焦炭管家系統在7.63米焦爐中的應用

王志偉 王秀娟

焦炭管家系統作為從德國UHDE公司整套引進的二級智能控制系統，是首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司（簡稱首鋼京唐公司）7.63米大型焦爐自動化優化控制系統的重要組成部分，其主要作用是優化焦爐的工藝參數及生產操作。自2008年應用到4座焦爐的生產以來，得到了很好的效果，對環境的污染大幅減少，燃料費也有降低。

1.系統組成

焦炭管家系統是7.63米大型焦爐自動化系統中配備的二級控制系統，與其下屬的一級控制系統連接在同一工業以太網上，以實現信息的交互和數據的管理。

焦炭管家系統具有強大的數據計算能力，其系統在從一級DCS（集散控制系統）或 PLC（可編程序控制器）系統接收數據計算后，把計算出的焦爐控制結果傳遞到相應的一級系統之中，用于焦爐爐溫的控制及自動生成推焦和裝煤計劃表等。見圖 1。

圖1 焦炭管家系統總圖

1.1 硬件配置

焦炭管家系統的電腦是工業級標準的服務器和工作站，包括2臺SS（服務器）、1臺ES（工程師站）、2臺OS（操作員站）。

服務器硬件采用Fujitsu Siemens PRIMERGY YX150 S5 Server(預裝English-Microsoft Windows 2003 Server)，服務器為2臺全冗余系統（供電電源冗余），可自動同步數據;工程師站采用Fujitsu Siemens PRIMERGY TX150 S5(預裝English-Window 2003)；操作員站采用Fujitsu Siemens PRIMERGY RX100 S4(預裝English-Window XP +SP2 Professional)；通信卡采用Siemens CP1613，用于 OPC Server（微軟公司標準通信協議的服務器）的連接。

1.2 軟件配置

需要配置的軟件有Oracle 10.2 Database、Database Tools Hora (trial version)

Microsoft’s C＋＋ Visual Studio 6.0、SOFTINGOPC Toolbox、Microsoft Office 2003 English、Visual Studio.NET 2003 Professional. English、VB6.0、PCAnywhere 11.5、AntiVirus Program、Acronis True Image Server和焦炭管家系統專用監控軟件[1]。

1.3 通信方式

焦炭管家系統的操作員站和服務器站采用C/S（服務器/客戶端）結構。自動測溫S7-300PLC、四大機車協調PLC、焦炭管家服務器及操作員站連接在同一個工業以太網上。其中，自動測溫S7-300PLC通過CP343以太網通信卡與焦炭管家服務器建立通信并互傳信號，焦炭管家服務器對接收到的數據進行計算處理，相關數據可在焦炭管家操作員站上進行查看和操作。

焦炭管家服務器結構提供了數據安全和將數據整合在高層次上。快速、簡單地存儲生產中的重要數據，且在系統短暫故障后能快速恢復對數據的進一步操作。

焦炭管家服務器與外部的通信有普通網卡和工業網卡（CP1613）2種形式。其中，通過普通網卡通信的有焦炭管家操作員站的通信和四大機車地面協調PLC的通信；通過工業網卡（CP1613）通信的有上升管DCS系統、液壓交換DCS系統和焦爐公輔DCS系統等。見圖2。

圖2 焦炭管家系統網絡結構圖

焦炭管家服務器與地面協調PLC的通信是通過報文來完成的。焦炭管家發送報文T001（下一次推焦爐號信息）和T002（下一次裝煤爐號信息），接收T010（實際裝煤爐號信息）、T011（實際平煤爐號信息）和T012（實際推焦爐號信息）。

每條報文固定有20條記錄，并且以10s1次的頻率更新。報文由許多字段組成，其中Record pointer（記錄指針）標識著最新一次更新信息的記錄。最新的記錄總是覆蓋最老的記錄，這樣周期性地產生和覆蓋。

為了避免通信由于外部干擾或者由于網路負載太大而發生短暫斷開的情況，焦炭管家服務器1次發送10條記錄給地面協調PLC，數據存儲在地面協調PLC的緩存中，當通信發生故障斷開時，地面協調PLC就從緩存中讀取下1個記錄，這樣就保證了焦爐正常的自動化生產。

2.功能

焦炭管家系統提供多個標準軟件包，使得其應用軟件簡單化、模塊化，便于對單個模塊進行維護、升級和功能擴展。

焦炭管家系統包括手動測溫模塊、自動測溫模塊、推焦力監測模塊、爐溫控制模塊、推焦計劃自動編制模塊等5部分。

2.1 手動測溫模塊

現場操作人員通過手動紅外線測溫儀定時測量焦爐爐頂觀火孔溫度，每次測量的結果自動存儲在紅外線測溫儀中，隨后操作人員將紅外線測溫儀通過數據線連接到焦炭管家操作員站上的數據接收器，其測量結果自動上傳到操作員站的測溫計算軟件。經過測溫計算軟件匯總、存儲和計算后，其計算結果會自動在操作員站上以曲線或報表形式顯示。焦爐調溫人員可以選擇測量焦爐的直行溫度、爐頭溫度、橫排溫度，也可以有選擇地對直行、爐頭或橫排溫度的若干測量點進行測量。通過分析對比不同時間段的燃燒溫度曲線，焦爐調溫人員可以精準了解焦爐單個燃燒室的溫度變化，并根據曲線中所顯示出的單個立火道的溫度狀態，對各別立火道煤氣入口的大小進行調整，以達到控制整個焦爐燃燒溫度的目的，使焦爐爐溫調節更精準、可控。

2.2 自動測溫模塊

推焦車的推焦頭中后部的金屬支架豎梁上裝有3對非接觸式紅外測溫探測器，分布在豎梁的上部、中部和下部，對應炭化室內部兩側的加熱墻的不同的垂直高度。每個紅外探測器都裝有隔熱外殼，外殼內部通有壓縮空氣，以保護紅外探測器在炭化室內部不被高溫燙壞。當推焦車驅動推焦桿執行推焦動作時，推焦桿伸入炭化室內部，炭化室內部兩側的爐壁溫度都會被測量并記錄下來。由紅外探測器測量的信號由信號線纜接到位于推焦桿尾部末端的信號接收轉換器，紅外溫度信號經放大器處理后轉換為標準電流信號。

在推焦車的PLC室內，有西門子S7-300PLC接收所有的標準電流信號，通過其配套的西門子觸摸屏可查看所有溫度數據。自動測溫模塊的S7-300PLC通過DPDP Coupler與推焦車的S7-400PLC建立通信連接，其中S7-400PLC作為Profibus通信的主站，S7-300PLC作為Profibus通信的從站，2套PLC互相傳送信號。

焦炭管家服務器與自動測溫模塊的S7-300PLC通過工業以太網建立通信連接。自動測溫模塊把每5次推焦測得的炭化室溫度、平煤信息及相關數據信息打包成數據包后，通過TCP/IP Socket 報文通信方式傳給焦炭管家服務器。焦炭管家服務器接收到數據后，同樣以報文形式向自動測溫模塊發送確認接收信號。自動測溫S7-300PLC有固定的數據塊作為數據存儲區，用于存儲的推焦記錄等信息。見圖3。

圖3 焦炭管家信號交互示意圖

推焦車執行推焦動作時，推焦車S7-400PLC把推焦桿編碼器的編碼信號轉化成推焦桿伸入炭化室的距離信號，精度可達到1mm。推焦桿伸入炭化室的距離信號經自動測溫模塊的S7-300PLC中轉，最終傳給焦炭管家服務器，由焦炭管家服務器計算得出推焦桿在炭化室的具體位置，從而匹配出炭化室爐墻對應立火道的序號。調火人員可以通過操作員站查找每次推焦結束后自動生成的相關操作記錄和溫度曲線，掌握炭化室內部爐墻具體的溫度分布，有利于對異常溫度點進行人工調控，對炭化室兩邊爐墻的耐火磚進行準確定位修復[2]。

2.3 推焦力監測模塊

推焦車上的S7-400PLC收集每次推焦的推焦桿在炭化室內的距離和該距離上的推焦電流。每次推焦結束后，推焦車PLC將數據發送給地面協調PLC，通過地面協調PLC傳遞給焦炭管家服務器。

推焦力監測模塊負責對推焦車每次執行推焦過程的推焦電流進行存儲和分析，并自動生成該次推焦動作的電流曲線，其結果作為焦炭成熟度、焦炭質量和焦爐加熱優化的評判依據之一。

操作人員通過分析推焦力數據，不僅能發現回收工段和焦爐生產加熱過程中出現的問題，避免出現“粘爐”現象，還可以判定焦炭的成熟程度以及是否有生焦等。改變煤種的配比能有效改善推焦過程中推焦困難的問題，對于推焦力超限的爐號，在裝煤時避免出現“滿裝”，可有效減少“粘爐”現象，的發生。當推焦力低于“最大保護”值并有下降趨勢時，可以進行“滿裝”操作。

2.4 爐溫控制模塊

首鋼京唐公司7.63m焦爐的加熱系統由液壓交換DCS系統進行控制。整個焦爐的加熱熱量和時間均與結焦質量有著密切的關系。

焦炭管家系統通過接收焦爐公輔的DCS采集的原料（煤種的配比、煤的濕度和裝煤量）及工藝生產數據（環境溫度、廢氣的溫度及氧含量、手動測溫模塊和自動測溫模塊的數據等），通過接收和匯總這幾個方面信號，爐溫控制模塊自動計算出熱量需要求，將計算的結果通過工業以太網通信傳遞到液壓交換DCS系統中，實現對加熱循環暫停時間、入燃燒室煤氣壓力和廢氣吸力等數據的優化控制，實現整個焦爐加熱系統的自動優化調節。

對于焦爐操作過程中的數據變更，如操作延遲導致增加加熱時間，爐溫控制模塊會比較實際加熱時間和設定加熱周期時間，并調整加熱系統，及時調整加熱控制參數等，保證焦炭成熟，同時實現了溫度數據自動儲存、曲線自動繪制等功能[3]。

2.5 推焦計劃自動編制模塊

推焦計劃自動編制模塊是一個自動推焦裝煤計劃的計算程序。焦炭管家系統可向地面協調PLC發出推焦、裝煤時間信號，并接收機車返回的推焦、裝煤動作的時間數據。焦炭管家系統根據工藝人員設定的結焦時間進行計結焦周期的計算，并把計算結果定時發送給地面協調PLC，由地面協調PLC負責分別向推焦車和裝煤車發送推焦、裝煤的始發動作信號，從而實現整個推焦、裝煤在時間上的自動化控制。

另外，對于需要檢修的爐號，焦炭管家系統可以在推焦時間上進行修改。操作人員可以通過焦炭管家操作員站上的操作界面推遲或適當提前個別爐號的推焦時間，這段時間操作人員可以進行爐門更換、倒換車輛和炭化室檢修等特殊操作，待操作完成后，操作人員在操作界面進行確認，焦炭管家系統會自動實時計算全爐下一次結焦時間。

3.應用效果

首鋼京唐公司7.63米大型焦爐自2008年投入使用焦炭管家系統并調試使用成功后，使焦爐的生產實現了高效持續的焦炭質量、高可靠性的操作、熱量的有效利用和控制、更長的焦爐壽命、快速檢測出操作錯誤、簡化出焦表的制定以及更少的廢氣排放等。

4.結 語

焦炭管家系統應用于焦化廠可提高焦炭質量、節約燃料、減少污染、延長焦爐使用壽命以及節約人力等，同時可真正實現焦爐加熱系統和機車的推焦、裝煤計劃的全自動控制。焦炭管家系統特別符合興建大型化焦爐的要求，適合被廣泛推廣，以加速煉焦產業結構的調整，節約能源、保護環境，使煉焦產業健康發展。