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UniMAT PLC在高炉电气自动化控制系统中的应用

    摘要:结合秦皇岛百工钢铁有限680M3高炉电气自动化仪表控制系统的现场实际情况,重点阐述了亿维UN200和UN300系列PLC扩展模块合理应用于上料系统、热风炉系统、布袋除尘系统、高炉上料配电系统、本体仪表检测系统、鼓风机房系统、水泵站系统及画面监视、软件功能等系统中成功案例。本文将主要介绍上料PLC主站、本体PLC主站、热风PLC主站、布袋PLC主站等四套PLC系统组成设计方案。


一、系统总体设计思想
  根据高炉工艺,采用合理的方式,以低成本高性能的总体思想进行设计。自动化系统采用三电一体化开放式结构,为今后系统的扩展创造条件,留有区域级计算机及全厂管理计算机的接口能力。
  根据高炉系统分散的特点,采用主从网络结构:分站通过网线再连接至主站系统,减少电缆用量、方便维护,使成本大大降低。如亿维的IM153-1就可作为单个从站,可在高炉设备就近配电室安装。布袋反吹采用矩阵的方式进行设计,结构简单,采用的模块点数成倍减少。
  系统采用亿维PLC作为基础控制站,完成对现场工艺设备的控制及监测;上位操作采用亿维工控机作为操作站,进行人机对话,对现场设备运行情况及各种仪表参数进行实时监视。系统在正常生产情况下以全自动为主,各上位机互为备用,在设计上充分考虑上位机自动、手动和机旁箱手动,以保证在各种情况下生产的正常运行。

  自动化装置的选用原则上采用目前检测水平的新技术、新设备,同时考虑控制系统的构成简单、实用、性能可靠,充分满足工艺要求。确保产品质量并保证系统整体满足工艺要求和性能的情况下减少投资。


二、系统配置
  本系统完全为高炉操作提供服务,使被控设备能在主控楼的计算机上方便的进行集中操作,并对这些设备的运行情况做如实的记录
  1、自动监控系统:
  1.1 采用的网络结构
  上位机采用工业以太网,充分满足上位机之间数据传输量大的要求;PLC与远程站之间采用PROFIBUS-DP现场总线,以满足现场数据传输的实时性和可靠性;网络框图如下图所示:

主要有六台工控机作为操作站,分别为热风、布袋、工长操炉、本体仪表、矿槽上料、炉顶设备组成,可互为备用。
  PLC有四套siemens 400系列主PLC系统组成,上料PLC主站、本体PLC主站、热风PLC主站、布袋PLC主站,下设各自的扩展模块完成系统的控制和数据采集。经PROFIBUS-DP网络与操作站之间完 成数据交换。
  1.2软硬件设备组成
☆ PLC选用亿维200+300组成的高性能低成本模块结构。
☆ 计算机操作台:不锈钢面操作台
☆ 编程软件选用STEP7 V5.4,组态软件选用我WINCC 6.0 SP3


  三、热风炉控制系统
  本高炉配有三座热风炉,主要负责燃烧、蓄热、给冷风加热,并将热风送进高炉。由于一座热风炉是间断的热交换,而高炉需要连续的热风,所以三座热风炉按周期性工作,包括燃烧、闷炉、送风三个过程。
  热风炉顺控系统设有以下几种操作方式:全自动、半自动方式、CRT手动方式、机旁箱操作
  热风炉工作状态介绍
  一个热风炉可在“送风”向“闷炉”至“燃烧”状态,也可从“燃烧”向“闷炉”至 “ 送风”转换。
  “送风”指的是热风炉被充压,且冷风阀和热风阀两者均被打开,所有其它的阀门均关闭(不包括混风切断阀和换热器各阀门)。
  “燃烧”指的是热风炉被减压,冷风阀、热风阀和冷风充风阀关闭,废气均压阀打开,助燃空气和煤气引入热风炉。
  “闷炉”指的是热风炉所有阀门均关闭,但压力控制仍在工作,预备着一个热风炉随时变为充压或均压状态。
  热风炉工作制度:
  正常情况下热风炉采用并联送风,或二烧一送工作制,非正常操作为一烧一送工作制。
  每座热风炉可以在“焖炉”、“送风”、“燃烧”三种状态之间自动转换,各阀开关受PLC程序控制,发出换炉指令后,热风炉设备按工艺要求顺序进行有关联锁动作。


四、高炉煤气干式净化控制系统
  高炉煤气除尘设施是高炉的配套设施,其目的是净化高炉煤气,提高煤气质量。高炉煤气经重力除尘器除尘后,进入布袋主箱体下部,煤气穿过布袋时其所携带的灰尘被布袋截留,进行过滤净化后的煤气经高压阀组输送给热风炉或煤气管网供用户使用。布袋除尘过滤后的尘灰由脉冲阀冲扫,落至储灰仓;打开卸灰阀,由刮板机输出,用斗提机送入高位灰仓。
  1、本套设施共设计了三种反吹方式,时间反吹(设定时间到)、压力反吹(压差高于设定值)、手动反吹。
  2、除尘系统包括反吹和卸灰两个控制流程,均能单独实现手动、半自动和自动三种控制方式:
反吹自动方式为:差压反吹、定时反吹。差压反吹即当箱体差压高于设定差压值(3KPA)时开始自动反吹;定时反吹即当计时时间达到设定的反吹时间后开始自动反吹。

2.1当荒净煤气总管压差达到6~8Kpa(可设定)进行反吹。同时有定时反吹选择,通过设定的同期来对布袋进行反吹。
2.2 箱体单体反吹时间为10-20秒(可调),反吹顺序为N1、N2、N3......N10,气包上的喷吹管同样为顺序动作n1、n2、n3.....n14待10个箱体全部反吹完毕,反吹过程结束。
2.3 箱体反吹采取离线反吹。当净荒煤气总压差达到设定值6Kpa时,首先关闭正在工作箱体的进、出口蝶阀,然后进行反吹。反吹后立即打开进出品蝶阀,再进行下一箱体的反吹,依次类推。
2.4 每个布袋每次反吹抖动次数为2次(可调)
2.5卸灰自动操作为:定时卸灰。对卸灰时间进行设定,到设定时间后自动启动卸灰斗提机、挂板机、按工艺要求依次打开被选择卸灰箱体上的设备(上卸灰阀、下卸灰阀、叶轮给料机、灰斗清堵装置脉冲阀),一般设定3次/24时,自动完成卸灰操作。
   中间仓下部设备动作顺序:
  当N1箱体上部卸灰作业完成后,开始中间仓卸灰作业:首先开启公共设备,即:斜管振动器→斗提机→刮板输送机。完成后开启:N1箱体电动给料机→N1箱体下部电动球阀→N1箱体中间仓的仓壁振动器。延时30秒后,关闭中间仓下部设备。
①顺序为:关中间仓的仓壁振动器→N1箱体下部电动球阀→电动给料机。
  完成N1箱体下部卸灰后,开始N2箱体下部卸灰,动作同N1箱体。之后依次为N3箱体、N4箱体、N5箱体……N8箱体。
  当N10箱体下部卸灰完成后,关闭公共设备,其顺序为:
  刮板输送机→斗提机→斜管振动器。
②高位灰仓下部设备动作顺序 此部分均为机旁操作,其它设备均为PLC控制。:
  开启:加湿卸灰机→电动球阀→仓壁振动器
  关闭:仓壁振动器→电动球阀→加湿卸灰机


    
五、高炉上料系统
    高炉上料部分有矿槽称量和炉顶两大部分,通过料车将两部分联系在一起,矿槽、料车和炉顶设备按照工艺设定协调动作,完成上料功能。

各种料质经振筛筛分后直接装入称量斗,然后有称量斗装入料车,筛下的粉矿经碎矿皮带运至粉仓,等待汽车外运。料车由主卷扬机牵引将矿石运送到炉顶装料设备,经过2级变速到达停车位。各个仓中的料质根据配方中的要求随时变化,自动完成称量到上料的操作。

1、设备组成

680 M3高炉设双排储槽,分别存放烧结矿、球团、焦炭、杂矿,其中4个焦炭槽,6个烧结槽,4个球团矿,4个杂矿,在槽下成对排列。炉顶有受料斗、挡料阀、上密封阀、下密封阀、料流阀、旋转机构、倾动机构、料罐、均压阀、均压放散和炉顶大放散等设备组成。

2、上料周期控制制度,最常用的为以下两种制度

   二车值:OC或CO

   四车值:OO CC 或CC OO

说明:O 代表烧结矿、球团矿、杂矿;C代表焦炭

几种不同的装料制度组合形成料批周期,连续循环上料,满足高炉的连续生产要求。

3、控制要求:根据工艺要求,对矿槽、上料及炉顶设备系统的有关工艺参数进行显示和控制,并对有关参数进行趋势记录。其中包括14台电子称的称量记录、料位测量及TRT与高炉和高炉与TRT的各种信号的控制与显示。

水冷系统的温度检测:当溜槽齿轮箱进、出口温差大于5℃时发出报警信号,提示有关人员检查水流量和高炉炉顶温度;当温差大于50℃时立即检查水冷系统。

料罐压力与大气压之差小于20KPa时,发出联锁信号,有电力专业打开上密阀;当料罐压力与炉顶压力之差小于20KPa时,发出联锁信号,打开下密封阀。

气密箱冷却有氮气流量调节阀控制开度,进行自动的PID调节。

 

、高炉本体仪控系统
  高炉自上而下由炉喉、炉身、炉腹、炉缸、炉基五大部分及相关的水系统组成。所有仪表点接入数据采集器,通过通讯传至上位机。
  高炉过程检测和控制的主要任务为:采集温度、压力、流量等各种数据,对减压阀组进行调节控制,能监视炉内反应,对炉体及设备进行保护。
  1.炉顶打水控制
  煤气上升管温度过高时报警,开炉顶打水阀:温度恢复正常时,关打水阀。
  2.炉顶煤气压力控制
  高炉炉顶煤气压力控制系统调节布袋除尘器后的减压阀组开度来维持炉顶煤气压力的稳定。
  3.风口检漏及排水温度的测量
  为保护炉体安全,风口破损检漏是极为重要的检测项目。测量风口冷却水进、出口流量差,测量风口排水温度,能检测风口是否完好。


、画面介绍

  画面系统是操作人员与控制系统的人机界面,操作人员通过画面对设备进行操作、监视设备的运行情况,及时做出相应调整,画面系统可以设定数据,改变运行方式,向操作人员显示设备的正常状态及报警信息等。
  CRT画面显示主要内容如下:
  (1)系统画面:热风、布袋、矿槽、炉顶、本体仪表、炉长操炉、炉顶仪表等
  (2)控制设定画面:配料、炉顶溜槽角度、料流开度参数设定
  (3)故障监视画面:实时显示故障信号提示操作人员进行相应措施
  (4)报警记录:记录各设备及仪表的故障报警
  (5)报表记录:对生产参数进行实时记录
  以下就主要画面进行介绍
  1、上料画面:
  包括整个卷杨及炉顶设备,其中主要有上料小车、左右探尺、柱塞阀、上密、下密、旋转布料装置、均压阀、放散阀等。生产中可实现手动、自动随时转换,各种运行、故障有不同的颜色来显示,特点1、小车拐点、卸料位等各减速点停车位可根据生产调节2、旋转布料角度及速度可通过画面直接设定,满足生产工艺中的各种布料方式3、在检修或新员工培训情况下还可以通过画面各种数据的设定来进行模拟生产。        

高炉炉顶仪表,对保证炉顶设备是否正常十分重要。

2、矿槽画面
  主要包括皮带、料斗、振筛运行、停止、故障指示及操作。可以在此画面提前设定各种料质重量,根据炉长下的各种料批要求通过调整周期表来完成自动上料。也可通过机旁转换开关使个别控制转到现场操作,画面中有手动(绿色)、自动(紫色)指示。另外还有周期表子画面。如下图:

矿槽周期画面,合理调节配方并自动生成配方。如下图:

生产报表记录画面,对生产成本实时掌握,如下图:


 3、热风炉画面
  此画面中可实现助燃风机、调压阀组、助燃调节阀、混风阀、冷风阀、热风阀、放散阀、冷风均压阀、煤气调节阀、空气调节阀、空气切断阀、煤气切断阀各种工艺阀门的操作并显示仪表参数。能自动完成热风炉的各阶段转换达到自动送风、焖炉 、烧炉。各种阀门在画面中可实现点动操作,调节阀各通过输入预定数值或点击滚动条自动调节。如图: 


4、布袋除尘画面
  包括脉冲阀、上下卸灰阀、放散阀、上炮、下炮、输灰机、斗提机、进出口蝶阀和进出口盲板阀,并显示设备运行状态、各仪表参数等。用鼠标点击各阀们可自动弹出控制菜单,脉冲阀为动态显示,可随时发现因频繁动作而损坏的电磁阀。脉冲时间及箱体选择可根据要求设定。
  在自动情况下自动完成吹扫,根据设定从1#开始依次至8号箱体。如果某个箱体出现问题会自动跳过该箱体向下执行。图示如下:



5、工长操炉画面,通过画面参数合理调节炉况是高炉顺产、高产的关键。


6、本体仪表画面,高炉仪表是监视高炉炉衬是否正常,主要包括水温和压力


、结束语
  高炉自动化控制系统的各个动作和状态都由PLC控制,不仅能满足各设备的集中控制方式、机旁控制方式 、两地并用控制方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求;而且还能根据不同的工艺要求,选用合理的配置方法:网络的主从结构、布袋反吹的矩阵结构等;更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网,实现网络通信与网络控制。使高炉电气自动化仪表控制系统能方便地嵌入到钢铁工业生产流水线中。


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