高爐噴煤自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梅小龍，梁海龍，白峭峰

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

高爐噴煤就是將煤磨成細(xì)小的無煙煤粉或者煙煤粉，然后將其或者兩者的混合物從高爐風(fēng)口用風(fēng)機(jī)吹進(jìn)爐內(nèi)，為爐內(nèi)物質(zhì)提供熱量和還原劑［1］。

高爐噴煤縮小了爐內(nèi)的呆滯區(qū)，降低了理論上的噴吹風(fēng)口的燃燒溫度，擴(kuò)展風(fēng)口前的回旋區(qū)，這樣能提高風(fēng)溫和改善爐內(nèi)的理化環(huán)境，為高爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的環(huán)境［2］，因此高爐噴煤是目前關(guān)于高爐冶煉系統(tǒng)優(yōu)化的核心。

噴煤量是高爐噴煤的影響因素，高爐噴煤的穩(wěn)定性是其噴煤技術(shù)水平評判的重要影響因素。高爐噴煤的噴煤裝備、噴煤工藝、自動控制系統(tǒng)和噴煤系統(tǒng)的測控手段是影響噴煤量的重要因素［3］。因此，分析噴煤工藝，設(shè)計(jì)合理的自動控制系統(tǒng)和控制方式，能夠很好地提高高爐噴煤的技術(shù)水平［4］。

1 噴煤工藝簡介

高爐噴煤由原煤儲運(yùn)、制粉、噴吹和供氣等工藝環(huán)節(jié)組成。原煤儲運(yùn)環(huán)節(jié)包括儲存運(yùn)輸、煤場等；制粉包括引風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)、原煤倉、中速磨、布袋收粉器、布袋收粉器等；噴吹包括煤粉倉噴吹罐、噴槍、分配器、布袋收粉器（煤粉篩）等；供氣環(huán)節(jié)由高低壓空氣系統(tǒng)組成，主要是為了維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行和穩(wěn)定工作［5］。整個(gè)高爐噴煤系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2 自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)綜述

為提高煤粉噴吹的效率、改善勞動環(huán)境及合理安排生產(chǎn)管理，且基于噴煤設(shè)備控制復(fù)雜、設(shè)備分散的原因，本文設(shè)計(jì)了集中控制、分散采集數(shù)據(jù)、匯總處理控制的控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC 和現(xiàn)場控制的各控制單元組成。上位機(jī)由兩臺安裝有WinCC軟件的計(jì)算機(jī)組成，其可同時(shí)完成制粉和噴吹等工藝的操作，并相互備份，提高系統(tǒng)的控制可靠性，且能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、工藝執(zhí)行情況及故障等。PLC 可編程控制器采用西門子S7－300PLC，整個(gè)系統(tǒng)由以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)各連接部分的數(shù)據(jù)傳輸交換和共享。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 高爐噴煤系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，系統(tǒng)按照流程圖指向，每隔一段系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間，停止一個(gè)機(jī)組，當(dāng)最后一個(gè)機(jī)組設(shè)備停止工作后，系統(tǒng)發(fā)出的停機(jī)指令完畢。系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)所設(shè)置的報(bào)警指令觸發(fā)時(shí)，上位機(jī)彈出報(bào)警提示界面，給出要求停車信號，如果沒有得到響應(yīng)，系統(tǒng)會按照事前設(shè)定的工藝要求自動運(yùn)行，保證設(shè)備的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

系統(tǒng)停止時(shí)停止一切工作，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，默認(rèn)為手動工作方式，需人工設(shè)定選擇自動工作方式方能自動控制。

2.2 噴煤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)計(jì)算機(jī)、S7－300PLC 和遠(yuǎn)程控制模塊ET200M 通過PORFIBUS－DP 連接組成。遠(yuǎn)程控制模塊ET200M 與PORFIBUS－DP之間通過通信接口模塊IM153－1 連接。其中ET200M 主從站之間的數(shù)據(jù)交換采用周期1／0方式。即按照主從式數(shù)據(jù)交換方式周期地將數(shù)據(jù)從從站發(fā)回主站，主站計(jì)算后將響應(yīng)傳回從站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在各自的PLC運(yùn)算周期內(nèi)，從站的布爾處理器與通信處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主站CPU 通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與接口模塊IM153－1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3 噴煤系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

PLC程 序 塊 有1 個(gè)OB 塊，5 個(gè)FC 塊，分 別 為FC10塊（高爐噴吹罐閥門的手動控制程序）、FC11（制粉過程手動控制程序）、FC12（系統(tǒng)整體手動和自動調(diào)節(jié)）、FC13（制粉過程的自動控制程序）、FC14（噴吹過程自動控制程序）。OB 塊是主程序塊，在運(yùn)行過程中通過調(diào)用5個(gè)FC塊來完成設(shè)計(jì)的功能。

OB塊作為程序的組織塊，是執(zhí)行程序的入口，然后再上位手動選擇執(zhí)行自動或手動。選擇自動時(shí)系統(tǒng)會自動執(zhí)行FC13和FC14兩個(gè)功能塊內(nèi)的程序；選擇手動時(shí)，操作員可根據(jù)工藝流程在上位執(zhí)行操作并運(yùn)用FC11和FC10兩個(gè)功能塊內(nèi)的程序。

在人機(jī)界面上點(diǎn)擊自動，然后點(diǎn)擊自動運(yùn)行，系統(tǒng)將按圖3中的步驟自動完成噴吹過程。

在噴吹過程中有泄壓過程、加料過程、加壓過程、噴吹過程4個(gè)過程，需要注意的是在不同的動作條件下不同的閥有不同的開閉狀態(tài)。

2.4 上位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

通過分析該高爐噴吹自動控制系統(tǒng)流程圖可知，上位機(jī)人機(jī)界面應(yīng)包括以下內(nèi)容：登錄界面、制粉界面、噴吹界面、噴吹趨勢界面、退出系統(tǒng)界面。其中噴吹界面如圖4所示。

上位機(jī)操作界面由WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，通過該界面，工作人員能實(shí)時(shí)地監(jiān)控整個(gè)噴煤過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并做出相關(guān)的響應(yīng)操作，從而有效地利用資源，提高生產(chǎn)效率。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的高爐噴煤自動控制系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)高爐噴煤的各項(xiàng)工藝流程的自動控制，且使噴煤實(shí)現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定、大噴吹。

圖3 噴吹過程運(yùn)行流程圖

圖4 噴吹界面

［1］ 金艷娟.高爐噴煤技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］ 謝建民.安鋼1號高爐噴煤自動控制系統(tǒng)研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2005：20－23.

［3］ 王國雄，王鐵，沈峰滿，等.現(xiàn)代高爐煤粉噴吹［J］.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

［4］ 郭術(shù)義，陳舉華，王濰，等.高爐噴煤的數(shù)值模擬與應(yīng)用［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）：337－339.

［5］ 楊婷，王時(shí)勝，楊劍.系統(tǒng)工程理論在企業(yè)經(jīng)濟(jì)模型中的應(yīng)用及其計(jì)算機(jī)仿真［J］.南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2002（4）：59－61.

［6］ 梁福臣.模糊控制理論在高爐噴煤控制中的應(yīng)用［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2005：31－32.

［7］ 楊天鈞，劉應(yīng)書.高爐富氧噴煤－氧煤混合與燃燒［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.