滕澤民

(河鋼集團承鋼公司自動化中心)

來源：《自動化控制理論與應用》2019年第08期

摘　要　為克服人工上料、傳統(tǒng)繼電器上料控制系統(tǒng)的不足，對以PLC控制器為控制核心的煉鐵高爐上料自動控制系統(tǒng)的關鍵技術進行分析。在介紹上料控制系統(tǒng)設計的基礎上，重點分析了備料過程、放料過程以及爐頂布料設備控制過程。實際使用結果表明，利用PLC控制技術的高爐上料自動控制更精確、可靠性更好、故障率更低，具有較好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞  上料系統(tǒng)；自動控制；PLC控制；高爐

國內(nèi)煉鐵技術與國外先進水平相比，存在較大的差距，尤其是生產(chǎn)技術指標偏低。其原因主要有工藝設備落后、生產(chǎn)管理技術水平較低、煉鐵料不精，其中煉鐵料不精是關鍵因素。日本的精料品位較高、質量好，燒結礦的品位一般為56％~58％，F(xiàn)eO占4％～6％，還原性較好。國內(nèi)燒結礦FeO約占11％，品位約為50％，存在較大差距。早在1958年，美國首次以計算機控制技術為基礎，實現(xiàn)高爐配料自動控制過程[1-2]。高爐的上料系統(tǒng)包括原料的備料、稱量、放料以及裝料等自動控制過程。高爐煉鐵工藝流程見圖１所示，燒結礦倉、雜礦倉、焦倉經(jīng)給料機—振動篩—稱量斗后，由上料系統(tǒng)將煉鐵原料輸入至高爐。煤粉、富氧等催化劑直接輸入至高爐；鼓風機經(jīng)熱風爐后經(jīng)高爐底部的風口進入高爐，燃燒原料中的碳和少量的碳氫化物。煉鐵原料以及催化劑在高爐內(nèi)經(jīng)化學反應后，生成三種物質，即煤氣粉塵，直接輸入至動力廠；鐵水由高爐的鐵口直接輸入至煉鐵廠；爐渣為廢棄物，為保證高爐安全、穩(wěn)定運行，必須及時將爐渣經(jīng)高爐的渣口及時排出[3-4]。

１系統(tǒng)設計

煉鐵高爐上料自動控制系統(tǒng)的設計原則為先進、實用、穩(wěn)定、環(huán)保，采用精料、富氧、噴煤等冶煉工藝技術，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗的目的。煉鐵高爐上料自動控制系統(tǒng)中，設立一個PLC主站，以西門子的S7-400可編程邏輯控制器為控制核心。在該上料自動控制系統(tǒng)中，還設立４個ET200遠程站，通過Profibus通信與主站進行數(shù)據(jù)交互。S7-300核心控制器以TCP/IP的通信模式與高爐熱風爐監(jiān)控站、高爐本體監(jiān)控站、高爐煤氣防塵監(jiān)控站進行數(shù)據(jù)通信。煉鐵高爐上料自動控制系統(tǒng)具備檢測和控制高爐上料過程中壓力、物位、成分等過程參數(shù)；具備高爐上料過程中的順序、邏輯控制以及聯(lián)鎖、閉鎖保護功能；具備生產(chǎn)過程的控制、監(jiān)視功能。

高爐上料自動控制硬件主要包括中央處理器CPU414-2DP、通信處理模塊CP443-1、遠程控制站ET200、數(shù)字量輸入／輸出模塊SM321/SM322、模擬量輸入／輸出模塊SM331/SM332等。

2  關鍵過程分析

PLC主控制器負責以煉鐵高爐上料系統(tǒng)工藝為基礎，實現(xiàn)上料系統(tǒng)的自動控制過程，包括槽下備料、放料、爐頂布料的控制，同時在系統(tǒng)運行過程中，出現(xiàn)故障時進行故障報警。燒結礦倉、雜礦倉、焦倉的礦石、焦炭、雜礦由稱量斗設定目標稱重后，啟動對應的振動篩，當實際重量等于設定值時，停止振動，為上料系統(tǒng)的備料、放料以及布料做好準備。

2.1  備料過程

備料過程是指按照要求從對應的礦倉取料、篩分和稱量的過程。備料過程的先決條件是對應的稱量料斗發(fā)出“料空”信號，對應的礦倉沒有發(fā)出“料空”信號，對應下部漏斗閘門關閉，皮帶運轉正常。滿足上述條件后才可以開始備料自動控制過程，詳細程序流程如圖２所示。PLC程序檢測到對應備料的稱量斗為空，并且對應漏斗閘門已經(jīng)關閉后，計算料滿控制值并發(fā)出啟動給料設備命令[5-6]。PLC程序實時檢測料斗重量是否大于目標控制值，如果不大于，則繼續(xù)實時檢測。一旦PLC程序檢測到料斗重量大于目標控制值后，發(fā)出“料滿”信號，發(fā)出停給料設備命令，放料控制程序的流程如圖３所示。如果振動篩啟動T1秒后，還沒有發(fā)出“料滿”信號，則提示上卡料故障報警；如果閘門打開T2秒后，還沒有發(fā)出“料空”信號，則提示下卡料故障報警。

2.2  放料過程

放料過程是指按照要求對已經(jīng)備好料的稱量漏斗進行供料。放料過程的先決條件是對應的稱量料斗沒有發(fā)出“料空”信號，并且物料重量等于設定值重量；對應的上料皮帶機正常運行。滿足上述條件才可進行放料自動控制過程。首先選中稱量漏斗并確定該稱量漏斗為滿稱量，接著計算料滿控制值，然后發(fā)出啟動放料設備命令。PLC程序實時檢測料斗重量是否大于目標控制值，如果不大于目標控制值，則繼續(xù)實時檢測；如果大于目標控制值，則表明發(fā)料過程結束，發(fā)出“料空”信號，同時發(fā)出關閉對應閥門信號并延時，此時Ｗ空等于稱量斗重量。為保證下一次放料過程的準確性，需要在本次放料過程中，修正下次料滿提前量、計算累積誤差以及下次補償量。

2.3  布料過程

布料過程是指對高爐內(nèi)情況進行分析后，將準備好的物料按照環(huán)形布料、螺旋布料的方式將物料均勻地布在指定的環(huán)位上。該過程主要由PLC控制器控制布料器完成，布料器控制旋轉布料電機以及布料溜槽，進而對α 角進行控制調節(jié)。布料控制過程中的探尺用于探明高爐內(nèi)料面的高低，處于連續(xù)工作狀態(tài)，物料的位置信號由安裝在探測尺上的編碼器以位移信號的方式傳送給PLC控制器。溜槽是物料進入高爐內(nèi)的必經(jīng)之路，物料經(jīng)溜槽的旋轉、抬高而撒向爐內(nèi)。溜槽的旋轉角度以及抬高角度可以通過編碼器進行測量，并傳送給PLC控制器。

布料過程的詳細控制流程如圖４所示。PLC程序首先檢測當前的料槽是否滿足布料條件，探測尺是否探測到料線，如果滿足條件，則布料開始，并依次進行提探尺、開下密封閥、執(zhí)行溜槽控制、執(zhí)行料流閥控制等操作。當PLC程序檢測到該角度已經(jīng)布料完成后，則獲取下一次布料角度值。當PLC程序檢測到料罐空后，依次進行布料完成、停止旋轉角、提升α、下探尺、關料流閥、關下密封閥、關均壓閥等操作。至此，布料控制過程結束。

3  結語

高爐煉鐵是一個密閉性較強、工藝流程化較高、能耗較大的系統(tǒng)，高爐煉鐵的智能化、少人化、無人化是發(fā)展趨勢，在降低工人勞動強度、提高生產(chǎn)效率的同時，可以起到節(jié)能減排、節(jié)能降耗的目的。高爐上料自動控制系統(tǒng)是煉鐵高爐控制過程的關鍵環(huán)節(jié)，所以分析研究備料、放料、布料控制過程具有十分重要的意義。 

4  參考文獻

[1]  亓濤．3200m3高爐智能自動化控制系統(tǒng)的應用[J]．自動化應用，2015(5):1-2.

[2]  劉浩宇．高爐上料自動控制系統(tǒng)的設計[D]．沈陽：東北大學，2015:12-16.

[3]  揭曉．高爐上料控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]．南京：東南大學，2006:32-35.

[4]  王華強，楊光勝．3#高爐槽下裝料自動控制及自動補償系統(tǒng)[J]．世界儀表與自動化，2003,7(2):43-44.

[5]  劉沛然，孫長順．包鋼萬騰鋼鐵公司1#高爐上料自動控制系統(tǒng)[J]．內(nèi)蒙古科技大學學報，2014,33(1):53-57.

[5]  李牡丹．基于模糊PID控制的智能化配料秤儀表的設計與實現(xiàn)[D]．太原：太原理工大學，2008:73-74.