鋼鐵廠高爐供料自動(dòng)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

摘要：目前很多鋼鐵廠供料系統(tǒng)控制供料系統(tǒng)存在操作員工作環(huán)境差，上料聯(lián)系信號(hào)不準(zhǔn)確和供料生產(chǎn)不安全等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，現(xiàn)以某典型的鋼鐵廠高爐供料系統(tǒng)為例，給出了改造設(shè)計(jì)思路、控制模式設(shè)計(jì)及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，降低了操作人員工作量，改善了工人的工作環(huán)境，使高爐運(yùn)行順暢，保證了生產(chǎn)安全。這一設(shè)計(jì)方案在鋼鐵廠高爐供料控制系統(tǒng)中具有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高爐； 供料系統(tǒng)； 控制系統(tǒng)； 改造設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN91134； TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X(2012)04012804

Design of feeding automatic control system for blast furnace in steel and iron plants

FENG Meiying

(Liuzhou Vocational ＆ Technical College， Liuzhou 545006， China)

Abstract： The feeding control systems of blast furnaces in many steel plants have the following questions: poor working environment， inaccurate feeding signal and unsafety feeding system. To solve these problems， the feeding system of a typical blast furnace is taken as an example to offer the thought of system design for automatic control， design of control mode and design scheme of PLC control system. Since the system is put into production， it has reduced operating personnel workload， improved the working environment， made blast furnace worked smoothly and ensured production safety. This design plays a good role in promoting the automatic control system to blast furnace of steel plants.

Keywords： blast furnace; feeding system; control system; design modification

收稿日期：20110926

基金項(xiàng)目：廣西教育廳科研項(xiàng)目 (201010LX639，

201010LX648)階段成果0引言

目前很多鋼鐵廠供料系統(tǒng)控制基本上均存在以下問(wèn)題：操作員工作環(huán)境差；上料聯(lián)系信號(hào)不準(zhǔn)確；供料生產(chǎn)不安全等問(wèn)題。針對(duì)這些情況，筆者和某鋼鐵廠技術(shù)員一起對(duì)該企業(yè)的7座高爐供料系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

1控制模式設(shè)計(jì)

為了改善操作員的工作環(huán)境，該系統(tǒng)針對(duì)操作員的控制模式如下所述。

1.1區(qū)域集中用手動(dòng)控制

各集控箱上的“手動(dòng)/自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”左置“手動(dòng)”位，即可操作集控操作臺(tái)上的主令開(kāi)關(guān)啟/停該區(qū)域內(nèi)的皮帶。

各集控箱上其他相關(guān)設(shè)備的操作只受該設(shè)備惟一的一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，故要求操作人員正確操作，維修人員維修相關(guān)設(shè)備時(shí)要注意斷氣及斷電，保證維修的安全。當(dāng)采用“區(qū)域集中用手動(dòng)控制”模式時(shí)，其他模式被禁止。

1.2機(jī)旁手動(dòng)控制

各集控箱（JZX）上的“手動(dòng)/自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”右置“自動(dòng)”位且機(jī)旁操作箱內(nèi)的“機(jī)旁手動(dòng)/聯(lián)鎖自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”左置“機(jī)旁手動(dòng)”位，即可操作機(jī)旁操作箱內(nèi)的按鈕開(kāi)關(guān)啟/停單條皮帶及其它相關(guān)單個(gè)設(shè)備。

該控制方式是為試機(jī)而設(shè)，故該控制方式開(kāi)啟皮帶后，皮帶只運(yùn)行5 min，要再次開(kāi)啟則要求再次操作1次按鈕開(kāi)關(guān)。當(dāng)采用“機(jī)旁手動(dòng)控制”模式時(shí)，該單條皮帶或單個(gè)設(shè)備不受“全自動(dòng)模式”控制。

1.3全自動(dòng)控制

當(dāng)區(qū)域集控操作臺(tái)上的“手動(dòng)/自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”右置“自動(dòng)”位且機(jī)旁操作箱內(nèi)的“機(jī)旁手動(dòng)/聯(lián)鎖自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”右置“聯(lián)鎖自動(dòng)控制”位，該單條皮帶或單個(gè)設(shè)備才受“全自動(dòng)模式”控制。“全自動(dòng)模式”指：監(jiān)控畫面操作模式，在該模式下，供料系統(tǒng)所有的設(shè)備均受“WINCC操作畫面”控制。“WINCC操作畫面”有以下主控按鈕：

(1) 系統(tǒng)狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“系統(tǒng)運(yùn)行” 狀態(tài)時(shí)，所有設(shè)備受啟用料倉(cāng)料位自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)供料；當(dāng)處在“系統(tǒng)調(diào)試” 狀態(tài)時(shí)，所有設(shè)備只有通過(guò)鼠標(biāo)操作才可啟/停，該操作方法僅在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)用\\[1\\]。

(2) WINCC操作狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“WINCC操作禁止”狀態(tài)時(shí)，在WINCC操作畫面上用鼠標(biāo)操作不了任何設(shè)備；當(dāng)處在“WINCC操作允許”狀態(tài)時(shí)，可“有聯(lián)鎖”或“無(wú)聯(lián)鎖”操作任何設(shè)備。

(3) 聯(lián)鎖狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“WINCC操作無(wú)聯(lián)鎖”狀態(tài)時(shí)，用鼠標(biāo)可無(wú)聯(lián)鎖操作某些設(shè)備；當(dāng)處在“WINCC操作有聯(lián)鎖”狀態(tài)時(shí)，用鼠標(biāo)可有聯(lián)鎖操作所有設(shè)備。操作機(jī)旁操作箱內(nèi)的按開(kāi)關(guān)啟/停單條皮帶及其它相關(guān)單個(gè)設(shè)備。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高上料聯(lián)系信號(hào)準(zhǔn)確度以及供料生產(chǎn)的安全可靠性。在系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn):

2.1料倉(cāng)控制

現(xiàn)場(chǎng)控制要求：槽上啟用料倉(cāng)的料位自動(dòng)向啟用料倉(cāng)上料，停用料倉(cāng)不上料。所以在設(shè)計(jì)時(shí)使槽上啟用料倉(cāng)料位下降至下限時(shí)，自動(dòng)判斷上料路徑，使相關(guān)所選皮帶同時(shí)啟動(dòng)，縮短啟動(dòng)時(shí)間，加快上料速度；上料料倉(cāng)料位上至上限時(shí)，延時(shí)依次自動(dòng)停皮帶。考慮到要縮短皮帶空轉(zhuǎn)時(shí)間，最低限度減少電能浪費(fèi)，所以料倉(cāng)料位檢測(cè)采用德國(guó)進(jìn)口超聲波傳感器，測(cè)量范圍為0.6～6 m，輸出為4～20 mA，輸入電源為DC 24 V，重復(fù)精度為9 mm，防護(hù)等級(jí)為IP65(防塵防水濺)\\[2\\]。由于該超聲波料位傳感器輸出為模擬信號(hào)，故料倉(cāng)料位上、下限的設(shè)定方便自如，用計(jì)算機(jī)鍵盤設(shè)定即可。為了方便更換時(shí)不用拆線，接線方式采為接插件。每個(gè)槽上料倉(cāng)有一個(gè)超聲波料位傳感器，安裝在料倉(cāng)中部，外加保護(hù)罩防止物料碰撞損壞。

2.2皮帶小跑車控制

為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，槽上皮帶小跑車電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，小跑車快接近目標(biāo)位置時(shí)減速逼近，到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)零速度狀態(tài)下抱閘。這樣小跑車在料倉(cāng)上的定位就很準(zhǔn)確，且不會(huì)出現(xiàn)高速度狀態(tài)下抱閘因慣性而出軌的嚴(yán)重設(shè)備故障\\[3\\]。

小跑車在料倉(cāng)上的位置檢測(cè)采用了雙重檢測(cè)系統(tǒng)：多圈絕對(duì)值編碼器檢測(cè)與控制外加接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)修正。多圈絕對(duì)值編碼器負(fù)責(zé)檢測(cè)槽上皮帶小跑車的位移，精確控制小跑車在每個(gè)倉(cāng)的若干個(gè)卸料點(diǎn)準(zhǔn)確卸料。接近開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)修正絕對(duì)值編碼器的檢測(cè)，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，PLC將當(dāng)前位置的預(yù)置值與多圈絕對(duì)值編碼器檢測(cè)值作比較，當(dāng)差值小于下限時(shí)不修正，當(dāng)差值大于下限時(shí)執(zhí)行修正，當(dāng)差值大于上限時(shí)則報(bào)警，且不允許跑車卸料\\[4\\]。

多圈絕對(duì)值編碼器要求安裝與小跑車減速機(jī)低速軸或小跑車尾輪軸同軸，采用德國(guó)TURCK公司的9080系列帶PROFIBUSDP總線接口的多圈絕對(duì)值編碼器，分辨率可達(dá)8 192/轉(zhuǎn)，4 096轉(zhuǎn)，精度極高。接近開(kāi)關(guān)采用外殼銅鍍鉻，防護(hù)等級(jí)為IP67，DC 24 V，PNP三線，工作距離15 mm，帶接插件式的，更換時(shí)不用拆線，而且四面都有有指示燈，任何方向都可看到\\[5\\]。為了節(jié)省電纜方面投資，接近開(kāi)關(guān)的輸出直接接入現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)等級(jí)為IP67的I/O模塊。

2.3皮帶測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)控制

跑偏檢測(cè)一級(jí)跑偏常開(kāi)接點(diǎn)接進(jìn)PLC的現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊。一級(jí)跑偏動(dòng)作時(shí)，僅中控室操作站的畫面上報(bào)警閃爍指示；二級(jí)跑偏常閉點(diǎn)串聯(lián)接入皮帶接觸器線圈控制回路；皮帶因二級(jí)跑偏而停機(jī)時(shí)，在中控室操作站的畫面上就能準(zhǔn)確知道是哪個(gè)跑偏動(dòng)作，故障定位迅速準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)處理人員置機(jī)旁操作箱的“機(jī)旁手動(dòng)／聯(lián)鎖自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)”在左位時(shí)，二級(jí)跑偏常閉點(diǎn)被自動(dòng)短接，這樣在機(jī)旁就能點(diǎn)動(dòng)皮帶并調(diào)整皮帶至正常。長(zhǎng)度小于等于20 m的皮帶設(shè)1對(duì)跑偏開(kāi)關(guān)，并安裝于皮帶中部；長(zhǎng)度大于20 m且小于等于50 m的皮帶設(shè)2對(duì)跑偏開(kāi)關(guān)，并分別安裝于皮帶機(jī)頭和機(jī)尾；長(zhǎng)度大于50 m且小于等于100 m的皮帶設(shè)3對(duì)跑偏開(kāi)關(guān)，并分別安裝于皮帶機(jī)頭、中間、機(jī)尾；超過(guò)100 m的皮帶，每增加50 m加1對(duì)\\[6\\]。

拉線急停采用人工手動(dòng)復(fù)位式雙向拉線開(kāi)關(guān)，這能確保急停作用的可靠性。一對(duì)常閉點(diǎn)串聯(lián)接入皮帶接觸器線圈控制回路。一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)接進(jìn)PLC的現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊，當(dāng)皮帶因拉線開(kāi)關(guān)動(dòng)作而停機(jī)時(shí)，在中控室操作站的畫面上就能準(zhǔn)確知道是哪個(gè)拉線開(kāi)關(guān)動(dòng)作，故障定位迅速準(zhǔn)確，為現(xiàn)場(chǎng)處理人員提供準(zhǔn)確信息。

打滑檢測(cè)一個(gè)探頭安裝于皮帶機(jī)尾輪旁，使用具有模擬量0～20 mA輸出的轉(zhuǎn)速監(jiān)控器，實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶尾輪的轉(zhuǎn)速，當(dāng)皮帶打滑或橫向拉斷時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)控器的輸出變小至小于預(yù)設(shè)置的報(bào)警值，則發(fā)出皮帶打滑聲光報(bào)警并立即自動(dòng)停止后序皮帶及停止相關(guān)料頭下料口放料\\[7\\]。

反轉(zhuǎn)檢測(cè)兩個(gè)探頭安裝于皮帶機(jī)尾輪旁。方向識(shí)別器安裝在機(jī)旁箱內(nèi)，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)探頭的輸入信號(hào)的前后順序以及及相互重疊部分的大小就可對(duì)轉(zhuǎn)向進(jìn)行識(shí)別。

堵料檢測(cè)兩個(gè)電容式接近開(kāi)關(guān)安裝在三通、四通分料器上實(shí)現(xiàn)對(duì)堵料的檢測(cè)。當(dāng)任一電容式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)超過(guò)2 s則發(fā)出堵料聲光報(bào)警并立即自動(dòng)停止后序皮帶及停止相關(guān)料頭下料口放料。

3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)供料系統(tǒng)設(shè)備分布范圍廣的客觀實(shí)際，采用目前最快的ProfibusDP ［8］現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，并采用主從方式進(jìn)行工作，主站采用德國(guó)西門子公司的中高性能的4162 CPU，它集成了一個(gè)MPI/DP通信接口，可用于連接5臺(tái)監(jiān)控操作站，還集成了一個(gè)PBDP通信接口，可用于連接從站。

另外，在主站上安裝了兩塊德國(guó)西門子公司的提供PBDP通信接口的CP，這樣整個(gè)PLC系統(tǒng)就由主站加三條PBDP鏈路構(gòu)成，每條PBDP鏈路的名稱及其掛接的從站見(jiàn)“PBDP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖”。

每條PBDP鏈路最多可串聯(lián)8個(gè)總線段，每?jī)蓚€(gè)總線段必須由RS 485中繼器來(lái)連接\\[9\\]。每個(gè)總線段最多能掛接31個(gè)從站，用工業(yè)雙絞線最長(zhǎng)距離為1 000 m。如果需要的電纜長(zhǎng)度超1 000 m，則必須使用RS 485中繼器。

針對(duì)供料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)范圍廣、粉塵且易受大雨淋的客觀實(shí)際，掛接在各條PBDP鏈路上的現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O模塊要求具有的防護(hù)等級(jí)為IP67，并且要求具有點(diǎn)診斷功能。經(jīng)過(guò)多方考查并綜合技術(shù)及投資的優(yōu)勢(shì)，決定現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O模塊采用德國(guó)TURCK公司的防護(hù)等級(jí)為IP67且有點(diǎn)診斷功能的模塊。該模塊集成有PBDP通信功能，利用接插件直接掛上PBDP鏈路即可，而無(wú)需外加通信模塊，且模塊的每一點(diǎn)都具有診斷功能\\[10\\]。

3.1PLC輸入/輸出點(diǎn)的物理分布設(shè)計(jì)

3.1.1PLC輸入點(diǎn)的分布

69條皮帶、11臺(tái)槽上皮帶小車、除塵風(fēng)機(jī)的接觸器動(dòng)作反饋接點(diǎn)的輸入在各電磁站的BL20分站上。其他各輸入點(diǎn)都在現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)旁箱內(nèi)\\[11\\]。

3.1.2PLC輸出點(diǎn)的分布

69條皮帶、11臺(tái)槽上皮帶小車、除塵風(fēng)機(jī)及受自動(dòng)控制的照明的輸出控制點(diǎn)均在各電磁站的BL20分站上。各三通、四通、斗門、給料機(jī)、除塵設(shè)備（的輸出控制點(diǎn)均在現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)旁箱內(nèi)）。

3.2PLC控制系統(tǒng)硬件配置簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)［12］

圖1為整個(gè)硬件配置設(shè)計(jì)框圖。其中監(jiān)控站1監(jiān)控新110 m2燒結(jié)倉(cāng)；監(jiān)控站2監(jiān)控二燒新燒結(jié)礦倉(cāng)；監(jiān)控站3監(jiān)控1#料臺(tái)；監(jiān)控站4監(jiān)控2#料臺(tái)；監(jiān)控站5監(jiān)控3#料臺(tái)；監(jiān)控站6監(jiān)控4#料臺(tái)。這些監(jiān)控站的PLC均采用采用西門子S7400機(jī)子。

3.3PLC控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

如圖2所示為整個(gè)供料自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖，圖中C代表皮帶接觸器。其中：新110 m2燒結(jié)倉(cāng)共有6個(gè)，每個(gè)倉(cāng)下有一臺(tái)振動(dòng)給料機(jī)；二燒新燒結(jié)礦倉(cāng)共有4個(gè)，每個(gè)倉(cāng)下有一臺(tái)振動(dòng)給料機(jī)；1#料臺(tái)共有倉(cāng)2個(gè)，每個(gè)倉(cāng)下有一個(gè)氣動(dòng)斗門；2#料臺(tái)共有倉(cāng)1個(gè)，倉(cāng)下有一個(gè)電液推桿驅(qū)動(dòng)的斗門；3#料臺(tái)共有倉(cāng)2個(gè)，每個(gè)倉(cāng)下有一個(gè)氣動(dòng)閘門；4#料臺(tái)共有倉(cāng)1個(gè)，倉(cāng)下有一個(gè)電液推桿驅(qū)動(dòng)的斗門。

圖1PLC硬件配置設(shè)計(jì)框圖4結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，一直運(yùn)行正常。并且達(dá)到了以下幾個(gè)目的：

(1) 每個(gè)操作人員身居環(huán)境幽雅的控制室內(nèi)，在供料過(guò)程監(jiān)控畫面的幫助下用鼠標(biāo)簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)向7座高爐槽上料倉(cāng)供各種物料，這樣供料工段僅需投入幾十人就可保證完成全廠7座高爐的供料生產(chǎn)，且崗位工遠(yuǎn)離粉塵污染源而不受危害，每年可節(jié)省300萬(wàn)元的工資費(fèi)用。

(2) 槽上皮帶小跑車在料倉(cāng)上采用雙重定位系統(tǒng)，確保小跑車定位準(zhǔn)確，從根本上杜絕混料、上錯(cuò)料故障的發(fā)生。

(3) 完善的皮帶測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)保證供料的安全，將將各種常見(jiàn)的堵料、打滑、反轉(zhuǎn)等故障消滅在萌芽狀態(tài)。

(4) 啟用料倉(cāng)的料位在線實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控，確保高爐斷料現(xiàn)象盡可能少。

(5) 皮帶通廊照明系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由此可見(jiàn)，這一設(shè)計(jì)方案在鋼鐵廠高爐供料系統(tǒng)中具有較好的推廣作用。

圖2自動(dòng)控制流程圖參考文獻(xiàn)

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