芻議PLC 在鋼鐵冶金企業電氣自動化控制中的應用

袁世鵬

（新余鋼鐵集團有限公司數智化部，江西 新余 338000）

0 引言

作為國民經濟支柱產業，鋼鐵冶金生產工序煩瑣、復雜，涉及的人員、機械等要素十分多樣，現階段自動化控制技術優化發展，給冶金企業的生產管理提供了極大助力，員工勞動強度降低，工藝順序控制、精度控制都更有保障。但由于現有的自動化技術開放性較差，無法實現自發邏輯編程控制，設備性能、參數設置等很可能不符合企業實際需求，因此造成的能源浪費、效率下降等問題也普遍存在，有必要引進靈活性更高的PLC 技術進行優化改造。

1 PLC 特點及優勢

PLC 技術最早于20 世紀中后期出現在國內鋼鐵企業的生產經營中，寶鋼是最先引進該技術的企業，初代引進的設備數量高達200 余臺，由于采用成套購置和安裝方式，因此支出費用非常高昂。至20 世紀90 年代以后，PLC 技術應用范圍更加廣泛，設計、編程方案也更加完善，在降低費用支出的同時實現了高效的自動化控制，其優勢主要體現在以下3 個方面。

（1）體積小且安裝方便。PLC 編程語言較為豐富，其中梯形圖、流程圖語言簡單易懂，能夠滿足多數生產控制需求，裝置體積較小且非常輕便，只需將現場設備與PLC 對應的I/O 接口聯通即可，用其替代PID 控制方法[1]，可以顯著提升動靜態屬性，參數監控的處理能力也比傳統的監控設備要強大，因此得到了諸多企業的青睞。

（2）滿足差異化生產需求。鋼鐵冶金工藝較為煩瑣和復雜，鋼鐵原料稱量、流量計算、集料比例配置等均存在較大差異，而PLC 采用可編程設計方式，內部配備有豐富的輸出輸入接口，鋼鐵冶金企業完全可以根據實際情況設置控制邏輯，對參數閾限、控制閥等進行靈活改進，有助于提升自動控制差異性，保障工業生產效率和質量。

（3）降低故障發生概率。鋼鐵冶金生產設備多樣、現場環境復雜，因此儀表系統、控制系統等很容易發生故障，而PLC 技術提供了大量的軟觸點，可以顯著降低磨損概率，且PLC 硬件架構采用模塊化設計方案，電源、CPU、編程器等模塊相互獨立，設置有配套的故障指示裝置，能夠明顯縮減故障停機時間。

2 PLC 硬件結構及應用要點分析

PLC 技術全稱為可程序化邏輯控制器（programmable logic controller），是一種內嵌微處理器的高端裝置，能夠在指令存儲的基礎上對各模塊進行控制協調，其硬件結構主要分為7 個模塊，電源模塊負責能源轉化和供應，中央處理器模塊負責指令下發、接收以及識別，另設輸入輸出（I/O）模塊、編程模塊、通信模塊等，可以為裝置的平穩運行提供助力（圖1）。現有的PLC 經過長時間的發展和變革，已經具備了較為完善的技術體系，可以支持多種語言的編程需求，常見的有控制系統流程圖、梯形圖等，前者主要用于工序過程控制場景，后者則用于離散控制系統DCS（distributed control system）的設計中，配合基礎的語句表編程語言類型，能夠為鋼鐵冶金產業提供更加完善的管理流程。實踐中要結合工序情況對PLC 硬件進行合理選用，根據傳感器、智能儀表型號確定PLC 端口，對控制器反應需求、輸出信號需求等進行深入分析，并選擇適配的PLC 機型，同時對各種語言進行搭配使用，比如步進電機控制中可以采用PLC 順序控制語言，多級分布式控制系統中則更推薦DCS 方式，最大限度保障自動化系統優越性。

圖1 PLC 硬件模塊構成

3 PLC 在鋼鐵冶金企業中的應用思路及方案

3.1 高爐控制自動化

高爐是鋼鐵冶金企業重要的生產設備，外部以鋼板作爐殼，內部襯砌耐火磚進行防護，按照功能種類的不同，基本可以分為高爐本體、熱風爐、噴煤系統、水處理系統以及上料系統等，子系統之間關聯十分緊密，任何疏漏均有可能影響冶金生產質量。PLC 技術融合使用過程中，需要處理好各模塊之間的通信連接關系，推薦采用小型TCP/IP 以太網通信方式，以微機聯網方式在各數據服務器、工程師站、調度室之間建立溝通橋梁。其中上料系統選用的PLC 控制器要足夠靈敏，能夠連接和控制槽下運料皮帶、振動篩、液壓油泵等設備，對于稱量斗誤差情況還能夠進行為微波檢測和補償控制。爐頂裝料系統同樣內嵌PLC 裝置，可以控制密封閥、節流閥等，高爐本體采用儀表控制方式，配額傳感器實時采集爐內壓力、流量計溫度信號，所有數據實時傳送回PLC 裝置，內部CPU 判別比較后控制爐頂壓力變更，參數記錄還能拷貝、傳送回數據服務器，按照實際需求生成歷史報表和變化曲線，為生產管理的統籌協調提供依據。熱風爐系統采用兩燒一送方式，內嵌PLC 裝置對熱風閥、煙道閥、冷風調節閥等進行管控，所有控制指令建立在參數分析基礎上，管理效率和質量更有保障（圖2）。

3.2 電機變頻調速與降耗增效

高爐鼓風機是冶金生產系統中極為關鍵的動力設備，其運行穩定性、高效性直接影響冶金生產效率，若鼓風機出現故障、停機問題，將會給企業帶來不可估量的損失。與此同時，該部分也是整個高爐系統中功率載荷最大的部分，據相關數據統計，2019 年我國單位鋼耗電量基本可以達到474kWh/t[2]，其中有多數能耗都來源于鼓風機，因此強化電機變頻調控勢在必行。分析能耗問題時，可以發現無功功率在其中扮演了極其重要的角色，無功功率的增大不僅會影響電壓，還會導致嚴重的線損、變壓器損耗問題，加劇資源浪費問題，因此設計過程中完全可以借助PLC 裝置對無功功率情況進行實時監測，數據返回計算后生成相應的優化方案，并將指令饋回PLC 裝置，實現電機的變頻調速與降耗增效。

此外，鋼鐵冶金生產工藝中，熱軋工藝也是導致能耗急劇上升的重要誘因，借助PLC 技術對其進行優化改造時應當做好流程把控和針對性分析，第一道加熱爐均熱工序中，可以設置PLC 自動調溫控溫程序，通過電熱偶、電控燒嘴的參數調控保障均熱處理質量，減少危險因素。第二道的高壓水除鱗系統中，可以借助HMD 探測板坯位置，并依托PLC 裝置控制噴射閥組啟閉，最大限度保障精準性。第三道壓機系統運行環節，同樣可以借助PLC 技術對AGC 厚度、HGC 輥縫[3]等進行調整控制，保證板坯加工塑性質量，在最后的冷卻、卷曲工藝中，需要通過快冷、層流等方式對板材進行優化處理，可以借助PLC 技術對側導板、助卷輥踏步等進行控制，簡化工藝的同時提升軋鋼質量。

3.3 配比計算與配料調控

鐵礦粉、焦炭等是鋼鐵冶金生產鏈中不可或缺的原料物資，其供應速度、配比均會影響生產效率和質量，傳統進料場控制多依賴繼電器、接觸器裝置完成，其中包含的元器件種類非常多樣，接線也十分復雜，單個部位的故障問題很容易擴散、蔓延，造成大規模的停機隱患。PLC 技術與傳統的控制裝置相比，穩定性、高效性都要更加明顯，開關動作由無觸點半導體電路完成，設備接線顯著簡化，限位開關、傳感器等直接與PLC 端子連接，即可滿足聯通控制需求，內部配備的故障指示裝置還能實時檢測和警報，大幅簡化了故障檢修工作量（圖3）。融合設計時注意做好控制需求分析，作業流程應當具備自由選擇、取消功能，支持人為遠程輸入指令，流程之間也要建立起互鎖關系，凡是含有一個或一個以上相同設備的流水線，絕對不能同時啟動，避免現場出現不同原料混合輸送的情況，減少多來源原料同時匯聚可能造成的堆料、壓帶問題。單條流水線之中則要處理好上下游設備的聯鎖啟動關系，防止原料已經進入但膠帶機卻靜止的狀況，減少現場堆料造成的不良影響，同時配備現場急停功能，若生產線中出現打滑、堆料等情況時，要能夠及時停車并發出提示，待到上游空出并排除故障隱患后方可重新啟動。

圖3 鋼鐵冶金企業PLC 自動供配料系統結構

3.4 燒結除塵與煉鐵除塵

粉塵污染是鋼鐵企業燒結、冶金生產中較為常見的污染類型，原料運輸、裝卸過程中會產生大量含塵廢氣，生產中涉及的多種化學反應還會加劇廢氣產生量，部分氣體成分較為復雜，含有大量的氧化鐵煙塵，粒度比常規粉塵小且吸附力極強，治理凈化難度較高。PLC技術的出現可以較好地解決這些問題，將之內嵌于原料準備系統中，原料從破碎、混合至篩分、運輸均在監控范圍之內，通過邏輯設計定時噴灑水霧實現水利除塵，篩分環節則設置密閉抽風除塵系統，傳感器感應到原料運送到位后，由PLC 負責指令下達和遠程控制，另配備分散式除塵系統，可以根據實際情況選取泡沫式或脈沖式設備，與PLC 互為配合最大限度保障除塵效果。燒結機系統內同樣可以裝設PLC 裝置，對燒結過程中的二氧化硫濃度進行檢測，當其達到一定濃度后啟動脫硫引入開關，二氧化硫經過專門的石灰石膏處理或鋼渣石膏處理后，濃縮和凝練成硫酸銨，方便后期回收使用。球團豎爐、爐前礦槽等處同樣可以采用類似的除塵優化技術，為企業經濟效益、環保效益的提升奠定基礎。

3.5 故障響應與自動停車

冶金生產現場環境較為復雜，設備連續運行時間長且工作強度大，很容易出現各種各樣的故障，常見的比如松動故障，多發于振動篩、球磨機等設備中，基礎松動是其中較為典型的類別，表現為機械底部支座、承座的緊固螺栓松動[4]、軸承外套松動等。再比如變形故障，多是由于安裝、制作不當，致使軸類零件長期承受偏心應力，進而出現變形彎曲現象。此外磨損性故障也是非常多見的種類，多發于齒輪、鏈輪等對轉零件中，其中的元部件相互接觸，在長期的運行過程中發生損耗。鋼鐵冶金企業現場粉塵較大，酸堿環境較為復雜，設備長時間投產運營后外部密封殼很容易發生損壞裂縫情況，粉塵隨間隙進入設備內部，也會進一步加劇磨損問題。故障發生后不僅會干擾正常生產秩序，造成停工降產等問題，還會帶來嚴重的安全隱患，PLC 技術引進后，可以根據實際需求設定故障檢測參數和閾值，比如動作超時判定、過動作判定等，一旦超過預設值上限即可發出警報，提醒現場人員檢查定位，對于嚴重故障問題還可以及時停車，防止故障擴大造成高額損失或滋生安全問題。實踐中也可以與人工智能技術、專家系統[5]等聯用，發生故障后PLC 直接返回相關數據，系統后臺計算分析，并得出相應的定位和檢修解決方案，供檢修人員查看參考，加快檢修速度的同時保障流水線正常運行。

4 結語

綜上所述，鋼鐵冶金工藝具有鮮明的煩瑣性、復雜性特征，冶煉溫度、壓力、送料速度等均會影響冶金成效，實踐中務必要給予充分重視，利用PLC 技術對高爐裝料系統、儀表控制系統等進行優化，結合高效感應、控制器改進料場供應鏈，同時借助PLC 技術高端性能提升除塵系統、故障響應系統性能，完善熱軋工序生產線，降低能耗的同時保障生產安全性和高效性，為鋼鐵企業的可持續發展奠定堅實基礎。