高爐噴煤自動控制系統設計

李曉鵬　張青旺

摘 要：隨著科學技術的不斷發展進步，人們對鋼鐵的產能與產品質量要求也一直在不停的提高，這加速了鋼鐵行業的快速發展。高爐噴吹焦爐煤氣的工藝越來越廣泛應用于我國冶金企業，而自動化控制系統是實現高爐噴吹焦爐煤氣工藝目標不可缺少的控制解決方案。本文介紹了高爐噴煤技術發展趨勢、以及高爐噴煤自動化控制系統的組成和功能。

關鍵詞：高爐；噴煤；自動控制

一、高爐噴煤技術發展趨勢

高爐噴煤技術是鋼鐵生產過程中大幅度降低焦比和生鐵生產成本的重要技術措施，同時也是推動鋼鐵生產工藝流程技術更新升級的核心力量。自20世紀80年代初，高爐噴煤技術在鋼鐵生產工藝中得到廣泛推廣使用以來，在大量研發人員的共同努力下，各國鋼鐵廠的高爐噴煤量也有了很大提高。我國經過最近十來年的研發和工程實踐，高爐噴煤技術也取得了很多令人滿意的成果，推動鋼鐵生產的快速發展。富氧噴煤技術、氧煤噴吹技術、粒煤噴吹和配煤混合噴吹技術等新技術在鋼鐵生產高爐噴煤系統中得到廣泛推廣應用。高爐噴煤系統由于工作原理復雜、專業性較強等因素的影響，在鋼鐵生產自動控制系統中具有非常重要的地位，因而對整個高爐噴煤系統各環節動作保護的可靠性、靈敏性、精確性等均有很高的要求。高爐噴煤系統雖然整體結構較為復雜，但是各電氣設備相互間的連鎖工作原理較為簡單，工藝流程較為系統。隨著各種噴煤技術的不斷開發和在工程實踐中的廣泛推廣應用，高爐噴煤控制過程均離不開相應的自動控制系統，也就是說相應技術的產生必須有對應控制系統模型作為支撐，以發揮出其應有的功能效果。因此，在結合高爐噴煤系統的總體流程方案的基礎上，構筑高效精確的高爐噴煤自動控制數據模型和計算機可視化監視控制系統是鋼鐵企業自動控制工作人員研究的一個重要課題。

二、高爐噴煤自動化控制系統的組成

高爐噴煤自動化控制系統包括兩套PLC控制站，高爐噴煤PLC控制站和焦爐煤氣加壓站PLC控制站。高爐噴煤PLC控制站位于高爐主控室，焦爐煤氣加壓站PLC控制站位于焦爐煤氣加壓站控制室。2套PLC控制站之間通過光纖以太網進行聯接，實現數據交換和共享，同時都為企業的能源管理中心預留了光纖以太網接口。

每套PLC控制站選用羅克韋爾公司ControlLogix5000系列PLC產品。所有控制站支持雙機熱備的冗余配置，即主控機架的處理器、電源、框架、遠程I/O通訊網絡、上位監控網絡完全按照冗余配置。

PLC控制站與HMI操作站之間采用工業以太網EtherNet聯接；控制站內部CPU主機架與遠程I/O機架之間采用冗余的控制層網絡ControlNet聯接。

三、高爐噴煤自動化控制系統的功能

1、煤氣加壓功能

煤氣加壓站PLC系統控制多臺空氣壓縮機運行，將較低壓力的焦爐煤氣經空氣壓縮機進行加壓成為較高壓力的煤氣。

2、煤氣輸送功能

煤氣加壓站PLC系統控制煤氣輸送管道上的各類閥門選擇正確的路由將煤氣輸送到多座煉鐵高爐。

3、噴煤功能

高爐噴煤PLC系統控制噴煤工藝設備（煤氣主管道上電動閥、噴吹支管上緊急切斷閥、焦爐煤氣快速切斷閥、氮氣主管道上氣動球閥和高爐煤氣壓力電動調節蝶閥等）協調工作，將高壓力的焦爐煤氣噴吹進入高爐內部進行還原反應。

4、空氣噴吹功能

高爐噴煤PLC系統控制空氣噴吹工藝設備（空氣主管道上電動閥、噴吹支管上緊急切斷閥、空氣管道快速切斷閥和高爐煤氣壓力電動調節蝶閥等）協調工作，將高壓力的空氣噴吹進入高爐內部做為熱風爐的熱風的補充參加還原反應。

5、氮氣吹掃功能

高爐噴煤PLC系統控制氮氣管道上的快速切斷閥對煤氣/空氣噴吹管道進行氮氣吹掃。高爐煤氣/空氣噴吹管道在進行氣體介質置換過程中，必須進行氮氣吹掃，避免煤氣與空氣混合在高溫下發生爆燃事故。在HMI畫面上設置一個“氮氣吹掃完畢確認”按鈕，每次氮氣吹掃工作結束后，要求操作員按下“氮氣吹掃完畢確認”按鈕，煤氣主管道快切閥或空氣主管道快切閥才能被操作打開，避免煤氣與空氣同時在噴吹主管道內混合的事故隱患。

6、安全聯鎖保護功能

①煤氣主管道上的快速切斷閥和壓縮空氣主管道上的快速切斷閥彼此之間存在聯鎖關系，不能同時開啟，可以同時關閉。當煤氣主管道上的快速切斷閥在打開狀態時，壓縮空氣主管道上的快速切斷閥不允許打開。當壓縮空氣主管道上的快速切斷閥在打開狀態時，煤氣主管道上的快速切斷閥不允許打開。

②當焦爐煤氣壓力低壓高爐內氣體壓力時，煤氣主管道快速切斷閥和噴吹支管上緊急切斷閥自動關斷，防止高爐內廢氣倒灌入焦爐煤氣管道中發生爆炸事故。

7、噴煤壓力調節功能

高爐噴煤PLC系統控制高爐圍管內的噴吹煤氣壓力要求必須高于高爐內爐壓，保證煤氣能噴入高爐內部，同時防止高爐內氣體倒灌。高爐圍管內的噴吹煤氣壓力的調節依靠調節閥實現，對調節閥可進行手動控制和PID自動控制。

8、工藝設備狀態監視功能

在HMI操作站畫面上，可以對所有工藝設備的狀態進行監視，主要參數有：煤氣壓力、空氣壓力、煤氣流量、空氣流量、煤氣溫度、空氣溫度、噴吹煤氣主壓（閥前）、噴吹煤氣主壓（閥后）、噴吹主管空氣/煤氣流量、高爐噴吹主管煤氣/空氣溫度鉑熱電阻、1#-36#噴吹支管空氣/煤氣流量。

9、報警功能

當工藝設備發生故障時，PLC系統通過檢測以HMI畫面顯示和聲音提示兩種形式向生產管理人員示警，保障生產管理人員采取快速的應對措施避免事故發生。報警信息被保存到數據庫中以備查詢和打印。

10、數據歷史趨勢

在HMI操作員站計算機上保存重要生產工藝數據并在HMI畫面上以趨勢曲線的形式顯示出來，提供給高爐生產的管理者進行工況分析。

11、生產數據采集和記錄功能

PLC系統對實時生產數據實施采集并上傳到生產數據服務器內的數據庫進行保存，為企業的MES生產制造執行系統、EMS能源管理系統和ERP系統提供有效的數據源。

12、通訊網絡及數據交換功能

高爐噴煤PLC系統與煤氣加壓站PLC系統之間通過工業以太網進行數據交換，煤氣加壓站PLC系統所采集的儀表信號需要顯示在高爐主控室內的噴煤HMI畫面上。高爐噴煤自動化控制系統與MES生產制造執行系統之間采用工業以太網進行數據交換。高爐噴煤自動化控制系統與EMS能源管理系統之間采用工業以太網進行數據交換，噴煤流量、空氣噴吹流量等重要能源數據上傳給能源管理中心。

結束語

通過自動控制系統對高爐噴煤操作進行控制，不僅提高了高爐的工作效率，提升了人工勞效，降低了人員操作失誤，而且優化了高爐噴煤工藝，并使其操作趨于簡單化。因此，高爐噴煤采用自動控制系統增強了鋼鐵企業的競爭力，能夠為社會和企業帶來巨大的效益。

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