摘 要:提高喷煤水平是钢铁企业降低焦比和生产成本的重要技术措施。贵港钢铁厂高炉喷煤系统自动控制水平低是其发展的主要瓶颈,需要结合先进的高炉喷煤技术提高高炉喷煤系统综合自动化水平。在归纳总结了高炉喷煤技术发展趋势后,分析了高炉喷煤自动控制工艺流程。最后详细介绍了贵港钢铁厂所选用的基于具有DCS和PLC过程控制功能的S7-400系列PLC高炉喷煤集散控制系统的硬件配置和软件设置。
关键词:高炉喷煤 S7-400系列PLC 集散过程控制
中图分类号:TQ17 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0120-02
高炉喷煤自动控制技术对于我国钢铁工业,甚至国民经济的发展均具有十分重要的工程实践意义。在欧洲和日本一些发达国家,于1989年已研发出200kg/t.Fe的高炉喷煤示范控制作业系统,并于1991年其自动控制系统喷煤量已经增加到300kg/t.Fe,目前正在大力进行300kg/t.Fe喷煤量自动控制系统的探索试验。我国在钢铁高炉喷煤自动控制技术方面已经投入大量的人力、物力和财力进行深入研究,但由于受当时建设技术水平和综合投资等因素的制约,我国高炉喷煤控制系统无论从系统规模还是从有效工作年限等方面,与国外先进发达国家相比依然存在一定差距。虽然国内大部分钢铁企业在高炉喷煤方面均实现了自动控制功能,但随着我国钢铁工业的快速发展,对煤粉喷吹的稳定性、实时性、精确性等方面也提出了更高的要求,加上钢铁行业节能降耗的必然趋势,对高炉喷煤自动控制系统的控制流程优化和提高高炉运行工况的研究就显得非常重要。在钢铁企业高炉喷煤自动控制系统的设计过程中,如何提高煤粉喷吹的稳定性和准确性是整个高炉喷煤自动控制系统研究的一个关键内容[1]。高炉喷煤自动控制系统首先要满足整个煤粉喷吹基本工艺流程需求,即通过控制系统实现所有机电设备按照工艺要求顺利动作完成对应的功能需要;然后在实现基本功能的基础上,构筑对应的控制模拟仿真模型,并结合相应的仿真软件形成对应人机互通可视化界面,提高整个控制系统的综合自动化水平,保证高炉喷煤系统安全可靠、节能经济的高效运行。高炉喷煤系统生产全过程采用计算机自动监视控制后,不但实现了高炉喷煤生产全过程各工艺参数、机电设备运行工况的实时集中监控,大大降低了工人作业强度、提高了工作效率;同时实现了高炉喷煤复杂控制流程的逻辑闭锁互联控制,减少了机电设备的运行事故,提高高炉喷煤系统运行的可靠性。高炉喷煤工艺流程的高精度控制,可以有效减少炉况波动,达到节焦增铁提高钢铁企业生产经济效益的目的[2]。
1钢铁企业喷煤技术发展趋势
高炉喷煤技术是钢铁生产过程中大幅度降低焦比和生铁生产成本的重要技术措施,同时也是推动钢铁生产工艺流程技术更新升级的核心力量。自20世纪80年代初,高炉喷煤技术在钢铁生产工艺中得到广泛推广使用以来,在大量研发人员的共同努力下,各国钢铁厂的高炉喷煤量也有了很大提高。我国经过最近十来年的研发和工程实践,高炉喷煤技术也取得了很多令人满意的成果,推动钢铁生产的快速发展[3]。富氧喷煤技术、氧煤喷吹技术、粒煤喷吹和配煤混合喷吹技术等新技术在钢铁生产高炉喷煤系统中得到广泛推广应用[3]。高炉喷煤系统由于工作原理复杂、专业性较强等因素的影响,在钢铁生产自动控制系统中具有非常重要的地位,因而对整个高炉喷煤系统各环节动作保护的可靠性、灵敏性、精确性等均有很高的要求。高炉喷煤系统虽然整体结构较为复杂,但是各电气设备相互间的连锁工作原理较为简单,工艺流程较为系统,因此可以充分利用分散分布式DCS系统进行系统调控,充分发挥DCS系统过程控制性能水平。随着各种喷煤技术的不断开发和在工程实践中的广泛推广应用,高炉喷煤控制过程均离不开相应的自动控制系统,也就是说相应技术的产生必须有对应控制系统模型作为支撑,以发挥出其应有的功能效果。因此,在结合高炉喷煤系统的总体流程方案的基础上,构筑高效精确的高炉喷煤自动控制数据模型和计算机可视化监视控制系统是钢铁企业自动控制工作人员研究的一个重要课题[4]。
2高炉喷煤工艺流程控制总体方案
贵港钢铁厂高炉喷煤系统生产工艺流程主要包括原煤贮运系统、制粉(磨粉)系统、供气系统、煤粉计量系统、自动控制系统等。贵港钢铁厂高炉喷煤工艺流程框图如图1所示。
从图1可知,整个高炉喷煤自动控制工艺实际上就是将煤场中的燃煤资源传输到高炉进行燃烧能量转换的一个复杂大控制系统。贵港钢铁厂的高炉喷煤自动控制系统采用以PLC控制器为控制核心的计算机在线监控系统,并通过DCS集散控制模式实现对整个高炉喷煤系统的分散集中自动控制。高炉喷煤控制系统可将制粉与喷吹分开,按照两个相对独立控制站进行现地分散控制,然后经DCS系统与高炉中央控制中心的工作站进行实时通讯,完成实时监测、动态分析运算和自动控制等功能。IPC、PLC、交换机等硬件设备分别布置在制粉控制室和喷吹控制室中,通过喷吹PLC站、中速磨PLC站、制粉PLC站等获得整个高炉喷煤系统的基础控制当量。为了整个系统布线和现场调试维护的方便性,在制粉控制室和喷吹控制室内分别设置以太网交换机,通过冗余设计原则将两个交换机按照级联方式进行有机连接。整个系统中的热电偶、热电阻、电磁阀、限位开关、压力变送器等传感器获得的检测信号,按照点对点直接通信模式接入到各PLC控制模块中。中速磨PLC站和制粉PLC站通过对应通信模块接口进行数据信息实时共享。在制粉和喷吹控制室内设立两个不同的操作站,相应运行管理人员可以通过模拟仿真界面就能及时了解整个系统的运行情况,便于其制定安全可靠、高效节能的调度方案。后台服务工程师站主要负责整个软件系统的维护。通过安装在工作现场的摄像头对相关信息的实时采集、远程传输、动态分析、显示、储存,并经相关仿真界面发布主排粉风机、皮带转运站、以及中速磨等分散工作点处的视频监控图像信息,实现高炉喷煤系统的信息化、网络化、以及分散集成化设计。高炉喷煤自动控制系统设计需要充分考虑整个高炉喷煤系统的所有功能和控制要求,从而具有构筑喷煤量控制精确度高、煤粉分配较均匀、炉况运行较稳定、连续大喷吹等优点的自动控制系统,保证整个高炉喷煤过程高效稳定的运行[5]。
3基于DCS与PLC的高炉喷煤系统总体结构
贵港钢铁厂高炉喷煤自动控制系统全系统操作站均是联网协调自动工作的,无论是从钢铁生产控制管理角度,还是从现地生产子系统生产控制角度,整个系统均是一个互联、协调、动态自动控制大系统。系统采用标准的以太网络、SIEMENS SIMATIC NET工业控制以太网络、以及PROFIBUS过程现场总线相互结合,构成系统三级通信网络结构体系,从而保证不同控制层级间数据信息的高可靠性、无拥塞性、以及高速度(10M～100M)高效稳定传输共享。系统采用西门子公司自主研发的S7-400系列(S7-414,S7-416)大容量、高可靠性的先进PLC可编程控制器,包含了DCS分散集成控制和PLC控制两大技术功能。贵港钢铁厂高炉喷煤自动控制系统中各操作站间均是实时数据动态通信关系,可以实现功能数据间相互共享和互操作。系统采用容错光纤网络作为主要通信媒介,提高了网络系统数据信息传输的现场抗干扰能力和数据信息传输可靠性、实时性和精确性。S7-400系列PLC具有DCS分散集成控制功能,并按照分散集成自动化过程控制系统构筑系统网络通讯结构,实现了对整个高炉喷煤系统的分散集成自动化过程控制。系统主要由过程层级、现场控制级、以及中央操作控制级三个网络子系统共同组成,并在网络通信体系设置时,除了具备数据传输高速、可靠、全冗余等基本功能特性外,还设置了将高炉喷煤系统所有其它功能分散子系统的集成控制功能,从而构成一个以S7-400系列PLC为中心的完整的、分散全集成的全过程自动控制系统。
以S7-400系列PLC为核心构筑的SIEMENS SIMATIC NET工业控制网络通讯系统是一个分散全集成的过程控制网络系统,利用网络系统固有的并行数据通信和系统资源数据信息共享的全冗余设计,使得整个高炉喷煤系统具有分散集成全过程自动化控制系统(CIPS)的集成控制和分布式动态分析计算等功能。在高炉喷煤自动控制系统中,设置了高炉供料系统、高炉上料系统、高炉热风系统等多个工艺子系统,并且在各子系统间均按照就地分散控制和集成中心控制相结合的控制模式进行逻辑连锁动态控制设计。系统通过I/O输入输出端子共采集系统工艺流程中上百个控制参变量,如水、空气、氮气、O2、蒸汽等工艺运行媒介的温度、压力、流量等数据信息,并通过PLC内部相应数据处理单元获得对应的控制逻辑决策,实现高炉喷煤系统安全稳定、节能经济的高效运行。同时基于S7-400系列集DCS和PLC控制功能为一体的高炉喷煤控制系统还应具备对整个工艺流程运行参数进行实时监控、运算分析、报警提示、数据存储、曲线生成、生产统计报表生成、打印等其它人性化服务控制管理功能,以满足高炉喷煤集散控制系统生产工艺流程自动控制需求。
4高炉喷煤系统硬件和软件配置
4.1 系统硬件配置
本系统主要实现贵港钢铁厂高炉喷煤系统的全过程集散自动在线检测控制,即完成了对高炉喷吹系统、高炉热风炉系统、高炉上料系统、以及其它辅助工艺子系统的温度、流量、压力等工艺特性参数的实时监测和PID数据动态调节控制,是一个动态辅助的工业计算机自动逻辑控制大系统。高炉喷煤系统主要以西门子公司自主研发的S7集散过程控制系统构筑系统通讯网络。在高炉现地控制区域采用S7-400系列PLC作为下位机控制系统,输入输出I/0模板全选用400型信号输入输出模板,共设计5套;数据量输入输出DI/DO模板选用电压等级为120/230VAC系列模板。高炉现地控制区域的上位机监控系统选用西门子公司的100M工业以太光纤环网作为数据通信网络,数据通讯协议按照TCP/IP进行配置,通讯管理交换机选用西门子公司的100M-OSM,并配置1613西门子网卡,并按照子系统要求设置9套操作站(其中一套供系统工艺流程各特性参数计量所用)。
4.2 系统软件配置
贵港钢铁厂高炉喷煤集散自动化过程控制系统其上位监控组态软件选用WinCC V6.0组态仿真软件,控制系统工艺流程逻辑编程选用STEP7 V5.3软件,控制中心上位机工作站操作系统选用Win2000系统。整个高炉喷煤系统的电源系统为380VAC经隔离变压器转换,内部稳压电源按照220VAC进行设计,并为监控系统配置不间断供电UPS电源(能够在30min正常供电),系统中24VDC电源选用西门子公司的SITOP整流电源,以保证整个高炉喷煤系统运行供电可靠性。贵港钢铁厂高炉集成控制系统首先需要解决各控制子系统间数据信息的集成问题。为此在整个系统控制逻辑设计时,PLC逻辑分散控制过程程序设计全部采用模块化设计,这样喷煤系统中的4个喷吹系统可以相互协调运行完成自动装料、喷吹和喷吹罐自动稳压等功能,且各自过程控制逻辑程序均是相互独立的控制模块,也就是说这些PLC单元模块可以根据系统实际运行需求,协调或独立完成相应过程控制功能。比如,当整个喷煤系统中一个喷吹系统由于设备故障或其它原因造成其不能进行自动喷吹工艺时,运行管理人员可以关掉该喷吹系统的自动控制程序,将其从自动喷吹程序中切除出来独立手动运行,而其它没有故障的喷吹系统依然可以在系统自动稳压程序下照常稳定运行,从而提高了系统运行可靠性。在系统通信系统设计时,通过数据通讯规约软件实现不同独立子系统间数据信息资源的实时共享和互操作,即将各高炉现场独立控制系统中特征参变量数据信息,按照高炉喷煤系统控制工艺流程需要,动态采集到高炉喷煤控制中心上位机数据处理单元中,结合相应仿真软件,实现对整个系统的实时组态仿真,同时将现场独立控制子系统的控制数据信息实时存储在中心上位机对应的数据库中,便于其它服务单元进行数据信息实时调取共享和动态分析,充分发挥出数据信息中的重要价值,为钢铁厂高炉喷煤系统综合自动化调控管理提供重要决策数据信息,优化和平衡系统能源的供给,获得最优控制策略,保证整个系统安全可靠、节能经济的高效运行。
5结语
贵港钢铁厂高炉计算机自动化过程控制系统选用具有DCS和PLC控制功能的先进的西门子PCS S7集散自动化过程控制系统,并严格按照高炉喷煤系统工艺技术规范要求对系统硬件配置和软件设置进行系统完善的设计,实现了对贵港钢铁厂高炉喷煤系统生产全过程的自动化控制管理。
参考文献
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[2] 汤清华,马树涵.高炉喷吹知识问答(第1版)[M].北京:冶金工业出版社,1997.
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[5] 张殿有.高炉冶炼操作技术[M].北京:冶金工业出版社,2006.
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