優化高爐爐頂DCS設備在線監測自動控制

摘 要：隨著高爐系統的自動化運行率逐漸趨于完善，大大減少了崗位人員工藝流程操作步驟，因此降低設備故障率，提高系統自動化強度尤其重要。

關鍵詞：高爐；DCS控制系統；爐頂；編碼器

Abstract：With the gradual improvement of the automation operation rate of the blast furnace system， the number of process operation steps for personnel has been greatly reduced. Therefore， reducing equipment failure rates and improving system automation intensity are particularly important.

Key words： blast furnace；DCS control system；furnace top；encoder

0 前 言

近年來，隨著高爐熱風爐智能式全自動燒爐、全自動換爐、無波動換爐、供料上料系統料批提速、變頻設備節能優化等項目的投用，高爐系統的自動化運行率逐漸趨于完善。自動化程度越高，大大減少了崗位人員工藝流程操作步驟，隨著這種重心的偏移，一旦出現中斷全自動程序的故障事件，對故障的快速分析和處理就變得特別重要。

因此，降低設備故障率，提高系統自動化強度，尤其是高爐爐頂系統在生產要求下，每一處設備都保持高速循環運轉。因此，一旦發生故障，會造成上料減速，造成上料中斷，對高爐整體運行影響巨大。

1 高爐爐頂DCS控制系統及技術關鍵

高爐爐頂控制系統采用多層分級、合作自治的結構形式。實現集中管理和分散控制，分散控制系統是以微處理器為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調的儀表分散控制，簡稱DCS集散控制系統。

圍繞爐頂DCS控制系統實現“故障原因智能可視化，故障處理預知管控化”這兩個方向，解決爐頂自控系統硬件狀態全景式監控及智能化報警、爐頂工藝順序控制過程的中斷原因實現可視化監控、以預知檢測的方法來降低故障發生的風險、設計一級報警（組）預防故障擴大化。

2 優化高爐爐頂DCS控制系統

2.1 爐頂自控系統硬件狀態全景式監控及智能化報警

自控系統硬件正常運行是自動化維護的基礎工作。之前維護步驟是崗位發現某個現場設備狀態不正常，隨后自動化人員去檢測設備狀態，發現模件供電異常或模件損壞，然后再去更換模件或保險。為縮短中間過程，達到快速而準確處理故障的目的。為此，技術人員對硬件狀態的監控及報警技術進行了深入研究。在對ABB FreelanceV9.1版本特性進行多次測試后，拋棄之前簡單的監控方案，采用了診斷字技術實現了精確監控模件狀態，準確顯示故障原因的目的。

診斷字技術自帶的系統變量，其不同數值表示出了模件的不同狀態及故障原因。技術人員根據AC800F模件（包括CPU、SA811、EI803、FI830、CI840、DI810、DO810）診斷字做不同的測試，測試模件在不同的報警狀態下，診斷字代碼的改變。最終結合診斷字代碼，繪制了硬件狀態全景式監控畫面，編制了故障報警程序。

只要控制系統硬件出現了故障，全景式監控畫面上就會準確的報出故障的原因，并加以語音或閃爍報警提示，如：CPU溫度過高、電池電壓過低、網絡中斷、SA811電源壞、EI813網卡壞、FI830通訊中斷、CI840冗余失效、CI840 DP故障，并可以精確的分析出DI810、DO810、AI810等模件狀態，是模件燒壞還是24V保險壞等。

這種自控系統硬件狀態全景式監控及智能化報警技術的投用，使得工程技術人員省去了中間判斷環節，可直接對發生故障的硬件進行準確處理。

2.2 爐頂工藝順序控制過程的中斷原因及可視化監控

爐頂料罐的裝料、布料工藝控制涉及到料罐和閥門，外加布料溜槽（傾動、回轉）、探尺等設備，閥門之間有嚴格的連鎖關系（包括罐壓、頂壓等是否滿足當前工藝條件），必須嚴格按照工藝流程順序進行先后操作。在全自動化程序運行下，崗位人員是無需操作的，只需要確保布料圈數滿足工長要求即可。但正因為有嚴格的連鎖關系，當設備故障或工藝參數不滿足時，崗位人員需要打手動進行干預，干預時需對工藝參數進行判斷或處理，并清晰的按照工藝流程進行步序操作。

為了清晰的表示出當前工藝順序控制過程進行的步驟及相關的連續條件，我們繪制了爐頂裝料、布料工藝流程圖。此圖以動態的方式時刻監控料罐裝料、布料工藝流程，清晰的標明了工藝流程當前運行的具體步驟，并對每一步的運行條件進行了清晰的標注，一旦設備卡在哪個環節，可以很明顯的判斷出具體原因。

在該套動態圖中，當前進行到哪一步用綠色表示，可以一目了然看出當前工藝操作已經進行到哪個閥門，后序操作應控制哪個閥門，在每一步驟中，清晰的注明每個設備的連鎖關系，連鎖條件已經滿足則用綠色表示，連鎖條件不合適的用灰色表示，崗位人員可以清晰的判斷出是因為什么故障造成當前設備運行不正常，從而快速進行處理。

2.3 以預知檢測的方法來降低故障發生的風險

1）爐頂編碼器設備狀態的預知檢測。

編碼器是爐頂設備的核心之一，編碼器的數值是爐頂自控系統中的關鍵參數，其中，料流編碼器用于控制料流開度，調節布料圈數；傾動編碼器用于控制布料角度；探尺編碼器用于探測料面深度，每一個都是關鍵性工藝數值。

這些編碼器有一個共同點，它們都是在一定范圍內，循環往復式的動作。利用這個特點，可對編碼器設備狀態進行預知檢測，即：用編碼器往復動作的起點作為標準值，每一個往復動作結束回到起點時，用實時值與標準值進行偏差比較，如果偏差的絕對值超出預設范圍，則認為編碼器可能出現了故障，比如，軸徑連接部分松動、斷裂；連接線松動、老化等。

2）冗余備用設備狀態、儀表數值的預知檢測。

為保證爐頂控制流程的全自動運行，爐頂的重要設備狀態、儀表數值等采用了一用一備的設計，比如爐頂各個閥門的開關狀態；頂壓、罐壓、射線料空料滿的儀表數值等。冗余設計的好處是當常用狀態出現故障時，可及時切換到備用狀態，不影響正常運行。當然，它的前提條件是切換到備用時，備用是正常可用的。

為時刻保證冗余備用的可用性，我們通過編程實現了常用、備用的一致性檢測，當備用與常用不一致時，及時對故障進行處理。

2.4 設計一級報警（組）預防故障擴大化

一級報警（組）主要針對關鍵設備、關鍵參數、關鍵操作等進行細致化編程，當前狀況與預設狀況不符時，發出一級報警，提示崗位去及時干預處理。比如，一批焦或礦的布料圈數，工序要求一般在10 ～ 17圈范圍內，某批次布料小于10圈，料罐就空了；或者是大于17圈，料罐還未放空，此時，崗位人員就要馬上去分析、處理，防止下個批次繼續出現該問題。

一級報警（組）的主要編程設置如下：

1. 圈數未清零

2. 圈數 lt;10，料空，注意：降致料流打不開

3. 料罐有料、打不用

4.1 號罐壓 A、B 不一致

5.2 號罐壓 A、B 不一致

6. 兩個頂壓不一致

7. 圈數 gt;17，料不空

8. 液壓泵全停

9. 液壓站油壓低

10. 液壓站油位低

11. 傾動電機電流高

12. 回轉電機電流高

13. 當前布料罐下密不開，請檢查罐壓或油缸

14. 當前布料罐罐壓過高，1 號罐二均自動關

15. 當前布料罐罐壓過高，2 號罐二幸免自動關

16. 當前布料罐罐壓過低

17. 南尺故障

18. 北尺故障

19. 回轉故障

20. 傾動故障

21. 回轉不轉

22. 翻板不到位

23. 1 號罐強制料空時間過長

24. 2 號罐強制料空時間過長

25. 南尺跑偏

26. 北尺跑偏

27. 1 號料流跑偏

28. 2 號料流跑偏

29. 傾動跑偏

30. 備用閥狀態不一致

31. 傾動設定與反饋不一致

3 結束語

優化爐頂DCS設備在線監測自動控制，大大降低自控系統故障率。同時，爐頂工藝順序控制過程的中斷原因實現可視化監控，首次實現了程序運行步驟與程序連鎖條件的動態監控，故障處理預知和管控都降低了設備故障率，產生了極好的經濟效益，具有較好的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 彭雅璐，王曉瑜，馬王君.PROFIBUS-DP遠程智能從站技術在高爐爐頂上料控制系統的改造與實現[J].西安航空學院學報，2019，37（5）：66-69.

[2] 王新東，閆永軍.智能制造助力鋼鐵行業技術進步[J].冶金自動化，2019，43（1）：1-5.

第一作者：龐凱，男，50歲，高級工程師

收稿日期：2024-07-19