一、系統(tǒng)設(shè)計指導思想

煉鐵生產(chǎn)過程是在高爐內(nèi)進行的一系列復(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，從鼓風機來的冷風經(jīng)熱風爐加熱后，形成高溫熱風從高爐風口鼓入，隨著焦炭燃燒產(chǎn)生的熱煤氣流自下而往上運動，而爐料則由上而往下運動互相接觸進行熱交換，逐步還原，最后在爐子的下部還原成生鐵，同時形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣，分別由出鐵口和出渣口放出。

高爐自動化過程主要包含高爐本體控制、給料和配料控制、熱風爐控制，以及除塵系統(tǒng)控制等。高爐自動化的目的，主要是保證高爐操作的四個主要問題：正確配料并以一定的順序及時裝入爐內(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)。高爐自動化系統(tǒng)主要包括儀表檢測及控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和過程及管理用計算機。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)必須要求計算機控制系統(tǒng)能夠很好地保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和實時監(jiān)控性，而且要求數(shù)據(jù)量最多，所有設(shè)備的自動化程度要高。計算機系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集周期短，刷新速率快，特別對通訊網(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。
對檢測儀表而言，也即對溫度、壓力、差壓、流量、料位、重量的檢測，要求數(shù)據(jù)的采集精確度≤0.2%，采集速率≤0.8S。

高爐的自動化控制方案，首先應(yīng)著眼于系統(tǒng)的可靠性、實用性和先進性，并在此基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的性價比。

1．可靠性
高爐在鋼鐵廠生產(chǎn)中處于十分重要的位置，它不僅要及時穩(wěn)定的給煉鋼工序提供合格的鐵水，還同時為軋鋼加熱爐提供煤氣。高爐生產(chǎn)的短時間中斷都會給整個生產(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功能，以進一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2．實用性
為適應(yīng)中型規(guī)模鋼鐵廠在生產(chǎn)管理的技術(shù)基本點面上要求循序漸進、逐步提高的多數(shù)情況，對高爐生產(chǎn)的過程控制，設(shè)有手動和自動兩種操作狀態(tài)，兩種操作狀態(tài)之間，可實現(xiàn)無擾動切換。
由工業(yè)微型計算機和PLC系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、控制軟件組成在線計算機應(yīng)用系統(tǒng)，下位機通過各檢測儀表，采集高爐上料、配料運行數(shù)據(jù)、爐體溫度、風溫、風壓，除塵系統(tǒng)等工藝參數(shù)。
在手動操作模式下，上述工藝參數(shù)經(jīng)過上位機計算機處理，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，從而對判斷高爐生產(chǎn)過程和指導操作起到了更多的作用。
在自動操作模式下，我們在常規(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)過計算機綜合分析和建立數(shù)學模型，作為人工操作或自動調(diào)節(jié)的依據(jù)，并充分利用計算機儲存信息量大的優(yōu)點，為高爐的操作提供更準確、更合理的控制策略。

3．先進性
采用智能控制技術(shù)，以改變控制策略去適應(yīng)對象的復(fù)雜性和不確定性。具有更好的適應(yīng)性、容錯性、魯棒性、自組織功能，具有自學習能力、更強的實時性和人機協(xié)同功能。不僅依靠單純的數(shù)學模型，而是能夠根據(jù)知識和經(jīng)驗的積累，進行在線推理，做出非線性和多因素的判斷，從而優(yōu)選出能隨動實時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”，指導操作人員，使之確定的每一步動作更加精確和科學。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，甚至最佳點靠攏的趨勢將非常明顯。
在系統(tǒng)更進一步優(yōu)化后，可實現(xiàn)多種“趨勢分析”，計算機能夠做出趨勢預(yù)報，及時為操作者提供更多的手段，相當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100MBPS，采用信息行業(yè)事實標準TCP/IP，應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議，幾乎不會發(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機端兩個部分。

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)控機采用雙絞線連接快速以太網(wǎng)。每臺上位監(jiān)控機內(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、管理都變得簡單。

組態(tài)軟件
軟件系統(tǒng)設(shè)計包括PLC組態(tài)及參數(shù)配置、系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信配置、操作員站及工程師站人機界面設(shè)計四個部分。

PLC組態(tài)及參數(shù)配置、下位機監(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標準的編程模式。特別是軟件仿真測試功能最受用戶歡迎，大大縮短了在線調(diào)試時間。高爐及熱風爐根據(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。高爐本體及熱風爐控制工藝復(fù)雜，設(shè)計和配備必要的調(diào)節(jié)回路。靈活的Concept編程軟件為實現(xiàn)各種控制工藝提供了豐富的功能，可以根據(jù)生產(chǎn)實際編寫出各種需求的功能。
上位監(jiān)控工作站由8臺Advantech工業(yè)控制計算機完成整個系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)設(shè)備控制，生產(chǎn)報表的生成和打印、數(shù)據(jù)備份等工作。上位機監(jiān)控軟件中人機界面的設(shè)計采用GE Fanuc iFIX 4.0軟件，可實現(xiàn)實時、歷史趨勢，數(shù)據(jù)報表，數(shù)據(jù)采集，報警記錄，動態(tài)顯示等豐富功能。工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實時性好，可以完成監(jiān)控畫面設(shè)計、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的功能。其著重點是確保系統(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PLC系統(tǒng)包括5個CPU主機站、6個PLC I/O站和Profibus-DP現(xiàn)場總線。CRT1～CRT4為爐頂及卷揚操作站、高爐本體操作站、上料操作站、熱風爐操作站，CRT5為工程師站，CRT6為布袋除塵操作站、CRT7為出鐵場、原料場除塵系統(tǒng)操作站。
其中網(wǎng)絡(luò)連接：24端口以太網(wǎng)交換機設(shè)置在高爐主控室內(nèi)，2臺8端口以太網(wǎng)交換機分別設(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，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)管理為一體的計算機控制管理系統(tǒng)。主要功能如下：
? 對電動機、閥門等以及成套機電設(shè)備的開關(guān)量控制，包括分組連鎖起動、分組連鎖關(guān)機、組內(nèi)自動連鎖控制、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）。
? 完善的報警功能。開關(guān)量和模擬量報警的顯示、確認、記錄和打印。報警發(fā)生的開始時間、確認時間和恢復(fù)時間均能自動記錄。
? 動態(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、實時曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示和打印。




圖1 高爐自動化控制系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)配置圖

? 定時打印或即時打印生產(chǎn)班報表、生產(chǎn)日報表、生產(chǎn)月報表。定時打印的時間間隔可修改，即交接班時間可通過操作設(shè)定。
? 面向目標的操作方式，友善的人機操作界面。對某臺設(shè)備的操作，只需把光標移到相應(yīng)的目標（如電機、閥門）的圖形位置上就可完成操作。如目標能被選中，則允許操作，否則操作無效。
? 系統(tǒng)時間、模擬量報警上下限的設(shè)置和修正。
? 較強的系統(tǒng)自診斷功能，包括PLC模塊出錯顯示，在線查看開關(guān)量和模擬量條件表。
? 操作記錄、開關(guān)量報警列表、模擬量報警列表的自動記錄和顯示打印。
? 為加強系統(tǒng)的可靠性，對系統(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；
? 溜槽傾動和旋轉(zhuǎn)控制；
? 料線測量和探尺控制；
? 爐頂均排壓控制；
? 爐頂溫度監(jiān)測和壓力控制。

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

⑶ 高爐本體
? 爐體各點的溫度、壓力、流量檢測；
? 爐喉溫度和煤氣成分數(shù)據(jù)處理；
? 熱風溫度調(diào)節(jié)；
? 爐體冷卻水壓力、流量測量；
? 風口平臺出鐵場蒸氣、壓縮空氣、O2的流量及壓力測量；
? 爐體參數(shù)監(jiān)控和報警；
? 爐體系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。