一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

煉鐵生產(chǎn)過程是在高爐內(nèi)進(jìn)行的一系列復(fù)雜的還原反應(yīng)的過程，爐料（礦石、燃料和熔劑）從爐頂裝入，從鼓風(fēng)機(jī)來的冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后，形成高溫?zé)犸L(fēng)從高爐風(fēng)口鼓入，隨著焦炭燃燒產(chǎn)生的熱煤氣流自下而往上運(yùn)動(dòng)，而爐料則由上而往下運(yùn)動(dòng)互相接觸進(jìn)行熱交換，逐步還原，最后在爐子的下部還原成生鐵，同時(shí)形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣，分別由出鐵口和出渣口放出。

高爐自動(dòng)化過程主要包含高爐本體控制、給料和配料控制、熱風(fēng)爐控制，以及除塵系統(tǒng)控制等。高爐自動(dòng)化的目的，主要是保證高爐操作的四個(gè)主要問題：正確配料并以一定的順序及時(shí)裝入爐內(nèi)；控制爐料均勻下降；調(diào)節(jié)爐料分布及保持其與熱煤氣流的良好接觸；保持高爐整體有合適的熱狀態(tài)。高爐自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括儀表檢測(cè)及控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和過程及管理用計(jì)算機(jī)。儀表控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)通常由DCS或PLC完成。

高爐生產(chǎn)必須要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠很好地保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和實(shí)時(shí)監(jiān)控性，而且要求數(shù)據(jù)量最多，所有設(shè)備的自動(dòng)化程度要高。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集周期短，刷新速率快，特別對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)而言，數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和正確性尤為重要。
對(duì)檢測(cè)儀表而言，也即對(duì)溫度、壓力、差壓、流量、料位、重量的檢測(cè)，要求數(shù)據(jù)的采集精確度≤0.2%，采集速率≤0.8S。

高爐的自動(dòng)化控制方案，首先應(yīng)著眼于系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性，并在此基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

1．可靠性
高爐在鋼鐵廠生產(chǎn)中處于十分重要的位置，它不僅要及時(shí)穩(wěn)定的給煉鋼工序提供合格的鐵水，還同時(shí)為軋鋼加熱爐提供煤氣。高爐生產(chǎn)的短時(shí)間中斷都會(huì)給整個(gè)生產(chǎn)流程帶來不可估量的損失。
因此，必須把系統(tǒng)的可靠性也即安全性放在高爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一位。在設(shè)備控制方面，要滿足煉鐵設(shè)備及工藝的特定要求，完善必要的軟硬件連鎖，實(shí)現(xiàn)最可靠的開停車順序控制，以及可靠的處理突發(fā)性事件的應(yīng)急處理方案，確保整個(gè)高爐生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。
為保證這些設(shè)備安全可靠運(yùn)行，除了系統(tǒng)硬件之外，還必須在軟件編程上增加多種保護(hù)功能，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2．實(shí)用性
為適應(yīng)中型規(guī)模鋼鐵廠在生產(chǎn)管理的技術(shù)基本點(diǎn)面上要求循序漸進(jìn)、逐步提高的多數(shù)情況，對(duì)高爐生產(chǎn)的過程控制，設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作狀態(tài)，兩種操作狀態(tài)之間，可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。
由工業(yè)微型計(jì)算機(jī)和PLC系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、控制軟件組成在線計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，下位機(jī)通過各檢測(cè)儀表，采集高爐上料、配料運(yùn)行數(shù)據(jù)、爐體溫度、風(fēng)溫、風(fēng)壓，除塵系統(tǒng)等工藝參數(shù)。
在手動(dòng)操作模式下，上述工藝參數(shù)經(jīng)過上位機(jī)計(jì)算機(jī)處理，使之成為清晰而精確的“軟件儀表”，將過去人工來不及分析的、各種缺乏相關(guān)性的信息都能充分地利用起來，揭示出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而對(duì)判斷高爐生產(chǎn)過程和指導(dǎo)操作起到了更多的作用。
在自動(dòng)操作模式下，我們?cè)诔Ｒ?guī)PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)之上，增加了非線性變參數(shù)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)和智能控制等環(huán)節(jié)。
經(jīng)過計(jì)算機(jī)綜合分析和建立數(shù)學(xué)模型，作為人工操作或自動(dòng)調(diào)節(jié)的依據(jù)，并充分利用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存信息量大的優(yōu)點(diǎn)，為高爐的操作提供更準(zhǔn)確、更合理的控制策略。

3．先進(jìn)性
采用智能控制技術(shù)，以改變控制策略去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性。具有更好的適應(yīng)性、容錯(cuò)性、魯棒性、自組織功能，具有自學(xué)習(xí)能力、更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和人機(jī)協(xié)同功能。不僅依靠單純的數(shù)學(xué)模型，而是能夠根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累，進(jìn)行在線推理，做出非線性和多因素的判斷，從而優(yōu)選出能隨動(dòng)實(shí)時(shí)變化的最佳控制策略。
通過記錄、分析高爐的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用“優(yōu)選圖法”，指導(dǎo)操作人員，使之確定的每一步動(dòng)作更加精確和科學(xué)。在這種狀況較之傳統(tǒng)人工操作模式下，高爐各操作參數(shù)的離散程度將明顯縮小，向著最佳區(qū)間，甚至最佳點(diǎn)靠攏的趨勢(shì)將非常明顯。
在系統(tǒng)更進(jìn)一步優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)多種“趨勢(shì)分析”，計(jì)算機(jī)能夠做出趨勢(shì)預(yù)報(bào)，及時(shí)為操作者提供更多的手段，相當(dāng)于真正做到了類似于傳統(tǒng)操作模式下，工藝管理上經(jīng)常會(huì)提出“早調(diào)、勤調(diào)、少調(diào)”的要求。高爐生產(chǎn)過程在應(yīng)用本系統(tǒng)后將更加趨向穩(wěn)定。

二、控制系統(tǒng)實(shí)施方案
系統(tǒng)硬件
本系統(tǒng)PLC硬件全部選用施耐德公司的Modicon TSX Quantum 140系列產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)連接使用Modbus TCP/IP Ethernet，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100MBPS，采用信息行業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議，幾乎不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突，交換式以太網(wǎng)技術(shù)的使用更避免了沖突發(fā)生的可能。網(wǎng)絡(luò)配置包括PLC端和PC機(jī)端兩個(gè)部分。

系統(tǒng)中的每套PLC系統(tǒng)通過插在主底板上的140NOE77100 TCP/IP Ethernet模塊連接在100M快速以太網(wǎng)上，位置比較集中的可以采用雙絞線連接。上位監(jiān)控機(jī)采用雙絞線連接快速以太網(wǎng)。每臺(tái)上位監(jiān)控機(jī)內(nèi)各插入1塊3C905C 100M以太網(wǎng)卡。

通過Quantum 140NOE77100模塊可以定義I/O數(shù)據(jù)表，使用Internet Explorer查看以太網(wǎng)狀態(tài)信息和現(xiàn)場(chǎng)I/O數(shù)據(jù)，也可通過其它的內(nèi)嵌功能，基于Web的BOOTP服務(wù)器配置，SNMP協(xié)議支持等，使網(wǎng)絡(luò)建立、調(diào)試、管理都變得簡(jiǎn)單。

組態(tài)軟件
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括PLC組態(tài)及參數(shù)配置、系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信配置、操作員站及工程師站人機(jī)界面設(shè)計(jì)四個(gè)部分。

PLC組態(tài)及參數(shù)配置、下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的編程均在Concept XL V2.6環(huán)境下完成，它易于使用，功能豐富，具有5種符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程模式。特別是軟件仿真測(cè)試功能最受用戶歡迎，大大縮短了在線調(diào)試時(shí)間。高爐及熱風(fēng)爐根據(jù)控制流程不同，可以采用LD、FBD兩種編程方式。程序功能包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)量程變換、參數(shù)監(jiān)視及異常處理、各種連鎖及控制。

本系統(tǒng)涉及工藝參數(shù)較多，有壓力、溫度、差壓、流量、質(zhì)量、料位、閥位、液位等等。高爐本體及熱風(fēng)爐控制工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)和配備必要的調(diào)節(jié)回路。靈活的Concept編程軟件為實(shí)現(xiàn)各種控制工藝提供了豐富的功能，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際編寫出各種需求的功能。
上位監(jiān)控工作站由8臺(tái)Advantech工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)設(shè)備控制，生產(chǎn)報(bào)表的生成和打印、數(shù)據(jù)備份等工作。上位機(jī)監(jiān)控軟件中人機(jī)界面的設(shè)計(jì)采用GE Fanuc iFIX 4.0軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)，數(shù)據(jù)報(bào)表，數(shù)據(jù)采集，報(bào)警記錄，動(dòng)態(tài)顯示等豐富功能。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好，可以完成監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、過程數(shù)據(jù)庫建立以及監(jiān)控軟件各功能塊的編制等項(xiàng)的功能。其著重點(diǎn)是確保系統(tǒng)可靠，以及如何方便于操作。

系統(tǒng)總圖
高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)配置總圖詳見圖1。
圖中：整個(gè)PLC系統(tǒng)包括5個(gè)CPU主機(jī)站、6個(gè)PLC I/O站和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。CRT1～CRT4為爐頂及卷揚(yáng)操作站、高爐本體操作站、上料操作站、熱風(fēng)爐操作站，CRT5為工程師站，CRT6為布袋除塵操作站、CRT7為出鐵場(chǎng)、原料場(chǎng)除塵系統(tǒng)操作站。
其中網(wǎng)絡(luò)連接：24端口以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)置在高爐主控室內(nèi)，2臺(tái)8端口以太網(wǎng)交換機(jī)分別設(shè)置在布袋除塵和礦槽控制室內(nèi)。高爐主控室至布袋除塵、高爐主控室至礦槽控制室之間，通過光纖連接。采用帶光纜接口的交換機(jī)，或使用光電轉(zhuǎn)換器，用光纖連接以太網(wǎng)。

主要功能描述
本系統(tǒng)將是一個(gè)集順序控制、過程控制、數(shù)據(jù)采集、工況監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理為一體的計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)。主要功能如下：
? 對(duì)電動(dòng)機(jī)、閥門等以及成套機(jī)電設(shè)備的開關(guān)量控制，包括分組連鎖起動(dòng)、分組連鎖關(guān)機(jī)、組內(nèi)自動(dòng)連鎖控制、組內(nèi)單步連鎖控制、系統(tǒng)單步調(diào)試。
? 過程控制數(shù)據(jù)的采集和處理（包括開關(guān)量和模擬量）。
? 完善的報(bào)警功能。開關(guān)量和模擬量報(bào)警的顯示、確認(rèn)、記錄和打印。報(bào)警發(fā)生的開始時(shí)間、確認(rèn)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均能自動(dòng)記錄。
? 動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖畫面，各畫面之間可以自由切換。
? 歷史曲線圖、實(shí)時(shí)曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示和打印。




圖1 高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)配置圖

? 定時(shí)打印或即時(shí)打印生產(chǎn)班報(bào)表、生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表、生產(chǎn)月報(bào)表。定時(shí)打印的時(shí)間間隔可修改，即交接班時(shí)間可通過操作設(shè)定。
? 面向目標(biāo)的操作方式，友善的人機(jī)操作界面。對(duì)某臺(tái)設(shè)備的操作，只需把光標(biāo)移到相應(yīng)的目標(biāo)（如電機(jī)、閥門）的圖形位置上就可完成操作。如目標(biāo)能被選中，則允許操作，否則操作無效。
? 系統(tǒng)時(shí)間、模擬量報(bào)警上下限的設(shè)置和修正。
? 較強(qiáng)的系統(tǒng)自診斷功能，包括PLC模塊出錯(cuò)顯示，在線查看開關(guān)量和模擬量條件表。
? 操作記錄、開關(guān)量報(bào)警列表、模擬量報(bào)警列表的自動(dòng)記錄和顯示打印。
? 為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)的某些重要操作設(shè)置密碼，以防無關(guān)人員隨意進(jìn)入操作。

PLC控制功能
⑴ 爐頂系統(tǒng)
? 爐頂布料程序控制和爐頂設(shè)備順序控制；
? 料流調(diào)節(jié)閥開度控制；
? 溜槽傾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)控制；
? 料線測(cè)量和探尺控制；
? 爐頂均排壓控制；
? 爐頂溫度監(jiān)測(cè)和壓力控制。

⑵ 槽下系統(tǒng)
? 焦炭、礦石的備料系統(tǒng)；
? 原料的稱量補(bǔ)償和水分控制；
? 高爐裝料程序控制。

⑶ 高爐本體
? 爐體各點(diǎn)的溫度、壓力、流量檢測(cè)；
? 爐喉溫度和煤氣成分?jǐn)?shù)據(jù)處理；
? 熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)；
? 爐體冷卻水壓力、流量測(cè)量；
? 風(fēng)口平臺(tái)出鐵場(chǎng)蒸氣、壓縮空氣、O2的流量及壓力測(cè)量；
? 爐體參數(shù)監(jiān)控和報(bào)警；
? 爐體系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。