淺析高爐冶煉中過程控制系統的設計特點

封 帆

（重慶鋼鐵集團電子有限責任公司，中國 重慶400084）

0 引言

在鋼鐵企業的經營發展過程中，作為上游工序，高爐冶煉的能耗占企業總能耗的60%左右，成本占總成本的1/3左右。在當今大型高爐冶煉過程中，普遍應用過程計算機進行生產過程的監控和指導，實現過程最優化，保障高爐安全穩定順行，同時降本增效提質，創造顯著的經濟效益。

1 高爐冶煉工藝簡介

高爐冶煉生產是一個連續的過程。鐵礦石、焦炭、熔劑等固體原料按照設定配料比稱量，經主皮帶運輸，根據上料系統要求進入高爐，沿爐頂裝置不斷裝入爐內，礦石和焦炭在爐內形成交替分層結構；從高爐下部的風口吹入熱風和噴入煤粉等燃料，即形成鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭和煤粉燃燒，鐵礦石在下降過程中逐步通過還原反應煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出，詳見圖1。

2 高爐過程控制系統概述

通常情況下人們所稱之為的過程控制系統，主要指的是過程控制計算機系統，它是由一套系統完善的計算機系統組成的。在具體的運行過程中，主要是對高爐冶煉生產過程的相關數據進行有針對性的采集、整理和分析，同時做好模型的計算和優化控制；對整個生產過程進行有效監控，對各項生產操作進行規范和指導[1]；對數據進行存儲和管理，與各系統間數據高效通信、信息共享；負責報表打印等一系列相關工作，詳見圖2。

3 高爐過程控制系統運行環境分析

高爐過程控制系統采用以太網技術和TCP/IP通信協議，通過OPC通訊方式讀取基礎自動化PLC控制系統中相關數據，通過數據交換平臺與MES系統和其他過程控制系統進行數據交換。

圖1 高爐冶煉工藝流程簡圖

圖2 高爐監控主畫面

整個通訊網絡分三級，見圖3。第一級為現場控制站：由現場控制主站至現場控制子站基于IEC61158標準的現場總線組成。現場控制主站PLC及現場控制子站設置現場總線通訊模塊，用專用通訊電纜相連，構成總線形式的現場總線網絡。

第二級為監控級：中控室監控計算機至現場站現場控制主站組成，采用環網形式的工業以太網通訊。

第三級為管理級：由MES系統、WEB發布、專家系統、廠長計算機、實時歷史數據服務器等構成，采用星形100 M以太網方式連接。

4 高爐過程控制系統設計策略

4.1 數據通訊設計

在設計環節，要確保過程控制系統和各系統之間通過網絡展開數據交換：和基礎自動化系統進行操作數據、生產過程數據、設備信息等數據交換；和生產管理系統進行生產計劃、生產實績、物料消耗、鐵水計量等數據交換[2]。

4.2 數據處理和存儲

過程控制系統按秒級向基礎自動化系統讀取高爐生產實時數據，這樣就會導致數據量特別龐大，為了確保數據庫安全穩定，需充分考慮滿足生產過程的監控需求。

4.3 生產監視設計

高爐生產過程監視系統，主要包括兩種類型的監視，分別是狀態監視和過程監視。狀態監視主要是監視設備和系統的實際生產狀態，用相對應的圖像、數據等，顯示設備運行狀態、整體工藝流程、全景圖、設定參數和實時檢測數據。

4.4 生產統計設計

生產統計系統中主要計算和統計高爐冶煉消耗的礦石、焦炭、煤粉等原燃料，消耗的水、電、風、氣等能源，以及生產的鐵水、爐渣、煤氣等產品，統計風量、頂壓、頂溫、綜合煤氣分析等重要生產數據，同時計算出高爐冶煉的具體生產指標。

4.5 模型設計

隨著工業化和信息化的深度融合，計算機技術飛躍發展，高爐冶煉技術也在不斷創新和優化，更多功能完善的模型在高爐冶煉生產過程中得到高效的應用，并呈現出巨大優勢[3]。

4.5.1 配料模型

圖3 三級網絡圖

進入高爐的鐵礦石等各種原料具有不同的化學成分，上料系統根據礦批設定和配比對原料進行準確稱量，然后通過皮帶運送到高爐與焦炭進行冶煉還原，生產出合格的鐵水。科學合理的配比，對冶煉出優質合格的鐵水尤為重要。配料模型根據煉鐵生產計劃和鐵水質量要求，通過對原料成分的檢化驗數據進行精準分析，計算出合理的礦石配比。

4.5.2 爐缸爐底侵蝕模型

高爐爐缸爐底侵蝕情況是直接影響高爐使用壽命的非常重要的因素。高爐是一個巨大的密閉容體，爐缸爐底侵蝕模型主要是根據爐缸爐底側壁埋設的熱電偶檢測的爐壁各點溫度以及爐體四周冷卻條件。

4.5.3 熱風爐燃燒控制模型

熱風爐是高爐冶煉生產的重要設備，為高爐輸送穩定高溫的熱風。熱風爐的燃燒分為三個加熱時間段：快速燃燒期、拱頂溫度控制期和蓄熱期。熱風爐燃燒控制模型根據煤氣熱值、殘氧檢測、拱頂溫度、廢氣溫度等參數的變化，計算出各燃燒時段的最佳空燃比。

4.5.4 鐵水溫度預報模型

鐵水溫度預報模型主要是結合模糊專家系統理論，計算和預報對爐溫造成影響的相關參數和指標，對高爐的實際熱水平進行預報。這樣能夠使鐵水溫度和硅含量得到有效控制，使其偏差量控制在規定范圍內。

5 結束語

通過對過程控制系統精心的設計、計算和分析、測試和改進，確保系統的精準性和穩定性，使其在高爐生產過程中的應用更加方便快捷、運行更加穩定可靠，數據更加精準完整，滿足高爐冶煉的工藝要求和質量標準，更大程度提升高爐冶煉生產的智能化程度。