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王盼盼（1983－）
女，山東菏澤人，碩士，主要從事工業控制及自動化方面的研究工作。




摘要：通過對高爐冶煉工藝及上料系統工作過程，為某鋼鐵廠450m3高爐設計開發了上料控制系統。實現了上料系統的實時監控和靈活方便的工藝配方, 并完成了自動上料、稱重補償、參數設定、畫面顯示等功能。

關鍵詞：450m3高爐；上料系統；自動控制

Abstract: Based on research of the blast furnace smelting technology and the working process on the feeding system, we designed and developed the blast furnace control system for one 450m3 blast furnace in a steelworks. The real-time monitoring is realized and the technological composition can be easily made. Some functions such as automatic feeding,weighing compensation, parameter setting , image display etc are also finished .

Key words: 450m3 blast furnace；feeding system；automatic control

    高爐上料裝置是生產中的重要環節，提高其自動化水平，可以大大減輕工人勞動強度，提高生產效率，同時通過原料的精確配比，又可提升產品的品質和質量。本文簡要介紹了PLC系統在高爐上料自動控制中的應用。該系統用PLC完成所有的過程控制、數據采集、自動調節、事故處理及報警等工作。工控機負責監控和人機對話，PLC和工控機通過動態數據交換，實現點對點通訊,控制與監控分開，可靠性高。該系統于2008年1月在建源鋼鐵公司450m3高爐正式投入使用以來,運行良好，穩定可靠,以低成本、完善的功能贏得了高爐操作人員的好評。

1  工藝流程

    高爐上料系統是指從槽下供料到爐頂的設備將物料（燒結礦、焦炭等）裝入爐內的全過程。該系統有4個雜礦倉、4個球團礦倉和6個燒結礦倉，燒結礦倉、球團礦倉經振動篩，雜礦倉經給料機后，按配料料單規定送稱量料斗稱量以后放料，由相應的皮帶送到地坑稱量漏斗。1#-4#四個焦炭倉下各有一臺振動篩，焦炭沒有中間稱量漏斗，經振動篩直接送地坑的焦炭稱量漏斗。地坑有左焦、左礦、右焦、右礦4個稱量斗。料車到料坑后，坑斗把料放入料車，坑斗閘門關到位并且爐頂備好后，料車啟動。兩臺料車按生產要求將槽下各種物料，由料車卷揚機提升到爐頂。經爐頂受料斗閥、上密封閥、節流調節閥、下密封閥，再經布料槽將物料均勻地布到爐內。

2  系統硬件設計及儀表設備

    由于該450m3高爐基礎自動化部分含有13個模擬量輸入，115個數字量輸入和72個數字量輸出，且為了滿足生產系統的設備控制及工藝參數的采集，系統擬采用西門子公司的S7-400主機架、S7-300卡件 和PLC系統對生產過程進行控制和監視。同時選擇西門子的Wincc組態軟件作為上位機的監控軟件。

    PLC由一個中央機架帶I/O擴展機架和相應模板（PS、CPU、CP、DI、DO、AI、AO）組成，控制相應系統。

    原料系統的各個礦石漏斗及坑斗和焦碳坑斗分別設有稱量裝置。信號進入計算機系統。

    上料系統采用2臺西門子矢量變頻器進行控制[1]，采用兩套變頻裝置供電，變頻器一用一備；

    料車卷揚電機軸上設有測速發電機一臺，旋轉編碼器一臺，主令控制臺一個。

    探尺電機采用西門子直流全數字調速裝置進行控制。探尺位置由旋轉編碼器檢測，由PLC進行連鎖及手動控制。

    爐頂布料器采用西門子變頻控制，由PLC根據工藝要求實現單環和多環布料控制。

3  高爐上料生產自動控制系統的設計

3.1 配料計算

    冶煉一噸生鐵，需要一定數量的礦石、溶劑和燃料（焦炭及噴吹燃料）[2]。對于煉鐵現場來說，燃料的用量是預先確定的，是已知的量，各種礦和焦炭的重量系數是可變且可以設定的。配料計算的主要任務，就是求出在滿足爐渣堿度要求的條件下冶煉規定成分的生鐵所需要的礦石、溶劑數量。

    配料的算法程序為：

    d5=d1/d2*d3*d4;//(*生鐵的SiO2重量系數,中間計算結果*)

    cokedry=coke-coke*c1;//(*干燥焦炭的重量,中間計算結果*)

    cokeoxid=cokedry*c2;//(*干燥焦炭的灰分重量,中間計算結果*)

    cokecao=cokeoxid*c3;//(*干燥焦炭灰分的CaO重量,中間計算結果*)

    cokesio2=cokeoxid*c4;//(*干燥焦炭灰分的SiO2重量,中間計算結果*)

    n1=((b3-b1*d5)*oresum+cokesio2)*r2-cokecao;//(*燒結礦重量計算值的分子部分,考慮二元堿度的計算結果*)

    n2=(b3-a3+(a1-b1)*d5)*r2+a2;//(*燒結礦重量計算值的分子部分,考慮二元堿度的計算結果*)

    x=n1/n2;//(*燒結礦重量計算值，kg,考慮二元堿度的計算結果*)

    y=oresum-x;//(*球團礦重量計算值，kg,考慮二元堿度的計算結果*)

    m1=x*(a2+a4)+cokecao;//(*三元堿度的校核計算的分子部分,中間計算結果,熔渣的堿性*)

    m2=x*(a3-a1*d5)+y*(b3-b1*d5)+cokesio2;//(*三元堿度的校核計算的分子部分,中間計算結果,熔渣的酸性*)

    r3=m1/m2;//(*三元堿度的校核計算結果*)

    算法中：

    a1、a2、a3 、a4分別為：燒結礦中Fe、CaO、SiO2、MgO的重量系數，小數；

    coke： 含水焦炭的重量,設定值,kg；c1： 含水焦炭的水分重量系數,小數；c2：干燥焦炭的灰分重量系數,小數；c3、c4分別為：干燥焦炭灰分的CaO、SiO2重量系數,小數；

    d1：生鐵的回收率系數,小數；d2、d3分別為：生鐵的Fe、Si的重量系數，小數；d4： 生鐵的SiO2與Si轉換系數；r2： 熔渣的二元堿度；sum： 礦石總重量,設定值,kg；

3.2 槽下配料矩陣

    該系統設計配料矩陣周期循環最多36車，適合異常情況下的特殊矩陣沒定，并且操作簡單明了，可在線設定修改。

    配料矩陣設定用配料代號表示礦或焦，東、西礦各有4個代號對應4種配料方式，東、西焦則分別有2個代號對應。布料代碼代表爐頂布料方式，用1，2，3，4，確定不同料的布料傾角、圈數和料流閥開度，布料代碼與爐頂布料矩陣相聯系周期標記用來確定料批是否結束或配料循環是否結束，66為罐標記，88為越位，99為批標記，100為返回，0代表走空車。每批料由一批礦或一批焦組成，每上完一車料，配料車次指針加1，一周期所有車次結束時，周期指針自動回到1。配料矩陣允許操作員在線設定修改，在任何位置均可加“附加焦”，不打亂周期程序。

3.3 稱量自動化控制系統

    焦炭部分控制過程為：按周期設定自動選倉，在具備上料的條件下(坑斗為空，閘門關到位)，自動啟動振動篩對焦坑斗受料。達到設定重量的控制值時停止，延時稱量完畢等待放料。碎焦則經返1#碎焦皮帶運到碎焦倉。

    礦石部分則以燒結礦簡述其控制過程：選取某燒結礦槽后在具備上料的條件下(漏斗為空，閘門關到位)，開動振動篩把燒結礦卸入稱量漏斗，當重量達到控制值時，停止振動篩，延時稱重完畢。通常除空置和檢修某個料槽外，各礦槽都是裝滿稱重完畢的爐料待機卸料的[2]。放料時打開漏斗閘門，礦石落入1＃礦皮帶或2＃礦皮帶。當漏斗重量降到料空值時認為放料完畢，關閉閘門。皮帶把礦石裝入1＃礦石坑斗或2＃礦石坑斗。燒結礦經振動篩篩分后，篩下碎礦則經返碎礦皮帶運到返礦倉。

    另外，輸送皮帶、振動篩和稱量斗等設備由于機械慣性和滯后的原因會引起高爐上料量的誤差。因此，PLC的編程過程中，加入了稱量補償部分及余振量自動跟蹤功能。補償算法為：

    （1）入爐量＝料滿值－料空值

    （2）誤差＝設定值－入爐量

    （3）下次設定值＝標準設定值－誤差

    （4）本次提前量＝滿值－本次控制值

    （5）下次提前量＝上次提前量×系數＋（1－系數）×本次提前量

    （6）下次控制值＝下次設定值＋料空值－下次提前量

    公式(5)中的系數：若振動篩的慣性大系數可選0.6一0.8；若振動篩慣性小，系數可選用0.1~0.3[1]。如果外部設備都運行正常(閘門、振動篩等)，按以上公式進行補正，稱量誤差小于1%，達到設計指標。

3.4 卷揚及爐頂自動化

    主卷揚機由兩臺電機拖動，根據料批程序自動控制；設備安全聯鎖控制，料車到料坑底發出到位信號，開始一個中間倉選倉自動過程后，料斗閘門打開，當料空且閘門關好后，發出上行信號；當每批料中第一車料到達上密封閥檢查點時，檢查上密是否關好，若未關好，料車停止，條件滿足后，繼續上行，將料裝入受料斗；當料滿且滿足條件后，打開放散閥卸壓，通過受料斗閘門及上密封閥向料罐裝料，裝料完畢，關閉料斗閥、上密封閥及放散閥，探尺探料降至規定料線深度提探尺，提尺同時打開兩個均壓閥向下罐均壓，布料器傾動到位，打開下密封閥，在溜槽到達步進角位置時打開料流調節閥，用其開度大小來控制料流速度，爐料由布料溜槽布入爐內。布料溜槽每布一批料，其起始角均較前批料的起始角步進60°或120°。此過程的工藝流程如圖1所示。

 
                                         圖1   程序流程圖

4  上料監控主畫面

畫面主要監控高爐上料全自動控制過程狀態。主要顯示高爐上料時的各種實時數據和現場設備狀態，例如:東/西礦稱量值、東/西焦炭稱量值、東/西礦皮帶狀態、東/西返礦皮帶狀態、東/西焦碎焦皮帶狀態、振動篩狀態、稱量斗空/滿狀態等;顯示批次及車次、料車位置大/小鐘狀態、均壓閥和放散閥狀態等;顯示各種報警信息，例如缺料報警、超料報警、存料報警、電子秤報警、皮帶報警、閘門報警、料車報警、以便能指導操作人員順利操作。

有三種操作方式：

HMI自動操作方式：此種方式是當操作控制條件和工藝及設備連鎖條件成立時，系統自動的完成一個工藝過程的控制（或動作）的控制操作方式。

HMI手動操作方式：此種方式是當操作控制條件和工藝及設備連鎖條件成立時，人工依照工藝順序分別對設備進行各種操作的單機控制操作方式。

機旁手動操作方式：此種操作方式是僅有單機設備自身最基本的安全連鎖而無其它連鎖，在機旁進行操作，這種方式主要用于檢修和調試各系統的控制設備及儀表檢測項目。 

         
         
                                       圖２   上料監控主畫面

5  結束語

該系統實現了新一代電儀一體化、數據通訊網絡及人機操作接口一體化；在建源450m3 高爐卷揚上料系統開始應用以來，系統穩定可靠，操作簡便，設備維護量小。滿足了高爐的各種工藝控制要求，保證了高爐連續穩定運行。
　　

參考文獻：

[1]吳忠智,吳加林.變頻器應用手冊(第二版) [M]. 北京:機械工業出版社,2002,63-65.

[2]周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊[M].北京:冶金工業出版社,2002,8.

[3]馬竹梧. 煉鐵生產自動化技術[M]. 北京:冶金工業出版社,2005,103-105.