高爐上料自動控制系統

辛瑞峰 江 杰

（內蒙古科技大學，內蒙古 包頭014010）

0 概述

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。高爐上料自動控制系統采用PLC完成所有的順序控制過程、數據采集、自動調節、事故處理及報警等工作。計算機負責監控和人機對話，PLC和計算機通過光纖進行通訊，進行動態數據交換，實現點對點通訊，控制與監控分開，可靠性高。

1 上料系統的控制方案

萬騰鋼鐵1#高爐上料控制系統分為槽下配料和小車上料及爐頂布料三部分構成，采用的是卷揚小車自動上料，爐頂是單罐式無料鐘爐頂，槽下礦槽為單列左右對稱布置，高爐料車卷揚采用的是兩套變頻傳動，互為備用。溜槽布料傾角和節流調節采用比例閥控制，爐頂探測料面采用2根變頻調速垂直探尺。爐頂其它設備采用的是液壓傳動。溜槽、料溜調節閥的位置檢測裝置采用的是三個增量型編碼器。在上料過程中，爐料先投進受料斗里，隨后放入料罐中，在這個過程中，由于高爐不能和大氣相通，通過控制爐頂放散閥、均壓閥、上密閥、料斗翻板、下密閥、料流閥的順序開關來實現高爐的正常下料，通過控制α、β、γ來實現高爐布料。

根據高爐上料系統的工藝要求，綜合考慮控制的可靠性及實用性，其設計方案如下。

高爐上料自動控制系統由一套冗余PLC及三個遠程I/O站組成。CPU機頭及高爐爐頂I/O位于高爐主控樓PLC室，CPU、電源模塊及通訊模塊采用冗余方式。爐頂遠程I/O主要控制爐頂設備及布料器、探尺等爐頂設備。槽下設備遠程I/O站位于礦槽主控樓，主要控制槽下配料設備以及槽下液壓站設備。卷揚遠程I/O站位于卷揚液壓站，主要控制爐頂液壓站及與卷揚西門子300PLC的硬連接控制。礦槽除塵遠程I/O站，主要控制礦槽除塵風機、倉壁振動器及刮板機等除塵系統設備。

2 控制系統的硬件配置

圖1 上料控制系統結構組態示意圖

整個上料系統包括一套冗余PLC系統和三個遠程I/O站。冗余PLC包括CPU冗余、電源冗余及網絡冗余。各機架之間采用Cnet冗余連接。具體如下圖1所示。

上位機完成對整個上料系統的順序控制和畫面監示及數據采集等。自動控制系統下位機采用的是美國羅克韋爾公司生產的AB logix5000系列PLC,監控軟件采用的是美國羅克韋爾公司生產的AB Factory Talk View Stodio，上位機與PLC之間通過光纖以太網進行通訊，實現上料過程的自動控制。

網絡通訊方面，整個網絡分控制級和監控管理級兩級控制。在監控級網絡中采用100Mb光纖工業以太網（TCP/IP協議），傳輸速率為10/100M自適應。監控管理級通過光纖及交換機將各PLC系統、控制站連接構成工業以太環網，通過配置交換機構成了快速生成樹的環網方式，以便在光纖路由單點斷路時能夠及時的保證通訊的正常。

3 上料控制系統組成及功能實現

高爐上料自動控制系統主要包括槽下配料及爐頂上料兩部分組成，高爐爐頂采用無料鐘單罐式爐頂，分為受料斗、料罐、氣密箱等組成部分。裝料流程：焦炭、燒結礦等各種入爐原料由料車運到爐頂，倒入受料斗中，受料斗最多可裝4車料。料罐放散完畢后打開上密閥和料斗翻板向料罐裝料。裝料完成后料罐進行均壓。一旦高爐準備接受下一批爐料就進行布料，首先打開下密閥并將料流調節閥打開至設定開度，料罐中的爐料通過料流調節閥流到旋轉的布料溜槽上。在布料期間，通過γ射線探測料流，該裝置可發出料罐清空信號。一旦料罐清空，關閉料流調節閥和下密封閥，打開放散閥進行放散，準備下一次裝料。

布料流程：一批料中，允許焦礦設定兩個不同的料線位置。當探尺達到規定的料線位置后，自動提升到位，發出布料信號，下密封閥打開，布料溜槽進行啟動。β角旋轉到設定速度并且到達布料位置，開啟料流調節閥，按照批重及規定的布料程序，調節料流調節閥開度和溜槽傾角，使每圈料流均勻、重量相等和首尾相接的向爐喉任意布料。為了減少料頭料尾不均勻現象，每批料布完后，布料角度自動步進60度。

3.1 爐頂控制范圍及內容

1）爐頂上至料罐下至探尺各設備的順序控制。

2）無料鐘單罐式爐頂的裝料及均壓、放散控制。

3）料流調節閥開度（γ角）、布料溜槽傾動角（α角）、布料溜槽旋轉角（β角）的控制。

3.1.1 爐頂裝料控制

上次布料結束且下密閥關到位后，程序發出申請裝料信號，料車開始裝料，受料斗滿且料罐空，放散閥打開，在放散過程中，一旦打開放散閥并料罐內壓力等于大氣壓力，則認為放散OK。放散OK后開上密閥，上密閥開到位后開翻板，料車開始下料。延時一定時間后翻板關閉，關放散閥，關上密閥，爐料裝入料罐中后開均壓閥開始均壓。這時受料罐發允許料車上行信號。 爐頂系統畫面如圖2所示。

3.1.2 爐頂布料控制

圖2 爐頂系統操作畫面

圖3 布料器系統畫面

料罐滿且上密關到位后，程序發出申請布料信號，此時探尺探測到設定料線后提探尺至零位。均壓好后關均壓閥。探尺提到零位后開始轉動α、β。布料溜槽傾動的正常工作角度范圍是13-55度。當溜槽傾角小于12度或大于55度時,溜槽停止移動和轉動并發出報警,只有在報警清除后才可以繼續移動。溜槽的旋轉由變頻器驅動的交流電機驅動。正常情況下溜槽不停的旋轉，如果溜槽的傾角位置達到了上限或下限，或者探尺在爐內時溜槽傾角大于45度，溜槽要立即停止旋轉并報警。溜槽分正傳和反轉，每隔一段時間會改變旋轉方向，這樣可以確保溜槽磨損平衡。PLC根據爐頂料單和槽下傳送來的布料料單給出料流調節閥γ的設定開度，控制料流調節閥打開到設定開度開始布料，當接受到料罐清空信號，料流調節閥首先完全打開才能關閉。清空信號由射線檢測和PLC的定時器共同完成，如果在料流閥打開后規定的時間后發出清空信號，則認為料罐已經清空，如果在規定的時間之前發出清空信號則認為是料罐堵塞，PLC將發出報警信號，該信號一直保持，只有料流閥完全打開并且確保料罐完全排空后才能解除。料流閥關閉后關下密閥，降下探尺檢測料面，布料結束。布料器系統畫面如圖3所示。

3.2 上位機功能實現

上位機監控軟件采用的是羅克韋爾公司生產的 AB FactoryTalk View Stodio監控軟件。

我們根據高爐上料及配料設備的實際情況繪制了準確美觀的工藝換面以及各個設備的操作面板，使操作人員能夠方便的監視和控制整個上料及配料的工藝過程。共包括高爐上料總貌畫面、爐頂系統畫面、配料周期畫面、大閘門系統畫面、皮帶系統畫面、周期指揮畫面、主卷揚運行畫面、報警畫面以及各工藝參數的歷史趨勢畫面等，極大程度的滿足了工藝人員對整個工藝過程的監控需求。各種重要設備和參數也做了詳細的聲光報警，能夠及時的提醒操作人員在重要環節中做出快速判斷。系統總貌畫面如下圖4所示。

4 結束語

包鋼萬騰鋼鐵1#高爐上料自動控制系統實現自動配料及上料的全過程。其主要工藝過程的控制穩定安全，技術先進，節能降耗顯著，操作人員操作方便快捷。該系統自動化程度高，有利于減少設備的故障率，減輕工人的勞動強度。

圖4 上料系統總貌畫面

［1］柴國安.包鋼四高爐工藝與裝備[Z].包鋼印刷廠，1996.

［2］李云濤.高爐爐頂裝料系統的控制與研究[D].東北大學，2008.