高炉上料自动控制系统
【摘要】本文主要论述了罗克韦尔控制系统在包钢万腾钢铁1#高炉中的应用。
对自动控制系统的组成、硬件配置、控制过程及控制功能的实现进行了详细阐述。
【关键词】罗克韦尔控制系统；装料控制；布料控制
0 概述
高炉上料装置是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。
高炉上料自动控制系统采用PLC完成所有的顺序控制过程、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。
计算机负责监控和人机对话，PLC和计算机通过光纤进行通讯，进行动态数据交换，实现点对点通讯，控制与监控分开，可靠性高。
1 上料系统的控制方案
万腾钢铁1#高炉上料控制系统分为槽下配料和小车上料及炉顶布料三部分构成，采用的是卷扬小车自动上料，炉顶是单罐式无料钟炉顶，槽下矿槽为单列左右对称布置，高炉料车卷扬采用的是两套变频传动，互为备用。
溜槽布料倾角和节流调节采用比例阀控制，炉顶探测料面采用2根变频调速垂直探尺。
炉顶其它设备采用的是液压传动。
溜槽、料溜调节阀的位置检测装置采用的是三个增量型编码器。
在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉顶放散阀、均压阀、上密阀、料斗翻板、下密阀、料流阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。
根据高炉上料系统的工艺要求，综合考虑控制的可靠性及实用性，其设计方案如下。
高炉上料自动控制系统由一套冗余PLC及三个远程I/O站组成。
CPU机头及高炉炉顶I/O位于高炉主控楼PLC室，CPU、电源模块及通讯模块采用冗余方式。
炉顶远程I/O主要控制炉顶设备及布料器、探尺等炉顶设备。
槽下设备远程I/O站位于矿槽主控楼，主要控制槽下配料设备以及槽下液压站设备。
卷扬远程I/O站位于卷扬液压站，主要控制炉顶液压站及与卷扬西门子300PLC的硬连接控制。
矿槽除尘远程I/O站，主要控制矿槽除尘风机、仓壁振动器及刮板机等除尘系统设备。
2 控制系统的硬件配置
整个上料系统包括一套冗余PLC系统和三个远程I/O站。
冗余PLC包括CPU
冗余、电源冗余及网络冗余。
各机架之间采用Cnet冗余连接。
具体如下图1所示。
上位机完成对整个上料系统的顺序控制和画面监示及数据采集等。
自动控制系统下位机采用的是美国罗克韦尔公司生产的AB logix5000系列PLC ，监控软件采用的是美国罗克韦尔公司生产的AB Factory Talk View Stodio，上位机与PLC 之间通过光纤以太网进行通讯，实现上料过程的自动控制。
网络通讯方面，整个网络分控制级和监控管理级两级控制。
在监控级网络中采用100Mb光纤工业以太网（TCP/IP协议），传输速率为10/100M自适应。
监控管理级通过光纤及交换机将各PLC系统、控制站连接构成工业以太环网，通过配置交换机构成了快速生成树的环网方式，以便在光纤路由单点断路时能够及时的保证通讯的正常。
3 上料控制系统组成及功能实现
高炉上料自动控制系统主要包括槽下配料及炉顶上料两部分组成，高炉炉顶采用无料钟单罐式炉顶，分为受料斗、料罐、气密箱等组成部分。
装料流程：焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉顶，倒入受料斗中，受料斗最多可装4车料。
料罐放散完毕后打开上密阀和料斗翻板向料罐装料。
装料完成后料罐进行均压。
一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，首先打开下密阀并将料流调节阀打开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。
在布料期间，通过γ射线探测料流，该装置可发出料罐清空信号。
一旦料罐清空，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。
布料流程：一批料中，允许焦矿设定两个不同的料线位置。
当探尺达到规定的料线位置后，自动提升到位，发出布料信号，下密封阀打开，布料溜槽进行启动。
β角旋转到设定速度并且到达布料位置，开启料流调节阀，按照批重及规定的布料程序，调节料流调节阀开度和溜槽倾角，使每圈料流均匀、重量相等和首尾相接的向炉喉任意布料。
为了减少料头料尾不均匀现象，每批料布完后，布料角度自动步进60度。
3.1 炉顶控制范围及内容
1）炉顶上至料罐下至探尺各设备的顺序控制。
2）无料钟单罐式炉顶的装料及均压、放散控制。
3）料流调节阀开度（γ角）、布料溜槽倾动角（α角）、布料溜槽旋转角（β角）的控制。
3.1.1 炉顶装料控制
上次布料结束且下密阀关到位后，程序发出申请装料信号，料车开始装料，
受料斗满且料罐空，放散阀打开，在放散过程中，一旦打开放散阀并料罐内压力等于大气压力，则认为放散OK。
放散OK后开上密阀，上密阀开到位后开翻板，料车开始下料。
延时一定时间后翻板关闭，关放散阀，关上密阀，炉料装入料罐中后开均压阀开始均压。
这时受料罐发允许料车上行信号。
炉顶系统画面如图2所示。
3.1.2 炉顶布料控制
料罐满且上密关到位后，程序发出申请布料信号，此时探尺探测到设定料线后提探尺至零位。
均压好后关均压阀。
探尺提到零位后开始转动α、β。
布料溜槽倾动的正常工作角度范围是13-55度。
当溜槽倾角小于12度或大于55度时，溜槽停止移动和转动并发出报警，只有在报警清除后才可以继续移动。
溜槽的旋转由变频器驱动的交流电机驱动。
正常情况下溜槽不停的旋转，如果溜槽的倾角位置达到了上限或下限，或者探尺在炉内时溜槽倾角大于45度，溜槽要立即停止旋转并报警。
溜槽分正传和反转，每隔一段时间会改变旋转方向，这样可以确保溜槽磨损平衡。
PLC根据炉顶料单和槽下传送来的布料料单给出料流调节阀γ的设定开度，控制料流调节阀打开到设定开度开始布料，当接受到料罐清空信号，料流调节阀首先完全打开才能关闭。
清空信号由射线检测和PLC的定时器共同完成，如果在料流阀打开后规定的时间后发出清空信号，则认为料罐已经清空，如果在规定的时间之前发出清空信号则认为是料罐堵塞，PLC将发出报警信号，该信号一直保持，只有料流阀完全打开并且确保料罐完全排空后才能解除。
料流阀关闭后关下密阀，降下探尺检测料面，布料结束。
布料器系统画面如图3所示。
3.2 上位机功能实现
上位机监控软件采用的是罗克韦尔公司生产的AB FactoryTalk View Stodio 监控软件。
我们根据高炉上料及配料设备的实际情况绘制了准确美观的工艺换面以及各个设备的操作面板，使操作人员能够方便的监视和控制整个上料及配料的工艺过程。
共包括高炉上料总貌画面、炉顶系统画面、配料周期画面、大闸门系统画面、皮带系统画面、周期指挥画面、主卷扬运行画面、报警画面以及各工艺参数的历史趋势画面等，极大程度的满足了工艺人员对整个工艺过程的监控需求。
各种重要设备和参数也做了详细的声光报警，能够及时的提醒操作人员在重要环节中做出快速判断。
系统总貌画面如下图4所示。
4 结束语
包钢万腾钢铁1#高炉上料自动控制系统实现自动配料及上料的全过程。
其主要工艺过程的控制稳定安全，技术先进，节能降耗显著，操作人员操作方便快捷。
该系统自动化程度高，有利于减少设备的故障率，减轻工人的劳动强度。
【参考文献】
[1]柴国安.包钢四高炉工艺与装备[Z].包钢印刷厂，1996.
[2]李云涛.高炉炉顶装料系统的控制与研究[D].东北大学，2008.。
