高爐上料先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮 磊，王學(xué)勝，亓俊海

（山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠，山東濟(jì)南 250000）

自1961年以來，我國生產(chǎn)的鋼鐵量已經(jīng)超過1億t，2020年全國生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為8.88億t、10.53億t 和13.25億t，相較于2019年分別增長4.3 %、5.2 %和7.7 %，位居世界第一，成為名副其實(shí)的鋼鐵生產(chǎn)大國。工業(yè)自動化是推動生產(chǎn)力發(fā)展的重要動力，從第一次工業(yè)革命開始，人們就不斷將各式各樣的機(jī)器應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中[1]。經(jīng)過上百年的發(fā)展，工業(yè)自動化水平已經(jīng)成為一個國家綜合國力的重要依據(jù)。自動化生產(chǎn)線是工業(yè)自動化重要的組成部分，它將各個獨(dú)立工序串聯(lián)起來，讓生產(chǎn)加工效率得到了極大提升。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化生產(chǎn)線的功能越來越強(qiáng)大，集成了越來越多的傳感器、微型計(jì)算機(jī)等設(shè)備，朝著無人化、智能化方向發(fā)展。在這樣的科技發(fā)展背景下，企業(yè)必須抓住技術(shù)創(chuàng)新，特別是正處于轉(zhuǎn)型階段的制造加工類企業(yè)，只有不斷改進(jìn)生產(chǎn)線，才能在高昂成本下形成大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益[2-4]。現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線應(yīng)該滿足以下功能：

（1）能夠提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，增大產(chǎn)出。

（2）能夠自動完成對生產(chǎn)過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集，對系統(tǒng)本身參數(shù)進(jìn)行管理和監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)的收集，為生產(chǎn)線各項(xiàng)測試提供可靠數(shù)據(jù)參考。

（3）系統(tǒng)呈模塊化分布，功能耦合性低，能夠快速完成與新設(shè)備或新工序的對接，以適應(yīng)不斷更新變化的產(chǎn)品需求。實(shí)現(xiàn)自動上下料具有重大意義。

1 PLC基本介紹

PLC 全稱為可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC），是一種以微處理器為基礎(chǔ)綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等發(fā)展起來的一種工業(yè)自動化的裝置，由開關(guān)式穩(wěn)壓電源、CPU、指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬裝換等功能單元組成。擁有邏輯控制、時序控制、和模擬控制、多機(jī)通信等各種功能，已經(jīng)是一臺緊湊的微型主機(jī)。自1969年美國數(shù)字設(shè)備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器開始，經(jīng)過這幾十年的發(fā)展，PLC 日漸成熟，廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)械、采礦、冶金、化工和制藥等各種工業(yè)控制領(lǐng)域。

PLC 推出后逐漸取代繼電器，到現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)更加成熟，得到了全球范圍內(nèi)技術(shù)人員的青睞。同時，PLC 的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)、信號處理、控制等技術(shù)推陳出新、生產(chǎn)過程的復(fù)雜度和工藝要求的提高，PLC 也開始支持模擬量讀取運(yùn)算和運(yùn)動控制功能，在運(yùn)動控制、過程控制等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。PLC 的核心是CPU，它扮演著控制中心的作用，支持用戶通過相關(guān)的指令讓PLC 實(shí)現(xiàn)讀取、發(fā)送數(shù)據(jù)和命令等功能；還支持對存儲器、I/O 以及相關(guān)定時器狀態(tài)的檢測，識別該命令語句中的問題。在過程控制中，PLC 能為工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)PID、模糊控制等算法來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[5]。

2 高爐上料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高爐上料控制系統(tǒng)主要的硬件組成系統(tǒng)由3部分組成，分別是輸入部分、控制部分和輸出部分。控制部分的核心是PLC 控制器。在控制部分，將輸入部分收集到的高爐上料控制系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合處理，以PLC 控制器為核心，分析處理高爐上料系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，然后再將信號通過輸出部分進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)高爐上料系統(tǒng)的運(yùn)行，控制高爐上料系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，并采用隔離柵將PLC 控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行隔離，以便于高爐上料系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時利用人機(jī)交互界面，觀察整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，配置手動和自動兩種控制方式，實(shí)現(xiàn)更好的高爐上料系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.1.1 上位機(jī)選型

高爐上料控制系統(tǒng)中的最重要的控制中心，上位機(jī)對高爐上料控制系統(tǒng)的運(yùn)行和使用有著重要的影響。上位機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)型選擇是高爐上料控制系統(tǒng)的主要控制過程，以高爐上料控制系統(tǒng)的中控機(jī)為例，嚴(yán)重影響相關(guān)人員的使用效果，同時顯示屏的選擇，也會影響數(shù)據(jù)信息的顯示和操作人員對系統(tǒng)的掌握。

（1）研華IPC-610H 的CPU 處理器為i5，能夠支持多個操作系統(tǒng)，包容兼并性強(qiáng)，選擇研華IPC-610H 作為上位機(jī)中控機(jī)型，可滿足高爐上料控制系統(tǒng)的高負(fù)荷運(yùn)行，研華IPC-610H 中控機(jī)配備了兩個前置風(fēng)扇，能夠承受的設(shè)備運(yùn)行溫度為0-60℃，設(shè)備的電源為300W，待機(jī)時間長，使用電量充足，可滿足長時間設(shè)備運(yùn)行管理，同時配置了4個PCI 總線接口，更好的滿足高爐上料控制系統(tǒng)運(yùn)行，通訊接口為2個，該型號中控的使用性能好，不受工作環(huán)境的影響，具有較高的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)程監(jiān)控方便，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定[6]。

（2）中控屏影響操作人員的操作效率，為提升操作人員的操作舒適度，全方位的對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)督，本文系統(tǒng)采用飛利浦271I8，可實(shí)現(xiàn)多角度查看監(jiān)督界面，高清還原現(xiàn)場情況，屏幕為低藍(lán)光屏，保護(hù)操作人員的眼睛同時還能在IPS 寬視角技術(shù)的輔助下，深化現(xiàn)場監(jiān)督。

（3）研華EKI 交換機(jī)具有X-Ring 冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以太網(wǎng)接口傳輸速度快，高達(dá)8000Mb，能夠保證高爐上料控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自愈時間為10ms，大大提升了高爐上料控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.1.2 下位機(jī)選型

下位機(jī)作為高爐上料控制系統(tǒng)的主要組成部分，控制系統(tǒng)的選擇非常重要。PLC 型號選擇西門子S7-300，根據(jù)現(xiàn)場情況，安裝下位機(jī)相關(guān)設(shè)備和模塊，合理設(shè)定，便于下位機(jī)的控制與使用，同時下位機(jī)的核心CPU 模塊可處理和擴(kuò)展模塊達(dá)到了32個，方便下位機(jī)進(jìn)行多種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，并可以新增接口，不受插槽限制，能更好的進(jìn)行PLC 調(diào)試，滿足下位機(jī)控制系統(tǒng)的需求。

（1）下位機(jī)的電源需要滿足下位機(jī)的高負(fù)荷使用需求，并且保證自身在高負(fù)荷工作模式下持續(xù)供電并保證安全，因此，選擇的電源為PS307型號，該型號具有3個模塊為下位機(jī)共同提供供電，且安全性高。

（2）下位機(jī)的主要CPU 模塊，需要滿足下位機(jī)高負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的目的，因此選擇CPU315-2DP 型號，可以控制多個數(shù)字量和模擬量，數(shù)字量高達(dá)1024個。

（3）擴(kuò)展PLC 模塊，需要滿足下位機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮下位機(jī)的最大作用，因此選擇型號IM365的PLC 模塊，可實(shí)現(xiàn)一體化供電，無需另外配置電源。

（4）數(shù)字量輸出模塊利用的是直流電壓，最低直流電壓為24V DC，因此選擇用型號為SM32164PLC模塊，可以達(dá)到16個輸入點(diǎn)和隔離點(diǎn)。

（5）數(shù)字量輸出模塊需要控制電機(jī)的啟動和停止，在高爐上料控制系統(tǒng)中比較重要，因此在選擇的時候，選擇交流電壓為120/230V 的SM32216xRel，滿足高爐上料控制系統(tǒng)的需要。

（6）模擬輸入模塊的通道和輸入點(diǎn)都為8，12位+字符位的可編程分辨率，能更好地為中控機(jī)運(yùn)行提供保護(hù)，因此型號為SM3318x13位，對中控機(jī)的自動化程序監(jiān)控度提升，核心控制能力提升。

（7）模擬輸出模塊為整個高爐上料控制系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)的，選擇性能高的SM3324x12型號，具有12位可分辨率，所含通道可以獨(dú)立選擇電壓或電流的輸出形式。

2.2 人機(jī)交互界面

管理系統(tǒng)由PLC 編程軟件結(jié)合Wincc 組態(tài)編程軟件共同組成，可實(shí)現(xiàn)自動控制和手動控制自由交替，為便于人機(jī)交互系統(tǒng)操作簡潔，操作界面直觀，操作系統(tǒng)能夠及時反饋，根據(jù)工況現(xiàn)場，利用Wincc 實(shí)現(xiàn)高爐上料控制系統(tǒng)的自動化監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，自動在操作界面中，生成現(xiàn)場情況，根據(jù)高爐現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)，自動編制歷史數(shù)據(jù)曲線圖，便于操作人員更好的進(jìn)行查看，同時界面清晰度可隨著參數(shù)的設(shè)定發(fā)生改變，能更好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的監(jiān)控[7]。上位機(jī)軟件創(chuàng)建了原料倉、磨料機(jī)、干燥爐、布袋除塵收集器、氮?dú)夤蕖⒖諝夤蕖⒘蟼}、噴吹罐等控制過程的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了對閥、料位、重量、溫度、壓力、電機(jī)、噴料量等數(shù)據(jù)的檢測[8]。

3 高爐上料系統(tǒng)阻塞預(yù)防

3.1 原煤筒倉

在上料生產(chǎn)中，若生產(chǎn)區(qū)域空間有限，無法直接建造原料堆場。而筒倉占地面積小，儲料大，環(huán)境污染小，可以建造原料筒倉來存儲一定量的原料來保證生產(chǎn)需要。然而，使用原料筒倉，會在筒倉內(nèi)下料錐段出現(xiàn)原料板結(jié)、掛壁等問題。若不采取措施，時間一長，板結(jié)、掛壁越來越嚴(yán)重，會導(dǎo)致下料口越來越小，造成下料不暢甚至堵塞下料口而影響生產(chǎn)。針對此種情況可采取如下措施來解決。

（1）從設(shè)計(jì)角度考慮，加大筒倉下料錐段與水平面的角度，一是可以減小原料下料時與錐段的摩擦阻力，可以使落料更順暢；二是可以增大原料在垂直方向的分力，原料也更容易下來。此處設(shè)計(jì)原料筒倉錐段壁與水平面的夾角不應(yīng)小于65°，最好在70°以上[9]。

（2）增加空氣炮。針對原料板結(jié)掛壁問題，可以在原料筒倉錐段適當(dāng)位置安裝一定數(shù)量的空氣炮。簡單來說，可以通過設(shè)計(jì)電磁脈沖閥門，每隔一定的時間向錐段內(nèi)壁通入一定壓力的氮?dú)猓ㄟ^氣體來使倉壁周圍的原料流化、松動，增加原料的流動性，從而原料不容易產(chǎn)生板結(jié)、掛壁。另外，設(shè)計(jì)時可考慮分層安裝空氣炮，可以使流化效果更佳。當(dāng)筒倉錐段比較大時，為了增加流化的效果和穩(wěn)定性，可以在筒倉錐段設(shè)計(jì)一個專用氣包，來保證原料流化壓力和氣量。值得注意的是，流化氣包的體積不宜太大，否則須按照特種設(shè)備壓力容器考慮。流化氣包的體積不應(yīng)大于30L。

（3）設(shè)計(jì)預(yù)留入孔人工疏通。在實(shí)際的生產(chǎn)中，會有各種情況發(fā)生。各種類型的原料、長時間的工作振動電機(jī)損壞、空氣炮氣量不足或者損壞等，都有可能造成原料筒倉下料口堵塞。因此在設(shè)計(jì)時，可以考慮在下料口上方預(yù)留一定大小的人孔（建議尺寸200mm×200mm～300mm×300mm），當(dāng)原料下料不暢或者下料口堵塞時，可通過人工使用工具來疏通落料口。生產(chǎn)條件允許的話，可定期通過入孔進(jìn)行防堵檢查和疏通[10]。

3.2 上料皮帶機(jī)

原料中會含有很多雜質(zhì)，包括一些鐵塊、鐵絲、石塊、料矸石、編織袋等，這些大的雜質(zhì)如果不經(jīng)處理，進(jìn)入原料倉，則會造成堵塞下料口、磨機(jī)吐渣嚴(yán)重、堵塞噴吹管道等情況發(fā)生。因此，上料皮帶機(jī)設(shè)計(jì)時可考慮采取下述措施來減輕堵塞情況。

（1）在上料皮帶機(jī)受料口設(shè)計(jì)除鐵器。原料從受料斗落到皮帶上后，可在皮帶落料點(diǎn)前設(shè)置一個除鐵器，使皮帶上的原料先經(jīng)過除鐵器，將原料中的鐵絲、鐵塊等吸附到除鐵器上。一方面，可防止鐵塊、鐵絲等堵塞原料倉落料口；另一方面，可減小鐵器進(jìn)入磨機(jī)研磨時產(chǎn)生火花引發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)。除鐵器建議使用電磁除鐵器，在不需要上料時可斷電清理除鐵器上面吸附的鐵器。

（2）在皮帶機(jī)落料口設(shè)置一定大小的網(wǎng)格篦子。原料中通常含有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的大小、類型是很難確定的。若大塊雜質(zhì)，料矸石等進(jìn)入原料倉，則會很大程度的增加后面系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，可在皮帶機(jī)落料口設(shè)置一定大小的網(wǎng)格篦子，可有效的防止大塊兒雜質(zhì)進(jìn)入原料倉。篦子的網(wǎng)格大小一般為100 mm×100 mm，網(wǎng)格太大，起不到防堵作用，網(wǎng)格太小，則可能會影響原料的上料量，堵塞篦子。網(wǎng)格篦子要定期進(jìn)行清理。