西門子PLC在高爐上料自動控制系統中的應用

樊建國

（新疆昆玉鋼鐵有限公司，新疆 伊犁833200）

0 引言

高爐煉鐵是一項比較復雜的生產過程，首先必須在槽下將燒結礦、球團礦、塊礦、焦炭、焦丁、熔劑等各種入爐原料混合、搭配合理，再通過高爐上料小車或運輸皮帶將混合后的原料輸送至高爐爐內。準確、及時上料是保證高爐產量和產品質量的前提，本文所述高爐上料方式為雙料車循環上料，應用西門子PLC自動控制技術可有效提高上料的準確性、布料的均勻性，保障生產的穩定進行。

1 高爐上料系統工藝流程

高爐上料是指從槽下供料到爐頂設備將入爐料（燒結礦、球團礦、焦炭等）裝入爐內的全過程。高爐原料從槽下輸送到爐頂有兩種方式：皮帶輸送、小車輸送。新疆昆玉鋼鐵三座高爐均采用小車輸送方式，小車卷揚機采用交流電機拖動，電機正、反轉控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺料車在斜橋上一上一下交替工作。槽下備料系統有兩個熔劑倉、兩個球團焦炭混合倉、四個燒結礦倉、四個焦炭倉和一個焦丁倉，燒結礦倉、球團礦倉經振動篩，熔劑倉經給料機后，按配料料單規定送稱量料斗稱量，然后放料，由槽下主皮帶送到地坑稱量漏斗。地坑分南、北兩個稱量斗。料車到料坑后，坑斗把料放入料車，坑斗閘門關到位且爐頂備好后，料車啟動。兩臺料車按生產要求將槽下各種物料由料車卷揚機提升到爐頂，經爐頂受料斗放料閥、上密封閥、料流調節閥、下密封閥，再經布料器將物料均勻地布到爐內。

2 西門子PLC系統組成

西門子PLC采用STEP7編程軟件對現場設備進行控制編程，有梯形圖、語句表、功能塊等多種編程語言，上位機通過WinCC監控畫面實現對現場設備的操作和監控。硬件系統采用S7－400PLC為主站，通過Profibus－DP網絡與ET200從站及爐頂用DP編碼器進行數據交換。

新疆昆玉鋼鐵高爐上料系統中硬件PLC選用了以下模塊：（1）CPU模塊：CPU416－2DP，程序運行及編輯存儲。（2）電源模板：PS407／4A，通過背板總線向模塊提供DC5V和DC24V電源。（3）通訊模板：CP443－1，進行通訊和數據交換。（4）ET200從站：是基于Profibus－DP現場總線的分布式I／O，與西門子的其他自動化系統協同運行，采用S7－300全系列模塊，最多8個模塊。（5）數字量輸入模板：DC24V，現場狀態信號與PLC控制器之間的接口。（6）數字量輸出模板：DC24V，PLC控制器與現場設備的接口。（7）模擬量輸入模板：現場模擬量信號與PLC控制器之間的接口。（8）模擬量輸出模板：PLC控制器與現場設備的接口。

3 槽下自動化控制系統

槽下自動化控制系統主要包括備料自動化控制系統、稱量自動化控制系統和卷揚料車自動化控制系統。

3.1 備料自動化控制系統

高爐礦槽用振動給料機對入爐原料振動給料，控制料流速度、流量，防止料流阻塞，電機振動使物料連續不斷流動，達到均勻輸送物料的目的；用振動篩對燒結礦、球團礦、塊礦等入爐含鐵原料及焦炭、焦丁、熔劑等進行篩分，篩分后合格的原料進入稱量斗，篩分出的碎焦則經返碎焦丁皮帶運到焦丁倉，篩下碎礦則經返碎礦皮帶運到燒結倉。

需要時根據程序使選定的給料機、振動篩、稱量斗進行自動備料，備料時自動啟動給料機和振動篩向料倉內受料，為避免振動篩壓料，PLC內程序設定振動篩啟動5s后給料機啟動，料倉達到設定秤值時停止振料，備好的入爐原料經槽下1#、2#主皮帶輸送至集中稱量斗，經上料小車輸送至爐內。

3.2 稱量自動化控制系統

為控制爐內料批的大小，操作人員根據爐長下發的料單從上位機輸入料種、料批大小及稱量斗放料順序，振動篩根據料批大小自動振料、自動稱量，并完成稱量誤差的自動補償。當稱量斗內原料秤值與設定值之差小于誤差范圍時，振動篩停止振料。

3.3 卷揚料車自動化控制系統

在煉鐵高爐上料系統控制中，上料小車的控制是核心。本套設備由主控單元、現場變送單元、連接電纜組成，主控單元由西門子操作面板TD400、西門子S7－200PLC（CPU224）、輸出繼電器、控制電源等組成；現場變送單元由機座、傳動機構和8位絕對型旋轉編碼器組成，通過旋轉編碼器和連接電纜將上料小車的位置信號送至主控單元。

對料車的控制有自動和手動兩種方式，自動由PLC完成，手動由操作箱轉換開關完成。小車在斜橋上運動時，同步帶動編碼器旋轉，PLC采集到的是一系列編碼，確定了原點之后，小車在斜橋上整個行程中任一位置都在PLC中有一個唯一的相對于原點的編碼，這些編碼按十進制整數連續排列，反映小車當前位置與原點之間的距離關系。根據現場實際情況一般把斜橋底部小車裝料位置設為原點，TD400面板上顯示的“當前位”及其他設定的限位都以原點為參考點。

精度計算：本文料車滾筒直徑為1 800mm，當卷筒旋轉一周時編碼器也旋轉一周，由于編碼器旋轉一周為256個碼，所以主令精度為3.14×1 800／256≈22mm。也就是當前位每增加1個點，小車實際運行約22mm；每減少1個點，小車反向運行22mm。主控單元內有5個輸出繼電器Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分別作為料車運行中的減速點一、減速點二、低速檢查點、上限點、上超限點。當小車上行時當前位編碼連續增加，料車上行出料坑時控制系統控制小車高速運行；當小車上行至減速點一時Q0.0輸出，控制料車進行一級減速；當小車上行至減速點二時Q0.1輸出，控制料車進行二級減速；此時控制系統控制小車低速運行，當小車實際運行速度與變頻器給定速度一致時Q0.2輸出，表示料車已降至低速運行；當小車上行至上限點時Q0.3輸出，控制料車停止；上超限Q0.4直接控制料車接觸器，當Q0.4輸出時，料車進線接觸器直接分閘，抱閘機構動作，以避免料車沖頂，保證控制系統安全。

4 爐頂設備自動化邏輯控制

爐頂設備主要包括爐頂閥門、爐頂探尺、溜槽等，爐頂閥門又包括受料斗放料閥、料罐上密封閥、料罐下密封閥、料流調節閥、均壓閥、放散閥。根據PLC內部程序，爐頂閥門可實現自動控制和手動控制操作。正常情況下，整個高爐放料過程實現全自動放料，當探尺檢測到爐內料面低于設定料線時，探尺自動提起，發出請求放料信號，料罐均壓顯示“OK”，下密封閥開至全開位置，料流調節閥開至設定角度進行放料，此時溜槽根據設定角度及設定圈數放料，當料罐內出現料空信號時，料流調節閥開至全開位置，標志著一次料罐放料結束。

探尺控制方式：爐內設有兩套探尺裝置，通過西門子PLC與ABB變頻器結合控制放尺和提尺。每套探尺在控制柜柜門都設有操作方式選擇開關，包括手動／自動、提尺／放尺及相應指示等，可實現連續測量和點測料面。兩個探尺可同時工作，也可任選一個。手動方式可在柜門上操作，自動方式則由程序控制。每放入高爐中一批料，探尺自動下放進行探料，料線到達設定值后允許放料。放料之前，探尺必須提升到零位，以免料線探尺重錘被埋入料層內燒壞。料線測量通過編碼器進行，并在上位機上動態顯示，料線可通過WinCC監控畫面設定。

布料器控制方式：分為旋轉角度β控制和傾動角度α控制。旋轉角度β控制采用西門子PLC與ABB變頻器結合的控制方式，可在WinCC畫面設定“N圈／min”，自動控制布料器旋轉速度，通過步進角度控制料罐下密封閥開閥位置，步進角度可以在WinCC畫面上根據需要設定0～360°范圍內任意角度。傾動角度α控制采用西門子PLC與液壓控制技術調整布料角度α，通過旋轉編碼器計算出具體角度值，反饋至PLC，通過WinCC畫面顯示，供高爐操作人員檢測及調整。

5 結語

本文討論了基于西門子PLC的高爐上料自動控制系統的控制情況，本系統已在高爐生產中得到了實際應用，滿足了現場的生產工藝要求。

［1］廖常初.S7－300／400PLC應用技術［M］.3版.北京：機械工業出版社，2012.

［2］劉鍇，周海.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.