1引言
450m3高爐工程主要包括高爐本體、3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、8箱體干法除塵三部分。利用系數(shù)3.0，年產(chǎn)生鐵48萬噸。從綜合性價比方面考慮，自控系統(tǒng)選用了施耐德公司的quantum plc。
2 工藝控制系統(tǒng)分析
2.1高爐本體
煉鐵是在高爐內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)過程。燒結(jié)礦、雜礦、焦炭從爐頂裝入爐內(nèi)，從鼓風(fēng)機(jī)來的冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐后，形成熱風(fēng)從高爐風(fēng)口鼓入，隨著焦炭燃燒，產(chǎn)生熱煤氣流由下而上運動，互相接觸，進(jìn)行熱交換，逐步還原，最后到爐子下部，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。主要控制內(nèi)容有：
（1）爐頂壓力自動調(diào)節(jié)：保持高爐爐頂壓力的穩(wěn)定是高爐生產(chǎn)操作的一項首要工作。穩(wěn)定爐頂壓力能起到穩(wěn)定煤氣流，促進(jìn)高爐順行的作用。因此，在操作中要及時調(diào)整頂壓調(diào)節(jié)閥閥位，使其能將頂壓調(diào)穩(wěn)，避免頂壓上下尖峰波動，從而避免爐況波動。450m3高爐的爐頂壓力一般穩(wěn)定在90±5kpa。
（2）混風(fēng)溫度自動調(diào)節(jié)：通過自動調(diào)節(jié)混風(fēng)閥開度將適當(dāng)配比的冷風(fēng)摻入熱風(fēng)管道中，控制送往高爐熱風(fēng)圍管的熱風(fēng)溫度在1200±20℃內(nèi)。28個風(fēng)口將熱風(fēng)送入高爐內(nèi)。
2.2熱風(fēng)爐
熱風(fēng)爐是燃燒蓄熱的熱交換裝置，分內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式3種。熱風(fēng)爐的燃燒室內(nèi)燃燒一定配比的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣，高溫氣體通過格子磚并使之蓄熱，當(dāng)拱頂溫度達(dá)到工藝要求后，熱風(fēng)爐就轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)，此時冷風(fēng)經(jīng)格子磚加熱后通過熱風(fēng)圍管送入高爐。一般情況下3座熱風(fēng)爐交替進(jìn)行燃燒和送風(fēng)作業(yè)。當(dāng)一座熱風(fēng)爐送風(fēng)一段時間，輸出的熱風(fēng)不能滿足所需溫度時就需換爐而轉(zhuǎn)為燃燒狀態(tài)，另一座燃燒好的熱風(fēng)爐開始送風(fēng)。因此每座熱風(fēng)爐在運轉(zhuǎn)過程中都有3種狀態(tài)：燃燒期、送風(fēng)期和休止期。主要控制內(nèi)容有：
（1）廢氣溫度與煤氣支管流量的串級控制：廢氣溫度與煤氣支管流量組成串級調(diào)節(jié)回路，廢氣溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為煤氣支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。
（2）煤氣支管流量與冷風(fēng)支管流量的比值控制：煤氣支管流量與助燃風(fēng)支管流量組成配比調(diào)節(jié)回路，以煤氣支管流量作為比值器的輸入，比值器的輸出作為助燃風(fēng)支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。
（3）熱風(fēng)爐換爐自動控制：熱風(fēng)爐有三種工作狀態(tài)：燃燒、送風(fēng)和休止，三種狀態(tài)按生產(chǎn)要求可相互切換。與燃燒相關(guān)的切斷閥門有：煤氣閥、助燃空氣閥、燃燒閥、均壓閥、廢氣閥和煙道閥，與送風(fēng)相關(guān)的切斷閥門有：冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥。熱風(fēng)爐換爐自動控制中各閥要按規(guī)定順序動作，并有聯(lián)鎖。特別要注意的是各燃燒閥未全部關(guān)閉時，不能開啟與送風(fēng)有關(guān)的各閥；各送風(fēng)閥未全部關(guān)閉時，不能開啟與燃燒有關(guān)的各閥。這是熱風(fēng)爐安全運行最基本的條件。
2.3干法除塵
脈沖反吹控制系統(tǒng)共有8個布袋除塵箱，每個箱體10個24vdc脈沖閥，脈沖閥的操作有兩種方式，程序上均可設(shè)定（定壓差操作：脈沖閥按荒、凈煤氣總管差壓值（2.5～4kpa）啟動，稱為定壓差操作；定時操作：按時間操作，定時操作時間可調(diào)，從連續(xù)反吹到數(shù)小時反吹）。全部操作由plc自動控制完成，每個箱體依次進(jìn)行，在自動運轉(zhuǎn)中，除人工選擇的箱體外，其他箱體依次完成自動反吹-過濾操作。主要控制內(nèi)容有：
（1）定差壓氮氣反吹控制
（2）定時間氮氣反吹控制
2.4高爐上料
本高爐采用大小料鐘爐頂模式，主要設(shè)備有均壓閥、放散閥、料流調(diào)節(jié)閥、柱塞閥、a角、b角等。可采用單環(huán)、多環(huán)、定點、扇布等多種布料方式，且各種方式可交替采用，操作人員按照設(shè)定的布料周期表作業(yè)。料面采用探尺控制，分為點動檢測和連續(xù)檢測方式。探尺的下降和提升由變頻電機(jī)控制。當(dāng)檢測到料線低于某一設(shè)定值時，自動提升探尺，爐頂裝料設(shè)備動作，向爐內(nèi)裝料，同時槽下和上料開始動作。料灌均壓放散后，接收下一批爐料。槽下系統(tǒng)包括燒結(jié)礦、焦炭、雜礦料倉，主要設(shè)備有給料器、振動篩、排出閥門、轉(zhuǎn)換溜槽、膠帶運輸機(jī)等。按照裝料制度各設(shè)備連鎖動作，將原料送往爐頂。主要控制內(nèi)容有：
（1）高爐裝料程序控制
（2）原料控制
（3）原料的稱量補償
（4）爐頂布料程序控制和爐頂順序控制
（5）料線檢測和探尺控制
（6）爐頂均排壓控制
2.5 對plc的功能要求
系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場要求；軟件功能豐富，靈活方便，減少技術(shù)人員的二次開發(fā)；系統(tǒng)實時性和響應(yīng)速度滿足生產(chǎn)要求，通訊速率可達(dá)100mb/s；對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)有保證；具有完善的在線自診斷功能；系統(tǒng)可維護(hù)性強，可操作性強，處理故障簡便快捷；具有很好的開放性和擴(kuò)展性，有安全保護(hù)措施。
3 工藝控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 硬件組成（表1）
3.2 軟件組成
windows2000 professional+sp4、concept v2.5、ifix3.5中文版。
3.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1）
4 問題解決案例
4.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視
與其它生產(chǎn)商的plc設(shè)備相比，quantum plc的系統(tǒng)診斷功能十分有用，可以方便用戶遠(yuǎn)程對系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行監(jiān)視。在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，打開ie瀏覽器，在地址欄輸入plc的ip地址，可以查看plc的硬件信息。采用iec編程，通過riostat，diostat，plcstat等功能塊分別將相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)字導(dǎo)入對應(yīng)4x寄存器，根據(jù)4x寄存器相應(yīng)位狀態(tài)即可判斷系統(tǒng)健康狀況。
4.2 plc之間通訊
quantum以太網(wǎng)模板140noe77100通過以下三種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換：
（1）通訊功能塊：mstr，cread-reg，cwrite-reg指令。
（2）globaldata.（3）、i/o scanner。
本工程采用了（3）i/o scanner的通訊方式，在三套plc之間互傳數(shù)據(jù)。高爐儀控與高爐上料之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：角、角、角、布料圈數(shù)、左右探尺、左右均壓閥開關(guān)極限、左右放散閥開關(guān)極限、上下密封閥開關(guān)極限、布料流槽極限、爐頂壓力、透氣性指數(shù)等。高爐儀控與熱風(fēng)爐之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：冷風(fēng)壓力、熱風(fēng)壓力、冷風(fēng)溫度、冷風(fēng)流量、助燃風(fēng)壓力、助燃風(fēng)流量、冷卻水壓力、冷卻水溫度、拱頂溫度、廢氣溫度等（圖2）。圖2中，192.168.0.13是高爐上料plc的cpu的ip地址，192.168.0.11是熱風(fēng)爐干法除塵plc的cpu的ip地址，192.168.0.12是高爐儀控plc的cpu的ip地址。
4.3 流量處理
在concept中，對流量的處理非常方便，高度集成化的功能塊大大簡化了用戶的編程。如mflow功能塊用來進(jìn)行流量處理，totalizer用來對流量進(jìn)行累積計算。在mflow功能塊中，可以使能溫度、壓力的補償，使能開方功能，設(shè)置流量系數(shù)等；在totalizer功能塊中，可以切除小信號、設(shè)置累積值的閥值、溢出復(fù)位、設(shè)置跟蹤等。
4.4 pid功能實現(xiàn)
在concept中，有關(guān)pid調(diào)節(jié)的功能塊有pi、pi_b、pi1、pid、pid_p、pid1、pidff、pidp1、pip、ppi等近十種，豐富多樣靈活的功能支持各種復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。本工程中，爐頂壓力調(diào)節(jié)、混風(fēng)溫度調(diào)節(jié)、煤氣支管流量調(diào)節(jié)、助燃空氣流量調(diào)節(jié)等采用了pidff功能塊。pidff功能塊可以完成正反作用切換，p、i、d的使能與參數(shù)設(shè)置，手自動切換，輸出嵌位與偏置、死區(qū)設(shè)置、響應(yīng)速率、狀態(tài)信息檢測等功能（圖3）。
4.5關(guān)于溫度異常顯示問題
在工程建設(shè)初期，由于正值嚴(yán)冬季節(jié)，室內(nèi)溫度在零度以下，調(diào)試中出現(xiàn)了140ari03010模塊接入點溫度異常現(xiàn)實問題。原因在于當(dāng)溫度低于零度時，對應(yīng)的3x寄存器將數(shù)據(jù)的最高位置為1，其它位不變，而不是以對應(yīng)正數(shù)的補碼形式表示，因此無論以什么數(shù)據(jù)類型顯示3x寄存器均會出現(xiàn)負(fù)數(shù)顯示異常的問題。解決辦法是判斷3x寄存器的最高位是否為1，若為1則將3x寄存器減去32767即可。也可通過i_phys功能模塊轉(zhuǎn)換后再顯示。
4.6方便的變量編輯功能
在本工程中，三套plc各類變量合計約1萬點。通過功能強大的excel將變量表編輯后導(dǎo)入到concept中，可以節(jié)省大量時間，重要的是可以實現(xiàn)多人作業(yè)。具體方法如下：“concept”-“file”-“expo-rt”-“variables：text delimited”；選中user defined“；”并輸入導(dǎo)出文件名，如gaolu.txt；打開“excel”-“file”-“打開”-選擇類型為“文本文件”，并選擇gaolu.txt；在隨后的界面中分別選中“分隔符號”和“分號”，然后在excel電子表格中輸入concept變量，保存為gaolu.txt文件；執(zhí)行“concept”-“file”-“import”-將gaolu.txt導(dǎo)入。
4.7 concept與ifix的通訊
ifix工控組態(tài)軟件是由美國intell-ution公司開發(fā)的基于windows95&-nt的大型應(yīng)用軟件，它集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供一個友好的用戶界面，使用戶在不需要編寫代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。ifix軟件通過i/o驅(qū)動器軟件接口同plc進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。intellution提供多種i/o驅(qū)動器，支持通用和特殊的i/o設(shè)備。本工程中，concept與ifix的通訊采用了mbe驅(qū)動方式：通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡連接modicon以太網(wǎng)通訊模塊。在ifix的i/o驅(qū)動中，需要定義與之通訊的plc的ip地址，讀寫的0x，1x，3x，4x區(qū)段。在ifix數(shù)據(jù)庫中，定義每一個tag的取值地址，如熱風(fēng)溫度te2003a的地址是d2:300001。高爐生產(chǎn)監(jiān)控畫面如圖4所示。
5 結(jié)束語
（1）quantum plc帶來的經(jīng)濟(jì)效益：穩(wěn)定可靠的自控系統(tǒng)為高爐多出鐵、出好鐵提供了良好的保障，據(jù)此測算年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益＝450m3（高爐容積）x3.0（利用系數(shù)）x300（年正常生產(chǎn)天數(shù)）x100（元/噸鐵）x10%（自動化plc所占比例）=405（萬元）。
（2）quantum plc模板的帶電插拔功能為快速地在線處理故障帶來了極大方便，它縮短了故障處理時間，減少了對煉鐵生產(chǎn)的影響。
（3）plc的熱備功能可以保證一套plc停機(jī)時另一套無擾動瞬間切換，提高整體系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，而且使用方便，無需編程。
（4）開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為接入erp系統(tǒng)的過程管理層提供了便利條件。
（5）quantum plc優(yōu)異的性能、方便的模板接線、功能豐富的指示燈、在線故障診斷功能等特性明顯地減少了自控人員的維護(hù)工作量，深受技術(shù)人員的好評。