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施耐德电气Quantum PLC在炼铁生产中的应用
1  引言

450m3高炉工程主要包括高炉本体、3座内燃式热风炉、8箱体干法除尘三部分。利用系数3.0，年产生铁48万吨。从综合性价比方面考虑，自控系统选用了施耐德公司的quantum plc。

 

2  工艺控制系统分析

2.1 高炉本体

炼铁是在高炉内进行还原反应过程。烧结矿、杂矿、焦炭从炉顶装入炉内，从鼓风机来的冷风经热风炉后，形成热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧，产生热煤气流由下而上运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，最后到炉子下部，还原成生铁，同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出。主要控制内容有：

（1）炉顶压力自动调节：保持高炉炉顶压力的稳定是高炉生产操作的一项首要工作。稳定炉顶压力能起到稳定煤气流，促进高炉顺行的作用。因此，在操作中要及时调整顶压调节阀阀位，使其能将顶压调稳，避免顶压上下尖峰波动，从而避免炉况波动。450m3高炉的炉顶压力一般稳定在90±5 kpa。

（2）混风温度自动调节：通过自动调节混风阀开度将适当配比的冷风掺入热风管道中，控制送往高炉热风围管的热风温度在1200±20℃内。28个风口将热风送入高炉内。

2.2 热风炉

热风炉是燃烧蓄热的热交换装置，分内燃式、外燃式和顶燃式3种。热风炉的燃烧室内燃烧一定配比的高炉煤气和焦炉煤气，高温气体通过格子砖并使之蓄热，当拱顶温度达到工艺要求后，热风炉就转为送风状态，此时冷风经格子砖加热后通过热风围管送入高炉。一般情况下3座热风炉交替进行燃烧和送风作业。当一座热风炉送风一段时间，输出的热风不能满足所需温度时就需换炉而转为燃烧状态，另一座燃烧好的热风炉开始送风。因此每座热风炉在运转过程中都有3种状态：燃烧期、送风期和休止期。主要控制内容有：

（1）废气温度与煤气支管流量的串级控制：废气温度与煤气支管流量组成串级调节回路，废气温度调节器的输出作为煤气支管流量调节器的外给定值。

（2）煤气支管流量与冷风支管流量的比值控制：煤气支管流量与助燃风支管流量组成配比调节回路，以煤气支管流量作为比值器的输入，比值器的输出作为助燃风支管流量调节器的外给定值。

（3）热风炉换炉自动控制：热风炉有三种工作状态：燃烧、送风和休止，三种状态按生产要求可相互切换。与燃烧相关的切断阀门有：煤气阀、助燃空气阀、燃烧阀、均压阀、废气阀和烟道阀，与送风相关的切断阀门有：冷风阀和热风阀。热风炉换炉自动控制中各阀要按规定顺序动作，并有联锁。特别要注意的是各燃烧阀未全部关闭时，不能开启与送风有关的各阀；各送风阀未全部关闭时，不能开启与燃烧有关的各阀。这是热风炉安全运行最基本的条件。

2.3 干法除尘

脉冲反吹控制系统共有8个布袋除尘箱，每个箱体10个24vdc脉冲阀，脉冲阀的操作有两种方式，程序上均可设定 (定压差操作：脉冲阀按荒、净煤气总管差压值（2.5～4kpa）启动，称为定压差操作；定时操作：按时间操作，定时操作时间可调，从连续反吹到数小时反吹) 。全部操作由plc自动控制完成，每个箱体依次进行，在自动运转中，除人工选择的箱体外，其他箱体依次完成自动反吹-过滤操作。主要控制内容有：

（1）定差压氮气反吹控制

（2）定时间氮气反吹控制

2.4 高炉上料

本高炉采用大小料钟炉顶模式，主要设备有均压阀、放散阀、料流调节阀、柱塞阀、a角、b角等。可采用单环、多环、定点、扇布等多种布料方式，且各种方式可交替采用，操作人员按照设定的布料周期表作业。料面采用探尺控制，分为点动检测和连续检测方式。探尺的下降和提升由变频电机控制。当检测到料线低于某一设定值时，自动提升探尺，炉顶装料设备动作，向炉内装料，同时槽下和上料开始动作。料灌均压放散后，接收下一批炉料。槽下系统包括烧结矿、焦炭、杂矿料仓，主要设备有给料器、振动筛、排出阀门、转换溜槽、胶带运输机等。按照装料制度各设备连锁动作，将原料送往炉顶。主要控制内容有：

（1）高炉装料程序控制

（2）原料控制

（3）原料的称量补偿

（4）炉顶布料程序控制和炉顶顺序控制

（5）料线检测和探尺控制

（6）炉顶均排压控制

2.5 对plc的功能要求

系统稳定可靠，抗干扰能力强，适应复杂的工业现场要求；软件功能丰富，灵活方便，减少技术人员的二次开发；系统实时性和响应速度满足生产要求，通讯速率可达100mb/s；对调节系统的品质有保证；具有完善的在线自诊断功能；系统可维护性强，可操作性强，处理故障简便快捷；具有很好的开放性和扩展性，有安全保护措施。

 

3  工艺控制系统设计

3.1 硬件组成（表1）

3.2 软件组成

WINOOWs2000 professional+sp4、concept v2.5、ifix3.5中文版。

3.3 网络结构（图1）

图1  网络结构

 

4  问题解决案例

4.1 系统状态监视

与其它生产商的plc设备相比，quantum plc的系统诊断功能十分有用，可以方便用户远程对系统健康状况进行监视。在联机状态下，打开ie浏览器，在地址栏输入plc的ip地址，可以查看plc的硬件信息。采用iec编程，通过riostat,diostat,plcstat等功能块分别将相应的系统状态字导入对应4x寄存器，根据4x寄存器相应位状态即可判断系统健康状况。

4.2 plc之间通讯

quantum以太网模板140noe

77100通过以下三种方式实现数据交换：（1）通讯功能块：mstr,cread-reg,cwrite-reg指令。（2）global data.(3)、i/o scanner。

本工程采用了（3）i/o scanner的通讯方式，在三套plc之间互传数据。

高炉仪控与高炉上料之间传输的数据有：角、角、角、布料圈数、左右探尺、左右均压阀开关极限、左右放散阀开关极限、上下密封阀开关极限、布料流槽极限、炉顶压力、透气性指数等。

高炉仪控与热风炉之间传输的数据有：冷风压力、热风压力、冷风温度、冷风流量、助燃风压力、助燃风流量、冷却水压力、冷却水温度、拱顶温度、废气温度等（图2）。

图2中，192.168.0.13是高炉上料plc的cpu的ip地址，192.168.0.11是热风炉干法除尘plc的cpu的ip地址，192.168.0.12是高炉仪控plc的cpu的ip地址。

图2  高炉仪控与热风炉之间传输数据

4.3 流量处理

在concept中，对流量的处理非常方便，高度集成化的功能块大大简化了用户的编程。如mflow功能块用来进行流量处理，totalizer用来对流量进行累积计算。在mflow功能块中，可以使能温度、压力的补偿，使能开方功能，设置流量系数等；在totalizer功能块中，可以切除小信号、设置累积值的阀值、溢出复位、设置跟踪等。

4.4 pid功能实现

在concept中，有关pid调节的功能块有pi、pi_b、pi1、pid、pid_p、pid1、pidff、pidp1、pip、ppi等近十种，丰富多样灵活的功能支持各种复杂的工业生产应用。本工程中，炉顶压力调节、混风温度调节、煤气支管流量调节、助燃空气流量调节等采用了pidff功能块。pidff功能块可以完成正反作用切换，p、i、d的使能与参数设置，手自动切换，输出嵌位与偏置、死区设置、响应速率、状态信息检测等功能（图3）。

图3  pid调节功能块

4.5 关于温度异常显示问题

在工程建设初期，由于正值严冬季节，室内温度在零度以下，调试中出现了140ari03010模块接入点温度异常现实问题。原因在于当温度低于零度时，对应的3x寄存器将数据的最高位置为1，其它位不变，而不是以对应正数的补码形式表示，因此无论以什么数据类型显示3x寄存器均会出现负数显示异常的问题。解决办法是判断3x寄存器的最高位是否为1，若为1则将3x寄存器减去32767即可。也可通过i_phys功能模块转换后再显示。

4.6 方便的变量编辑功能

在本工程中，三套plc各类变量合计约1万点。通过功能强大的excel将变量表编辑后导入到concept中，可以节省大量时间，重要的是可以实现多人作业。具体方法如下：

“concept”-“file”-“expo

-rt”-“variables：text delimited”；选中user defined“；”并输入导出文件名，如gaolu.txt；打开“excel”-“file”-“打开”-选择类型为“文本文件”，并选择gaolu.txt；在随后的界面中分别选中“分隔符号”和“分号”，然后在excel电子表格中输入concept变量，保存为gaolu.txt文件；执行“concept”-“file”-“import”-将gaolu.txt导入。

4.7 concept与ifix的通讯

ifix工控组态软件是由美国intell

-ution公司开发的基于WINOOWs95&

-nt的大型应用软件,它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身,包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件,提供一个友好的用户界面,使用户在不需要编写代码的情况下便可生成自己需要的应用软件。ifix软件通过i/o驱动器软件接口同plc进行数据交换。intellution提供多种i/o驱动器，支持通用和特殊的i/o设备。

本工程中，concept与ifix的通讯采用了mbe驱动方式：通过标准以太网卡连接 modicon 以太网通讯模块。在ifix的i/o驱动中，需要定义与之通讯的plc的ip地址，读写的0x,1x,3x,4x区段。在ifix数据库中，定义每一个tag的取值地址，如热风温度te2003a的地址是d2:300001。

高炉生产监控画面如图4所示。

图4  高炉生产监控画面

 

5  结束语

（1）quantum plc带来的经济效益：稳定可靠的自控系统为高炉多出铁、出好铁提供了良好的保障，据此测算年产生经济效益＝450m3(高炉容积)x3.0(利用系数)x300(年正常生产天数)x100(元/吨铁)x10%(自动化plc所占比例)=405(万元)。

（2）quantum plc模板的带电插拔功能为快速地在线处理故障带来了极大方便，它缩短了故障处理时间，减少了对炼铁生产的影响。

（3）plc的热备功能可以保证一套plc停机时另一套无扰动瞬间切换，提高整体系统的运行稳定性，而且使用方便，无需编程。

（4）开放的工业以太网协议为接入erp系统的过程管理层提供了便利条件。

（5）quantum plc优异的性能、方便的模板接线、功能丰富的指示灯、在线故障诊断功能等特性明显地减少了自控人员的维护工作量，深受技术人员的好评。

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