雙福礦業氧化球團項目自動化控制系統的開發設計

孫智慧

摘 要本文主要介紹了承德雙福礦業氧化球團項目鏈篦機-回轉窯生產工藝自動化控制系統的功能與實現。

【關鍵詞】自動化控制 PLC 變頻器

球團礦是高爐煉鐵的原料，其品質直接影響到高爐的操作，而自動化控制對球團礦的質量有很大的影響。本文以承德雙福礦業氧化球團項目的開發為例，主要從電氣儀表自動化的角度去詮釋球團的生產工藝過程及控制要求、控制模式及功能實現。

1 工藝簡介

承德雙福礦業氧化球團項目采用鏈篦機-回轉窯進行球團生產。工藝主要包括：原料準備及配料系統、造球系統、焙燒冷卻系統、煤粉制備系統、水系統、原料除塵與環境除塵系統、輕柴油系統等。本文主要介紹其中的原料準備及配料、造球、焙燒冷卻以及煤粉制備這四大部分工藝及控制功能的實現。

2 自動化控制系統的組成

2.1 硬件系統組成

系統網絡采用環形以太網通訊，采用多模光纖及網絡交換機的方式來鏈接。在這五個系統中，其中原料準備與混配料、造球系統、噴煤系統和水系統采用西門子S7300熱插拔控制系統，焙燒冷卻系統采用S7400熱插拔控制系統。每個系統自身采用PROFIBUS-DP網通訊，主站下掛若干ET200 I/O遠程分站和變頻器，以及與廠家成套設備的通訊。

2.2 軟件系統組成

操作系統為WIN7系統，操作員站采用WINCC7.0；

3 軟件控制

3.1 原料及配料系統控制

原料系統原料主要有鐵精粉、皂土、除塵灰，根據原料進行相應量的配比后通過皮帶進入混合機內進行混合攪拌。主要設備是圓盤給料機和定量給料機，均采用變頻控制。控制思路是根據皮帶秤檢測料量調節圓盤給料機的速度使之與設定值趨于一致。難點在于因為料濕，皮帶秤給PLC的數據不穩定，因此程序中通過計算移動平均值的方法，將皮帶秤瞬時料量處理后再做自動配料的調節。這樣得到了較穩定的檢測值，為自動配料打下了良好的基礎。

3.1.1 配料控制是通過PID調節變頻器的速度

操作員站上設定總下料量，每個料倉設定值取決于料倉的配比，根據配比計算出料倉的下料量做為PID調節的設定值。皮帶秤檢測數據作為料量的實際值，調用STEP7軟件本身的PID調節塊，在開始的上料階段調試比例、積分以及調節死區等這些系數，達到調節速度適中、跟隨性好、調節的誤差達到配比所要求的精度。PID調節與模擬量輸出限幅功能相結合，達到更好效果。

3.1.2 強力混合機控制

混合機除了與上下游設備的聯鎖關系外，自身的保護比較多：有料位檢測，混合機準備啟動及已進料等信號，當上游進料皮帶停止運行后，混合機也要將自身的料混合好并排空后才會延時停止運行。

3.2 造球系統自動化控制

3.2.1 造球主工藝控制

混合料倉下的圓盤給料機，下料到定量給料機上（上裝有皮帶秤）后進入造球圓盤，加入適當的水份，通過控制造球圓盤的速度即可出生球。圓盤給料和造球圓盤實現變頻控制。

3.2.2 高壓系統控制

整個系統所有高壓設備的開關量檢測與控制都進到造球系統，而高壓設備本身的各種保護及儀表數據進其所在的自動化系統，所以在高壓設備控制中，與每個系統都有數據通訊，通過建立以太網連接，與其他系統進行數據交換。

3.3 焙燒冷卻系統

焙燒冷卻系統分為：返料系統、鏈篦機控制、回轉窯本體系統控制、環冷機控制等。

3.3.1 返料系統控制

該系統主要是設備啟停順序控制。操作員站上設有一鍵啟動按鈕，當濕返一皮帶運行時，這些設備即可自動順序啟動，當中間設備有故障時，其上游設備可順序延時停止。

3.3.2 鏈篦機控制

鏈篦機爐篦速度主要是通過控制爐篦上的球團厚度實現。由過程計算機把爐篦料位即層厚數據及數學模型提供給PLC過程控制級作為速度設定值，加上前饋環節，即供到爐篦的生球量作為擾動補償。

3.3.3 回轉窯本體控制

回轉窯本體控制是給液壓馬達啟動信號，設定回轉窯的轉速。還包括窯頭罩、窯尾罩的溫度、壓力、窯位及助燃風機的流量、壓力檢測。

3.3.4 環冷機系統控制

主要有二冷段、三冷段回風溫度與壓力控制。根據排礦溫度信號自動控制環冷機的速度，改變風量，以調節排礦溫度。

3.4 噴煤系統的控制

主要包括煤粉制備、煤粉收集及煤粉送至回轉窯三大部分。在噴煤系統中，有多個成套設備，中速磨、煤粉收集、環狀天平、沸騰爐以及羅茨風機等，與這些成套設備的數據通迅是自動化控制的一個重點與難點。

3.4.1 煤粉制備控制

煤粉制備密封皮帶秤和中速磨為廠家成套設備。與密封皮帶秤的數據通過電纜直連通訊，與中速磨通過以太網通訊來實現數據交換。原煤倉料位低時可自動啟動圓盤給原煤倉上料；密封皮帶秤根據HMI上設定的下料量，自動調節皮帶秤本身的速度，進而達到設定的給料速度。中速磨隨設備帶有稀油潤滑系統，液壓系統、冷卻水系統等。為了保護本體設備，HMI上有加壓泵的運行狀態、液壓站的油箱溫度、供油壓力、主電機前后軸承溫度、主電機定子繞組溫度、冷卻水進出口壓力及溫度等。根據工藝要求設定中速磨的磨煤速度及輥的壓力，中速磨本身有液壓系統，用抬輥、落輥來控制磨煤的精細度。

3.4.2 煤粉收集系統控制

煤粉收集系統是廠家自帶S7300控制系統，通過以太網與其進行數據通訊。

3.4.3 煤粉噴吹系統控制

煤粉噴吹量控制采用廠家成套設備環狀天平，與PLC系統采用以太網通訊進行數據通訊。根據工藝的要求，在操作員站上設定噴煤量及羅茨風機的速度來調節回轉窯的燃燒情況。噴吹量的計算包括噴吹量和噴吹速度的計算，噴吹量是通過環狀天平來檢測，噴吹速度是通過控制羅茨風機的速度來調節。

3.4.4 各種累計報表功能

通過程序，實現了對原料以及生球、成品球、噴煤等數據小時、班、日、上小時、上班、上日的累計。

4 自動化控制系統的特點

整個自動化系統采用PLC為核心的EIC系統控制，融合儀表、電氣及信息為一體的自動化控制，PLC與變頻器的通訊全部采用PROFIBUS-DP網，系統硬件系統采用熱插拔方式，保障了生產的連續性。

承德雙福礦業150萬噸球團項目自2014年投產以來，從這一階段的實際生產運行情況看，該系統的硬件和軟件均安全可靠，性能穩定性好，故障率極低，而且也便于維護。監視畫面形象直觀，操作也比較簡單和容易掌握，取得了良好的經濟效益，滿足了生產和工藝的需要。

作者單位

河北鋼鐵集團承鋼公司自動化中心 河北省承德市 067000