摘要：目前很多鋼鐵廠供料系統(tǒng)控制供料系統(tǒng)存在操作員工作環(huán)境差，上料聯(lián)系信號不準(zhǔn)確和供料生產(chǎn)不安全等問題。針對這些問題，現(xiàn)以某典型的鋼鐵廠高爐供料系統(tǒng)為例，給出了改造設(shè)計(jì)思路、控制模式設(shè)計(jì)及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，降低了操作人員工作量，改善了工人的工作環(huán)境，使高爐運(yùn)行順暢，保證了生產(chǎn)安全。這一設(shè)計(jì)方案在鋼鐵廠高爐供料控制系統(tǒng)中具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：高爐； 供料系統(tǒng)； 控制系統(tǒng)； 改造設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN91134； TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2012)04012804

Design of feeding automatic control system for blast furnace in steel and iron plants

FENG Meiying

(Liuzhou Vocational ＆ Technical College， Liuzhou 545006， China)

Abstract： The feeding control systems of blast furnaces in many steel plants have the following questions: poor working environment， inaccurate feeding signal and unsafety feeding system. To solve these problems， the feeding system of a typical blast furnace is taken as an example to offer the thought of system design for automatic control， design of control mode and design scheme of PLC control system. Since the system is put into production， it has reduced operating personnel workload， improved the working environment， made blast furnace worked smoothly and ensured production safety. This design plays a good role in promoting the automatic control system to blast furnace of steel plants.

Keywords： blast furnace; feeding system; control system; design modification

收稿日期：20110926

基金項(xiàng)目：廣西教育廳科研項(xiàng)目 (201010LX639，

201010LX648)階段成果0引言

目前很多鋼鐵廠供料系統(tǒng)控制基本上均存在以下問題：操作員工作環(huán)境差；上料聯(lián)系信號不準(zhǔn)確；供料生產(chǎn)不安全等問題。針對這些情況，筆者和某鋼鐵廠技術(shù)員一起對該企業(yè)的7座高爐供料系統(tǒng)進(jìn)行了自動控制設(shè)計(jì)。

1控制模式設(shè)計(jì)

為了改善操作員的工作環(huán)境，該系統(tǒng)針對操作員的控制模式如下所述。

1.1區(qū)域集中用手動控制

各集控箱上的“手動/自動控制開關(guān)”左置“手動”位，即可操作集控操作臺上的主令開關(guān)啟/停該區(qū)域內(nèi)的皮帶。

各集控箱上其他相關(guān)設(shè)備的操作只受該設(shè)備惟一的一個開關(guān)控制，故要求操作人員正確操作，維修人員維修相關(guān)設(shè)備時要注意斷氣及斷電，保證維修的安全。當(dāng)采用“區(qū)域集中用手動控制”模式時，其他模式被禁止。

1.2機(jī)旁手動控制

各集控箱（JZX）上的“手動/自動控制開關(guān)”右置“自動”位且機(jī)旁操作箱內(nèi)的“機(jī)旁手動/聯(lián)鎖自動控制開關(guān)”左置“機(jī)旁手動”位，即可操作機(jī)旁操作箱內(nèi)的按鈕開關(guān)啟/停單條皮帶及其它相關(guān)單個設(shè)備。

該控制方式是為試機(jī)而設(shè)，故該控制方式開啟皮帶后，皮帶只運(yùn)行5 min，要再次開啟則要求再次操作1次按鈕開關(guān)。當(dāng)采用“機(jī)旁手動控制”模式時，該單條皮帶或單個設(shè)備不受“全自動模式”控制。

1.3全自動控制

當(dāng)區(qū)域集控操作臺上的“手動/自動控制開關(guān)”右置“自動”位且機(jī)旁操作箱內(nèi)的“機(jī)旁手動/聯(lián)鎖自動控制開關(guān)”右置“聯(lián)鎖自動控制”位，該單條皮帶或單個設(shè)備才受“全自動模式”控制?！叭詣幽Ｊ健敝福罕O(jiān)控畫面操作模式，在該模式下，供料系統(tǒng)所有的設(shè)備均受“WINCC操作畫面”控制?！癢INCC操作畫面”有以下主控按鈕：

(1) 系統(tǒng)狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“系統(tǒng)運(yùn)行” 狀態(tài)時，所有設(shè)備受啟用料倉料位自動控制，即實(shí)現(xiàn)全自動供料；當(dāng)處在“系統(tǒng)調(diào)試” 狀態(tài)時，所有設(shè)備只有通過鼠標(biāo)操作才可啟/停，該操作方法僅在系統(tǒng)調(diào)試時用\\[1\\]。

(2) WINCC操作狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“WINCC操作禁止”狀態(tài)時，在WINCC操作畫面上用鼠標(biāo)操作不了任何設(shè)備；當(dāng)處在“WINCC操作允許”狀態(tài)時，可“有聯(lián)鎖”或“無聯(lián)鎖”操作任何設(shè)備。

(3) 聯(lián)鎖狀態(tài)按鈕。當(dāng)處在“WINCC操作無聯(lián)鎖”狀態(tài)時，用鼠標(biāo)可無聯(lián)鎖操作某些設(shè)備；當(dāng)處在“WINCC操作有聯(lián)鎖”狀態(tài)時，用鼠標(biāo)可有聯(lián)鎖操作所有設(shè)備。操作機(jī)旁操作箱內(nèi)的按開關(guān)啟/停單條皮帶及其它相關(guān)單個設(shè)備。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高上料聯(lián)系信號準(zhǔn)確度以及供料生產(chǎn)的安全可靠性。在系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn):

2.1料倉控制

現(xiàn)場控制要求：槽上啟用料倉的料位自動向啟用料倉上料，停用料倉不上料。所以在設(shè)計(jì)時使槽上啟用料倉料位下降至下限時，自動判斷上料路徑，使相關(guān)所選皮帶同時啟動，縮短啟動時間，加快上料速度；上料料倉料位上至上限時，延時依次自動停皮帶。考慮到要縮短皮帶空轉(zhuǎn)時間，最低限度減少電能浪費(fèi)，所以料倉料位檢測采用德國進(jìn)口超聲波傳感器，測量范圍為0.6～6 m，輸出為4～20 mA，輸入電源為DC 24 V，重復(fù)精度為9 mm，防護(hù)等級為IP65(防塵防水濺)\\[2\\]。由于該超聲波料位傳感器輸出為模擬信號，故料倉料位上、下限的設(shè)定方便自如，用計(jì)算機(jī)鍵盤設(shè)定即可。為了方便更換時不用拆線，接線方式采為接插件。每個槽上料倉有一個超聲波料位傳感器，安裝在料倉中部，外加保護(hù)罩防止物料碰撞損壞。

2.2皮帶小跑車控制

為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動，槽上皮帶小跑車電機(jī)采用變頻器驅(qū)動，小跑車快接近目標(biāo)位置時減速逼近，到達(dá)目標(biāo)位置時零速度狀態(tài)下抱閘。這樣小跑車在料倉上的定位就很準(zhǔn)確，且不會出現(xiàn)高速度狀態(tài)下抱閘因慣性而出軌的嚴(yán)重設(shè)備故障\\[3\\]。

小跑車在料倉上的位置檢測采用了雙重檢測系統(tǒng)：多圈絕對值編碼器檢測與控制外加接近開關(guān)檢測修正。多圈絕對值編碼器負(fù)責(zé)檢測槽上皮帶小跑車的位移，精確控制小跑車在每個倉的若干個卸料點(diǎn)準(zhǔn)確卸料。接近開關(guān)負(fù)責(zé)修正絕對值編碼器的檢測，當(dāng)接近開關(guān)動作時，PLC將當(dāng)前位置的預(yù)置值與多圈絕對值編碼器檢測值作比較，當(dāng)差值小于下限時不修正，當(dāng)差值大于下限時執(zhí)行修正，當(dāng)差值大于上限時則報警，且不允許跑車卸料\\[4\\]。

多圈絕對值編碼器要求安裝與小跑車減速機(jī)低速軸或小跑車尾輪軸同軸，采用德國TURCK公司的9080系列帶PROFIBUSDP總線接口的多圈絕對值編碼器，分辨率可達(dá)8 192/轉(zhuǎn)，4 096轉(zhuǎn)，精度極高。接近開關(guān)采用外殼銅鍍鉻，防護(hù)等級為IP67，DC 24 V，PNP三線，工作距離15 mm，帶接插件式的，更換時不用拆線，而且四面都有有指示燈，任何方向都可看到\\[5\\]。為了節(jié)省電纜方面投資，接近開關(guān)的輸出直接接入現(xiàn)場防護(hù)等級為IP67的I/O模塊。

2.3皮帶測控保護(hù)系統(tǒng)控制

跑偏檢測一級跑偏常開接點(diǎn)接進(jìn)PLC的現(xiàn)場I/O模塊。一級跑偏動作時，僅中控室操作站的畫面上報警閃爍指示；二級跑偏常閉點(diǎn)串聯(lián)接入皮帶接觸器線圈控制回路；皮帶因二級跑偏而停機(jī)時，在中控室操作站的畫面上就能準(zhǔn)確知道是哪個跑偏動作，故障定位迅速準(zhǔn)確，現(xiàn)場處理人員置機(jī)旁操作箱的“機(jī)旁手動／聯(lián)鎖自動選擇開關(guān)”在左位時，二級跑偏常閉點(diǎn)被自動短接，這樣在機(jī)旁就能點(diǎn)動皮帶并調(diào)整皮帶至正常。長度小于等于20 m的皮帶設(shè)1對跑偏開關(guān)，并安裝于皮帶中部；長度大于20 m且小于等于50 m的皮帶設(shè)2對跑偏開關(guān)，并分別安裝于皮帶機(jī)頭和機(jī)尾；長度大于50 m且小于等于100 m的皮帶設(shè)3對跑偏開關(guān)，并分別安裝于皮帶機(jī)頭、中間、機(jī)尾；超過100 m的皮帶，每增加50 m加1對\\[6\\]。

拉線急停采用人工手動復(fù)位式雙向拉線開關(guān)，這能確保急停作用的可靠性。一對常閉點(diǎn)串聯(lián)接入皮帶接觸器線圈控制回路。一對常開接點(diǎn)接進(jìn)PLC的現(xiàn)場I/O模塊，當(dāng)皮帶因拉線開關(guān)動作而停機(jī)時，在中控室操作站的畫面上就能準(zhǔn)確知道是哪個拉線開關(guān)動作，故障定位迅速準(zhǔn)確，為現(xiàn)場處理人員提供準(zhǔn)確信息。

打滑檢測一個探頭安裝于皮帶機(jī)尾輪旁，使用具有模擬量0～20 mA輸出的轉(zhuǎn)速監(jiān)控器，實(shí)時檢測皮帶尾輪的轉(zhuǎn)速，當(dāng)皮帶打滑或橫向拉斷時轉(zhuǎn)速監(jiān)控器的輸出變小至小于預(yù)設(shè)置的報警值，則發(fā)出皮帶打滑聲光報警并立即自動停止后序皮帶及停止相關(guān)料頭下料口放料\\[7\\]。

反轉(zhuǎn)檢測兩個探頭安裝于皮帶機(jī)尾輪旁。方向識別器安裝在機(jī)旁箱內(nèi)，通過計(jì)算兩個探頭的輸入信號的前后順序以及及相互重疊部分的大小就可對轉(zhuǎn)向進(jìn)行識別。

堵料檢測兩個電容式接近開關(guān)安裝在三通、四通分料器上實(shí)現(xiàn)對堵料的檢測。當(dāng)任一電容式接近開關(guān)檢測信號超過2 s則發(fā)出堵料聲光報警并立即自動停止后序皮帶及停止相關(guān)料頭下料口放料。

3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對供料系統(tǒng)設(shè)備分布范圍廣的客觀實(shí)際，采用目前最快的ProfibusDP ［8］現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并采用主從方式進(jìn)行工作，主站采用德國西門子公司的中高性能的4162 CPU，它集成了一個MPI/DP通信接口，可用于連接5臺監(jiān)控操作站，還集成了一個PBDP通信接口，可用于連接從站。

另外，在主站上安裝了兩塊德國西門子公司的提供PBDP通信接口的CP，這樣整個PLC系統(tǒng)就由主站加三條PBDP鏈路構(gòu)成，每條PBDP鏈路的名稱及其掛接的從站見“PBDP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖”。

每條PBDP鏈路最多可串聯(lián)8個總線段，每兩個總線段必須由RS 485中繼器來連接\\[9\\]。每個總線段最多能掛接31個從站，用工業(yè)雙絞線最長距離為1 000 m。如果需要的電纜長度超1 000 m，則必須使用RS 485中繼器。

針對供料系統(tǒng)現(xiàn)場范圍廣、粉塵且易受大雨淋的客觀實(shí)際，掛接在各條PBDP鏈路上的現(xiàn)場分布式I/O模塊要求具有的防護(hù)等級為IP67，并且要求具有點(diǎn)診斷功能。經(jīng)過多方考查并綜合技術(shù)及投資的優(yōu)勢，決定現(xiàn)場分布式I/O模塊采用德國TURCK公司的防護(hù)等級為IP67且有點(diǎn)診斷功能的模塊。該模塊集成有PBDP通信功能，利用接插件直接掛上PBDP鏈路即可，而無需外加通信模塊，且模塊的每一點(diǎn)都具有診斷功能\\[10\\]。

3.1PLC輸入/輸出點(diǎn)的物理分布設(shè)計(jì)

3.1.1PLC輸入點(diǎn)的分布

69條皮帶、11臺槽上皮帶小車、除塵風(fēng)機(jī)的接觸器動作反饋接點(diǎn)的輸入在各電磁站的BL20分站上。其他各輸入點(diǎn)都在現(xiàn)場各機(jī)旁箱內(nèi)\\[11\\]。

3.1.2PLC輸出點(diǎn)的分布

69條皮帶、11臺槽上皮帶小車、除塵風(fēng)機(jī)及受自動控制的照明的輸出控制點(diǎn)均在各電磁站的BL20分站上。各三通、四通、斗門、給料機(jī)、除塵設(shè)備（的輸出控制點(diǎn)均在現(xiàn)場各機(jī)旁箱內(nèi)）。

3.2PLC控制系統(tǒng)硬件配置簡圖設(shè)計(jì)［12］

圖1為整個硬件配置設(shè)計(jì)框圖。其中監(jiān)控站1監(jiān)控新110 m2燒結(jié)倉；監(jiān)控站2監(jiān)控二燒新燒結(jié)礦倉；監(jiān)控站3監(jiān)控1#料臺；監(jiān)控站4監(jiān)控2#料臺；監(jiān)控站5監(jiān)控3#料臺；監(jiān)控站6監(jiān)控4#料臺。這些監(jiān)控站的PLC均采用采用西門子S7400機(jī)子。

3.3PLC控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

如圖2所示為整個供料自動控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖，圖中C代表皮帶接觸器。其中：新110 m2燒結(jié)倉共有6個，每個倉下有一臺振動給料機(jī)；二燒新燒結(jié)礦倉共有4個，每個倉下有一臺振動給料機(jī)；1#料臺共有倉2個，每個倉下有一個氣動斗門；2#料臺共有倉1個，倉下有一個電液推桿驅(qū)動的斗門；3#料臺共有倉2個，每個倉下有一個氣動閘門；4#料臺共有倉1個，倉下有一個電液推桿驅(qū)動的斗門。

圖1PLC硬件配置設(shè)計(jì)框圖4結(jié)語

該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行正常。并且達(dá)到了以下幾個目的：

(1) 每個操作人員身居環(huán)境幽雅的控制室內(nèi)，在供料過程監(jiān)控畫面的幫助下用鼠標(biāo)簡單地點(diǎn)擊就可實(shí)現(xiàn)自動向7座高爐槽上料倉供各種物料，這樣供料工段僅需投入幾十人就可保證完成全廠7座高爐的供料生產(chǎn)，且崗位工遠(yuǎn)離粉塵污染源而不受危害，每年可節(jié)省300萬元的工資費(fèi)用。

(2) 槽上皮帶小跑車在料倉上采用雙重定位系統(tǒng)，確保小跑車定位準(zhǔn)確，從根本上杜絕混料、上錯料故障的發(fā)生。

(3) 完善的皮帶測控保護(hù)系統(tǒng)保證供料的安全，將將各種常見的堵料、打滑、反轉(zhuǎn)等故障消滅在萌芽狀態(tài)。

(4) 啟用料倉的料位在線實(shí)時計(jì)算機(jī)監(jiān)控，確保高爐斷料現(xiàn)象盡可能少。

(5) 皮帶通廊照明系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)自動控制。由此可見，這一設(shè)計(jì)方案在鋼鐵廠高爐供料系統(tǒng)中具有較好的推廣作用。

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