)均壓閥。探尺提到零位后開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)α、β。布料溜槽傾動(dòng)的正常工作角度范圍是13-55度。當(dāng)溜槽傾角小于12度或大于55度時(shí),溜槽停止移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)出報(bào)警,只有在報(bào)警清除后才可以繼續(xù)移動(dòng)。溜槽的旋轉(zhuǎn)由變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。正常情況下溜槽不停的旋轉(zhuǎn)，如果溜槽的傾角位置達(dá)到了上限或下限，或者探尺在爐內(nèi)時(shí)溜槽傾角大于45度，溜槽要立即停止旋轉(zhuǎn)并報(bào)警。溜槽分正傳和反轉(zhuǎn)，每隔一段時(shí)間會(huì)改變旋轉(zhuǎn)方向，這樣可以確保溜槽磨損平衡。PLC根據(jù)爐頂料單和槽下傳送來(lái)的布料料單給出料流調(diào)節(jié)閥γ的設(shè)定開(kāi)度，控制料流調(diào)節(jié)閥打開(kāi)到設(shè)定開(kāi)度開(kāi)始布料，當(dāng)接受到料罐清空信號(hào)，料流調(diào)節(jié)閥首先完全打開(kāi)才能關(guān)閉。清空信號(hào)由射線檢測(cè)和PLC的定時(shí)器共同完成，如果在料流閥打開(kāi)后規(guī)定的時(shí)間后發(fā)出清空信號(hào)，則認(rèn)為料罐已經(jīng)清空，如果在規(guī)定的時(shí)間之前發(fā)出清空信號(hào)則認(rèn)為是料罐堵塞，PLC將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)一直保持，只有料流閥完全打開(kāi)并且確保料罐完全排空后才能解除。料流閥關(guān)閉后關(guān)下密閥，降下探尺檢測(cè)料面，布料結(jié)束。布料器系統(tǒng)畫(huà)面如圖3所示。

3.2 上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用的是羅克韋爾公司生產(chǎn)的 AB FactoryTalk View Stodio監(jiān)控軟件。

我們根據(jù)高爐上料及配料設(shè)備的實(shí)際情況繪制了準(zhǔn)確美觀的工藝換面以及各個(gè)設(shè)備的操作面板，使操作人員能夠方便的監(jiān)視和控制整個(gè)上料及配料的工藝過(guò)程。共包括高爐上料總貌畫(huà)面、爐頂系統(tǒng)畫(huà)面、配料周期畫(huà)面、大閘門(mén)系統(tǒng)畫(huà)面、皮帶系統(tǒng)畫(huà)面、周期指揮畫(huà)面、主卷?yè)P(yáng)運(yùn)行畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面以及各工藝參數(shù)的歷史趨勢(shì)畫(huà)面等，極大程度的滿(mǎn)足了工藝人員對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程的監(jiān)控需求。各種重要設(shè)備和參數(shù)也做了詳細(xì)的聲光報(bào)警，能夠及時(shí)的提醒操作人員在重要環(huán)節(jié)中做出快速判斷。系統(tǒng)總貌畫(huà)面如下圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

包鋼萬(wàn)騰鋼鐵1#高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料及上料的全過(guò)程。其主要工藝過(guò)程的控制穩(wěn)定安全，技術(shù)先進(jìn)，節(jié)能降耗顯著，操作人員操作方便快捷。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，有利于減少設(shè)備的故障率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖4 上料系統(tǒng)總貌畫(huà)面

［1］柴國(guó)安.包鋼四高爐工藝與裝備[Z].包鋼印刷廠，1996.

［2］李云濤.高爐爐頂裝料系統(tǒng)的控制與研究[D].東北大學(xué)，2008.