PLC技術視角下錳鐵高爐自動上料控制系統研究

祁 偉

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

煉鐵與煉鋼是現代化社會的一大基本工業，而高爐是保證此工業得以進行與發展的重要基礎。在高爐煉鐵系統正常運行的時候，固體原料從頂部逐層進行填充。而在經過預熱與壓縮后的熱空氣、粉煤同時通過風口在下部進行噴射，此注射劑進入爐膛，是高爐最終熔融金屬產品聚集的關鍵環節。通過熱爐熱空氣與焦炭、輔助噴射的燃料發生反應，生成二氧化碳，通過煤或者焦炭再還原成為一氧化碳，在燃燒區域內生成氫氣。在此轉換中，會大量釋放熱量，促使爐膛溫度加熱到大約2 000 ℃，冶煉好的液態鐵水從出鐵口輸出，冶煉過程中產生的爐渣從出渣口排出。一般情況下，煉鐵高爐將原料轉換成鐵水大約需耗費6～8 h的時間。錳鐵高爐操作的最終目標是保證煉鐵能夠正常進行，并通過低成本獲得高質量鐵水，為此，需要實時監控高爐煉鐵全過程。為了保證產品質量，節能環保，高爐上料控制系統直接影響著鐵水質量。而為了保障鐵水含量的輸出準確性，利于后續工藝順利開展，在煉鐵控制系統，充分發揮PLC 技術，以實現進料的精確化管理，提高錳鐵高爐煉鐵的效率與質量[1]。

1 錳鐵高爐自動上料系統工藝流程

錳鐵高爐上料實際上就是通過槽下向爐頂設備中進行供料的整個過程。高爐原料通過槽下向爐頂輸送的方式主要有兩種，皮帶輸送與小車輸送。其中，小車輸送方式主要是選用小車卷揚機基于交流電機加以拖拽，并利用電機進行正反轉雙向控制，牽引鋼絲繩相互連接的料車，在斜橋上交替運轉。槽下備料系統主要的燒結礦倉與球團礦倉在經過振動篩之后，熔劑倉通過給料機之后，按照配料料單明確稱量再進行放料，通過槽下主皮帶傳輸到地坑稱量漏斗中。在料車到達料坑之后，斗將料轉移到料車中去，閘門關閉，并準備好爐頂，及時啟動料車。料車根據具體要求，利用卷揚機提升槽下物料到爐頂上去，經過受料斗的放料閥、料流調節閥、下密封閥等，最后利用布料器把物料均衡分布在爐內部[2]。

2 PLC技術視角下錳鐵高爐自動上料控制系統

錳鐵高爐自動上料系統的作業環境要求高溫高壓，并需要具備較高的準確性與可靠性，一旦信號傳遞不準確，極有可能會阻礙錳鐵高爐正常運行，直接給企業帶來巨大經濟損失。因此，系統應有效控制精確度，確保與錳鐵高爐需求相符[3]。

2.1 硬件部分

構建PLC技術視角下的錳鐵高爐自動上料控制系統，應科學合理構建硬件部分，其中主要的硬件包括PLC控制器、CPU、槽架、總線接口網卡、遠程I/O等等。其中詳細的模塊有輸入輸出模塊、電源模塊與接收模塊等。其一，接收模塊的作用是連接槽架，以傳遞信息；其二，輸入模塊的作用是采集開關量輸入信號，以及料斗與料車到位信號；其三，輸出模塊的作用是控制開關量輸出信號，開放或關閉料斗，并有效控制探尺開關[4]。

2.2 軟件部分

基于Step7與組態軟件，全程監控錳鐵高爐自動上料控制系統，確保其實時性、全面性、精確性、可靠性，從而充分發揮整個系統的綜合性能，實現錳鐵高爐的安全穩定運行。標準軟件包組成具體如圖1所示。

圖1 標準軟件包組成

控制軟件全面串聯了所有功能模塊，其中控制開關量的輸入與輸出，主要采用的是Step7 軟件的控制模塊。首先，上位工控機，能夠科學展現錳鐵高爐上料的整個工藝流程，以及交互展示具體流程，從而保證錳鐵高爐上料的穩定性與可靠性。另外，還應及時輸入配料的詳細信息，確保整個系統可以嚴格按照設計模式實施。上位工控機能夠詳細記錄錳鐵高爐的全部物料參數信息，并加以保存，從而為錳鐵高爐的正常維護與保養提供幫助。其次，CPUS-315-2DP單元的任務是采集、計算、控制系統重要信號，以實現對系統的邏輯控制與自動配料，提高系統的控制性與安全性。再次，模擬量輸入單元，處理模擬信號，把電流轉換成二進制數據，以使得PC 機能夠識別數據信號，完善補償增益功能與平均值功能等等，從而實現對爐頂溫度、熱風溫度、爐頂壓力等相關信號的控制。最后，開關量輸入與輸出單元，其中輸出單元是采集多閘門開關信號，為構建輸入模塊提供幫助。而輸入單元的任務是控制開關，保證系統有序運行，保障系統的穩定性與安全性[5]。

2.3 PLC工作程序

基于Step7軟件編寫程序的時候，主要包含線性化編程與結構化編程兩種結構。其中，線性化編程在編寫簡單程序需要一定存儲空間的時候，一般會選用此結構。而結構化編程主要是把繁雜的自動化任務劃分成可以反應過程工藝、功能與小型任務[6]。在PLC 程序設計的時候，為了提高程序的可讀性，便于調試與維護工作的開展，以及實現數據庫結構的統一性與規范性，有助于Wincc 組態的時候，統一編制變量標簽并統一顯示設備狀態，科學合理選用模塊化結構程序，也就是所謂的結構化編程。

2.3.1 標準組控制塊設計

標準塊的控制方式主要是基于上位機加以設置的：其一，設定啟動、停止、故障警告、輸出、故障應答與復位；其二，起動、停止命令，起動、停止完成信號，運轉信號與故障信號分別輸出不同狀態字；其三，正常起停控制之外，合理設置緊急組停。其中標準組控制塊的具體流程如圖2所示。

圖2 標準組控制塊程序流程圖

2.3.2 控制設備分組

就工藝需求劃分生產設備為工藝小組，即料倉設備控制小組、料車設備控制小組、液壓與布料器設備控制小組等。

2.3.3 設備控制組程序編制

通過標準組控制塊生成背景數據塊。把設備I/O點、聯鎖信號與標準程序塊變量相對應。合理設置設備起動與停止順序、連鎖、延時等。邏輯控制線路與閉環控制科學合理設計。適當設置設備報警信號[7]。

2.4 監控軟件

2.4.1 上料控制與監控畫面

實時監控上料控制系統，采用手動與全自動控制模式，能夠進一步保證系統穩定性與可靠性。在不使用或者料倉沒有料的時候，畫面上顯示停用，使用時顯示啟用即可。

2.4.2 料單設定畫面

由于高爐工況與工藝要求，需要實時改變下料重量與料配比，即礦石、石灰石與焦炭等等。在料倉沒料的時候，及時停用，并利用相同屬性的其他料倉替代。

2.4.3 稱量情況畫面

全程監控稱量斗的數據信息，切實反映了斗的料單設定值、實際設定值、測量值、重量值、滿補值、補償值、最大值等相關數據信息，以此一來可以更準確了解斗內詳細數據，并基于修改既定值提高稱量的準確性。

2.4.4 測試畫面

在控制系統尚未進入正式工作狀態之前，進行系統測試的畫面。操作人員不需要親臨現場，就能了解系統的完整性。然而一旦系統投入使用，便無法利用高度程序測試系統，否則將會引發嚴重的安全事故，所以，此畫面權限只能是系統工程師，通過用戶權限的方式加以限制。

2.4.5 全自動控制網絡

基于物聯網與傳感器，連接錳鐵高爐儀表設備，采集顯示數據，并傳輸到工控機上，以完全顯示數據，切實結合數據庫存儲數據信息，以便于后續查詢與應用，從而為錳鐵高爐運行的安全性與穩定性奠定堅實的基礎[8]。

3 基于PLC技術的錳鐵高爐自動上料系統控制作用

在錳鐵高爐自動上料控制系統中，PLC 技術發揮著有效的控制作用。爐頂所承受的壓力來自不同角度，通過此控制系統可以就實際情況選擇壓力，即高壓與常壓操作選項。在控制選擇上，也十分便利，可以利用全自動控制模式、手動控制模式等。依據運行工況與高爐內部狀態，合理選擇恰當的控制方式。另外，布料旋轉方向也不固定，基于自動上料控制系統，可以明確具體旋轉方向，即正向旋轉與反向旋轉。高爐頂部裝置原材料制度與使用時間、順序等，都可以利用自動上料控制系統進行全面規劃與管理。高爐頂部的不同操作制度，在設備和原材料使用中，應切實依據相關操作制度，進一步明確具體時間與順序，以此科學通過顯示器與計數器確定控制最佳狀態。而且原料裝置循環具有一定的周期性，可以就周期性與運行特點為依據，提前合理設置具體方式[9]。

高爐料罐稱量也是十分重要的工作，需要在自動上料控制系統中補償壓力，并確定料罐質量，利用稱量系統，通過現代化專業技術、傳感器、電子設備，科學有效監督高爐的PLC數據，而且傳輸十分順利。PLC在高爐自動上料控制系統中，可以進行質量稱量，自行校對與檢驗，并補償壓力，以及有效控制原料和設備具體運行狀況。同時，還可以基于調節方式加以控制，充分考慮液壓比例，有效利用PLC 形成特性曲線，以發出指令，從而促使系統進行自動控制。

布料控制方式各式各樣，主要有自動控制的多環布料與單環布料、手動控制的扇形布料與點狀布料等。就具體重量采取相應的控制方式。在裝料時，還需要充分合理利用閥門，確保機器可以處于正常穩定的運行狀態，如果達到標準，則及時發出警報，快速停止運轉。其中安裝密封閘門也需要加強重視，在開啟或者密封時，都應確保爐內與要求相符。在特殊狀況下，探尺運轉可以隨時停止，然后解除裝入，確保探尺快速下降或提升[10]。

4 結 論

總而言之，為了確保錳鐵高爐鐵水質量，提高錳鐵高爐自動上料系統的準確性與高效性，對PLC 技術構建完善的自動上料控制系統進行了深入的研究，實現了對上料、布料、給料、誤差補償的全方位控制，并以監控系統為載體，進一步詳細分析系統故障，完善相關報警功能，促使錳鐵高爐自動上料控制系統實現了精確和高效，從而促進錳鐵企業生產效率與質量得到顯著提升，進而為錳鐵企業實現穩定長遠發展奠定堅實的基礎。