淺析高爐冶煉中過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

封 帆

（重慶鋼鐵集團(tuán)電子有限責(zé)任公司，中國 重慶400084）

0 引言

在鋼鐵企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展過程中，作為上游工序，高爐冶煉的能耗占企業(yè)總能耗的60%左右，成本占總成本的1/3左右。在當(dāng)今大型高爐冶煉過程中，普遍應(yīng)用過程計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)控和指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)過程最優(yōu)化，保障高爐安全穩(wěn)定順行，同時(shí)降本增效提質(zhì)，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 高爐冶煉工藝簡介

高爐冶煉生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)的過程。鐵礦石、焦炭、熔劑等固體原料按照設(shè)定配料比稱量，經(jīng)主皮帶運(yùn)輸，根據(jù)上料系統(tǒng)要求進(jìn)入高爐，沿爐頂裝置不斷裝入爐內(nèi)，礦石和焦炭在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)；從高爐下部的風(fēng)口吹入熱風(fēng)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(yīng)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(tǒng)概述

通常情況下人們所稱之為的過程控制系統(tǒng)，主要指的是過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是由一套系統(tǒng)完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的。在具體的運(yùn)行過程中，主要是對高爐冶煉生產(chǎn)過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的采集、整理和分析，同時(shí)做好模型的計(jì)算和優(yōu)化控制；對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效監(jiān)控，對各項(xiàng)生產(chǎn)操作進(jìn)行規(guī)范和指導(dǎo)[1]；對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，與各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)高效通信、信息共享；負(fù)責(zé)報(bào)表打印等一系列相關(guān)工作，詳見圖2。

3 高爐過程控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境分析

高爐過程控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP通信協(xié)議，通過OPC通訊方式讀取基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)交換平臺(tái)與MES系統(tǒng)和其他過程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 高爐冶煉工藝流程簡圖

圖2 高爐監(jiān)控主畫面

整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)分三級(jí)，見圖3。第一級(jí)為現(xiàn)場控制站：由現(xiàn)場控制主站至現(xiàn)場控制子站基于IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線組成。現(xiàn)場控制主站PLC及現(xiàn)場控制子站設(shè)置現(xiàn)場總線通訊模塊，用專用通訊電纜相連，構(gòu)成總線形式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

第二級(jí)為監(jiān)控級(jí)：中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)至現(xiàn)場站現(xiàn)場控制主站組成，采用環(huán)網(wǎng)形式的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

第三級(jí)為管理級(jí)：由MES系統(tǒng)、WEB發(fā)布、專家系統(tǒng)、廠長計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等構(gòu)成，采用星形100 M以太網(wǎng)方式連接。

4 高爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

4.1 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要確保過程控制系統(tǒng)和各系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)展開數(shù)據(jù)交換：和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行操作數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)交換；和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)實(shí)績、物料消耗、鐵水計(jì)量等數(shù)據(jù)交換[2]。

4.2 數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)

過程控制系統(tǒng)按秒級(jí)向基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)讀取高爐生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量特別龐大，為了確保數(shù)據(jù)庫安全穩(wěn)定，需充分考慮滿足生產(chǎn)過程的監(jiān)控需求。

4.3 生產(chǎn)監(jiān)視設(shè)計(jì)

高爐生產(chǎn)過程監(jiān)視系統(tǒng)，主要包括兩種類型的監(jiān)視，分別是狀態(tài)監(jiān)視和過程監(jiān)視。狀態(tài)監(jiān)視主要是監(jiān)視設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，用相對應(yīng)的圖像、數(shù)據(jù)等，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、整體工藝流程、全景圖、設(shè)定參數(shù)和實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)。

4.4 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中主要計(jì)算和統(tǒng)計(jì)高爐冶煉消耗的礦石、焦炭、煤粉等原燃料，消耗的水、電、風(fēng)、氣等能源，以及生產(chǎn)的鐵水、爐渣、煤氣等產(chǎn)品，統(tǒng)計(jì)風(fēng)量、頂壓、頂溫、綜合煤氣分析等重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算出高爐冶煉的具體生產(chǎn)指標(biāo)。

4.5 模型設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)化和信息化的深度融合，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍發(fā)展，高爐冶煉技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，更多功能完善的模型在高爐冶煉生產(chǎn)過程中得到高效的應(yīng)用，并呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢[3]。

4.5.1 配料模型

圖3 三級(jí)網(wǎng)絡(luò)圖

進(jìn)入高爐的鐵礦石等各種原料具有不同的化學(xué)成分，上料系統(tǒng)根據(jù)礦批設(shè)定和配比對原料進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，然后通過皮帶運(yùn)送到高爐與焦炭進(jìn)行冶煉還原，生產(chǎn)出合格的鐵水。科學(xué)合理的配比，對冶煉出優(yōu)質(zhì)合格的鐵水尤為重要。配料模型根據(jù)煉鐵生產(chǎn)計(jì)劃和鐵水質(zhì)量要求，通過對原料成分的檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，計(jì)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(gè)巨大的密閉容體，爐缸爐底侵蝕模型主要是根據(jù)爐缸爐底側(cè)壁埋設(shè)的熱電偶檢測的爐壁各點(diǎn)溫度以及爐體四周冷卻條件。

4.5.3 熱風(fēng)爐燃燒控制模型

熱風(fēng)爐是高爐冶煉生產(chǎn)的重要設(shè)備，為高爐輸送穩(wěn)定高溫的熱風(fēng)。熱風(fēng)爐的燃燒分為三個(gè)加熱時(shí)間段：快速燃燒期、拱頂溫度控制期和蓄熱期。熱風(fēng)爐燃燒控制模型根據(jù)煤氣熱值、殘氧檢測、拱頂溫度、廢氣溫度等參數(shù)的變化，計(jì)算出各燃燒時(shí)段的最佳空燃比。

4.5.4 鐵水溫度預(yù)報(bào)模型

鐵水溫度預(yù)報(bào)模型主要是結(jié)合模糊專家系統(tǒng)理論，計(jì)算和預(yù)報(bào)對爐溫造成影響的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)，對高爐的實(shí)際熱水平進(jìn)行預(yù)報(bào)。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(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過對過程控制系統(tǒng)精心的設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析、測試和改進(jìn)，確保系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，使其在高爐生產(chǎn)過程中的應(yīng)用更加方便快捷、運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)完整，滿足高爐冶煉的工藝要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，更大程度提升高爐冶煉生產(chǎn)的智能化程度。