PLC控制的高炉自动加料控制系统有哪些参考?
一、系统设计的指导思想
炼铁生产过程是高炉内一系列复杂的还原反应。炉料(矿石、燃料和熔剂)从炉顶装入,鼓风机出来的冷空气被热风炉加热形成高温热风从高炉风口吹入,焦炭燃烧产生的热气流自下而上运动,而炉料自上而下运动相互接触进行热交换而逐渐减少,最后在炉下部还原成生铁和炉渣。积聚在炉膛中的铁水和炉渣分别从出铁口和出渣口排出。
高炉自动化过程主要包括高炉炉体控制、加料配料控制、热风炉控制和除尘系统控制。高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的四个主要问题:正确配料,按一定顺序及时装炉;控制负荷的均匀下降;调整炉料分布,使其与热气流保持良好接触;保持整个高炉处于合适的热状态。高炉自动化系统主要包括仪表检测与控制系统、电气控制系统和过程与管理计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。
高炉生产必须要求计算机控制系统保证生产过程的连续性和实时监控,要求数据量最大,所有设备自动化程度高。计算机系统要求数据采集周期短,刷新率快,特别是对于通信网络,数据传输速率、网络稳定性和正确性尤为重要。
对于测试仪表,即测试温度、压力、差压、流量、料位和重量,要求数据采集精度≤0.2%,采集速率≤ 0.8s..
高炉自动控制方案首先要着眼于系统的可靠性、实用性和先进性,在此基础上提高系统的性价比。
1.可靠性
高炉在钢铁厂的生产中处于非常重要的地位。它不仅要及时稳定地向炼钢过程提供合格的铁水,还要向轧钢加热炉提供煤气。高炉生产的短期中断会给整个生产过程带来不可估量的损失。
因此,在高炉控制系统的设计中,必须把系统的可靠性,即安全性放在首位。在设备控制方面,要满足炼铁设备和工艺的具体要求,完善必要的软硬件链,实现最可靠的启停顺序控制,以及应对突发事件的可靠应急处理方案,确保整个高炉生产系统的安全。
为了保证这些设备的安全可靠运行,除了系统硬件外,还必须在软件编程中加入各种保护功能,进一步提高系统的安全性和可靠性。
2.实际
为满足中型钢铁厂对生产管理逐步提高的要求,高炉生产过程控制有手动和自动两种操作状态,并可在两种操作状态之间实现无扰切换。
在线计算机应用系统由工业微机、PLC系统、计算机网络和控制软件组成。下位机通过各种检测仪表采集上料配料运行数据、炉温、风温、风压、除尘系统等工艺参数。
在人工操作模式下,上述工艺参数由上位机进行处理,使其成为清晰准确的“软件仪器”,充分利用过去人们来不及分析的各种无关信息,揭示其内在联系,从而在判断高炉生产过程和指导操作中发挥更多的作用。
在自动运行模式下,我们在常规PID调节的基础上增加了非线性变参数调节、自适应调节和智能控制。
通过计算机综合分析,建立数学模型,作为人工操作或自动调节的依据,充分利用计算机存储信息量大的优势,为高炉操作提供更加准确合理的控制策略。
3.先进性
采用智能控制技术改变控制策略,以适应对象的复杂性和不确定性。它具有更好的适应性、容错性、鲁棒性、自组织功能、自学习能力、更强的实时性和人机协作功能。不仅依靠简单的数学模型,还可以基于知识和经验的积累,进行在线推理,做出非线性、多因素的判断,从而优化出能够跟随实时变化的最佳控制策略。
通过对高炉历史生产数据的记录和分析,采用“优化图法”指导操作人员,使其确定的每一步更准确、更科学。在这种情况下,与传统的人工操作方式相比,高炉操作参数的分散程度将显著降低,向最优区间甚至最优点靠拢的趋势将非常明显。
系统进一步优化后,可以实现多种“趋势分析”,计算机可以进行趋势预测,及时为操作人员提供更多的手段,相当于实现了流程管理中“早调、勤调、少调”的要求。应用该系统后,高炉生产过程将更加稳定。
二、控制系统实施计划
1.系统硬件
本系统的PLC硬件全部采用施耐德公司的Modicon TSX Quantum 140系列产品。网络连接采用Modbus TCP/IP以太网,数据传输速率高达100MBPS。采用信息产业事实上的标准TCP/IP,应用层使用Modbus协议,所以几乎不会有数据传输冲突,交换式以太网技术的使用避免了冲突的可能。网络组态包括两部分:PLC和PC。
系统中各PLC系统通过插在主背板上的140NOE77100 TCP/IP以太网模块连接到100M快速以太网,位置集中的可以采用双绞线连接。上位机采用双绞线连接快速以太网。1块3C905C 100M以太网卡插在每个上位监视器上。
通过Quantum 140NOE77100模块,可以定义I/O数据表,通过Internet Explorer查看以太网状态信息和现场I/O数据,以及其他嵌入式功能,如基于Web的BOOTP服务器配置和SNMP协议支持,可以使网络建立、调试和管理变得简单。
3.组态软件
软件系统设计包括PLC组态和参数组态、系统监控程序设计、网络通信组态、操作员站和工程师站人机界面设计。
PLC组态和参数组态以及下位机监控系统的编程均在Concept XL V2.6环境下完成,使用方便,功能丰富,具有符合IEC1131-3标准的五种编程模式。尤其是软件模拟测试功能最受用户欢迎,大大缩短了在线调试时间。根据不同的控制过程,高炉和热风炉可以采用LD和FBD编程方法。程序功能包括系统初始化、参数范围转换、参数监测和异常处理、各种联锁和控制。
这个系统涉及到很多工艺参数,如压力、温度、压差、流量、质量、料位、阀位、液位等等。高炉炉体和热风炉控制技术复杂,设计并配备了必要的调节电路。灵活的概念编程软件为实现各种控制过程提供了丰富的功能,可以根据生产实际编写各种功能。
上位监控工作站由8台研华工业控制计算机组成,完成整个系统的过程数据采集、运行状态监控、系统设备控制、生产报表生成和打印、数据备份等工作。上位机监控软件人机界面设计采用GE Fanuc iFIX 4.0软件,可实现实时、历史趋势、数据报表、数据采集、报警记录、动态显示等丰富功能。工业现场实时数据采集好,可以完成监控画面设计、建立过程数据库、编写监控软件各种功能块等功能。它的重点是保证系统的可靠性,以及如何方便操作。
4.系统总图
高炉自动化控制系统的硬件和网络总平面布置见图1。
图中:整个PLC系统包括5个CPU主站、6个PLC I/O站和Profibus-DP现场总线。CRT1 ~ CRT 4为炉顶及绞车操作站、高炉炉体操作站、装料操作站、热风炉操作站,CRT5为工程师站,CRT6为布袋除尘操作站,CRT7为出钢场、原料场除尘系统操作站。
其中网络连接:24口以太网交换机设置在高炉主控室,2台8口以太网交换机分别设置在布袋除尘和矿槽控制室。高炉主控室连接布袋除尘,高炉主控室通过光纤连接矿槽控制室。使用带光缆接口的交换机,或者使用光电转换器连接以太网和光纤。
5.主要功能描述
该系统将是一个集顺序控制、过程控制、数据采集、工况监测和数据管理于一体的计算机控制管理系统。主要功能如下:
?电机、阀门和成套机电设备的通断控制,包括成组联锁启动、成组联锁停机、成组自动联锁控制、成组单步联锁控制和系统单步调试。
?过程控制数据(包括开关量和模拟量)的采集和处理。
?完善的报警功能。开关和模拟报警的显示、确认、记录和打印。可以自动记录报警开始时间、确认时间和恢复时间。
?动态显示工艺流程图画面,画面间自由切换。
?显示和打印历史图表、实时图表、电气仪表图表和条形图。
图1高炉自动化控制系统硬件及网络配置图
?定期或即时打印生产班次报告、生产日报表和生产月报。可以修改常规打印的时间间隔,即可以通过操作设置换班时间。
?面向目标的操作模式和友好的人机界面。对于某一设备的操作,只需将光标移动到对应目标(如电机、阀门)的图形位置即可完成操作。如果可以选择目标,则允许操作,否则操作无效。
?系统时间和模拟报警上下限的设定和修正。
?强大的系统自诊断功能,包括PLC模块错误显示,在线查看开关和模拟条件表。
?自动记录、显示和打印运行记录、开关报警清单和模拟报警清单。
为了加强系统的可靠性,对系统的一些重要操作设置了密码,防止无关人员随意进入操作。
6.PLC控制功能
(1)顶层系统
炉顶布料程序控制和炉顶设备顺序控制;
?物流控制阀的开度控制;
?斜槽倾斜和旋转控制;
?材料线测量和塞尺控制;
?炉顶压力均衡控制;
?炉顶温度监测和压力控制。
⑵槽下系统
?焦炭和矿石的备料系统;
?原材料的称重补偿和水分控制;
?高炉加料程序控制。
(3)高炉炉体
?检测炉体各点的温度、压力和流量;
?炉喉温度和气体成分的数据处理;
?热风温度调节;
?炉膛冷却水的压力和流量测量;
?风口平台蒸汽、压缩空气和氧气的流量和压力测量;
?炉膛参数的监控和报警;
?加热炉系统的数据处理。
(4)热风炉系统
热风炉燃烧调节阀的遥控操作:
煤气总管压力的自动调节;
热风炉拱顶温度记录;
?热风炉出口温度记录;
?热风炉燃烧室温度记录;
?热风炉废气温度记录;
?热风炉总管压力记录;
?冷风总管压力和流量记录;
?冷风总管温度指示;
?净气总管的温度和压力指示;
?净气体主流和温度的指示;
?助燃空气总管压力和温度指示;
?燃烧空气,主要流量记录;
?冷却水压力指示;
?冷却水流量指示和累积;
?冷空气压力均衡信号;
?废气压力信号;
?生产联系信号。
⑸布袋除尘系统
?原料气总管的温度指示、记录、报警和联锁;
?原料气总管的压力指示;
?原料气总管压差的指示、响应和联锁;
?净气体温度指示;
?净气体流量指示和累积;
?洁净气体中粉尘含量的检测和报警。
[6]其他系统
?除尘系统的气体温度和压力测量;
?冲渣水压力和流量的采集。
三。系统启动和运行
打开系统主电源后,先打开PLC系统和网络系统的电源,进入正常运行状态后再打开操作站的彩显和工控机的电源,系统开机后直接进入主菜单。主菜单有四个选项:
运行操作-进入系统概述,根据系统概述中的功能按钮进入相应的各种操作。
历史曲线-显示和打印记录在硬盘上的模拟数据。
报表打印-查看和打印生产班次报表、生产日报表和生产月报。
系统维护-输入与系统设置和维护相关的各种操作。
1.系统屏幕
为了使画面整洁美观,每个系统监控画面由一个系统主进程画面和若干个子画面组成,系统主进程上只显示重要的目标和数据。如果想了解更多细节,可以切换到分屏,可以看到进入PLC系统的所有测点和数据的动态实时显示,都是汉字提示。按下主菜单运行操作按钮,进入系统主流程画面。
主屏幕下方有一个按钮式子菜单,将包括炉顶及绞车、高炉炉体、热风炉、布袋除尘、转运站、系统组操作、报警列表、实时数据显示、参数列表等按钮。按前面的按钮在屏幕之间切换。接下来的四个按钮用于选择其他功能操作。
在每个监控画面上,用不同的图形表示电机、阀门等设备;在分组操作中,由汉字设备名称指示框指示。用不同的颜色表示电机是否准备好,运行是否正常,报警和警报是否已经确认。从运行目标是否有边界可以区分设备是集中启动还是在现场机旁启动。
2.运行操作
系统的正常运行主要基于分组操作。按下成组运行按钮,将弹出由标有设备名称的流程图组成的成组运行画面,每组电机将按启动顺序分别启动。在分组操作区,有四个操作按钮可供选择:分组打开、分组关闭、暂停和退出。每个按钮前面的绿色指示灯表示正在执行操作。将光标直接对准组中的电机,或在组中执行单步联锁操作。
图2高炉立面设计实例
图3高炉炉顶装料示例
进入系统单步调试状态后,除了在组操作画面上操作,还可以直接在各个子画面上进行面向目标的单步调试操作。如果选中时目标为黄色,则开始操作;如果目标是绿色的,关闭它。
针对高炉生产中的几个关键工序,在相关图片中设计了简洁醒目的动态显示。比如在高炉上料过程中,我们充分利用安装在减速机输出轴上的绝对位置编码器信号,在分屏中动态显示上料车的位置。在高炉布料过程中,我们将根据布料器和探头相关设备的返回信号,动态模拟和显示高炉料层的实时位置。同时,变频器与PLC通过Modbus总线连接,实时监控变频器的运行状态。如此直观的画面,加上工艺参数的监控和报警状态的显示,使操作人员对高炉的主要实时操作状况一目了然,为提高系统的安全性和可靠性提供了坚实的保障,也非常有利于工人的操作。
3.过程控制
从实用的角度来看,该系统的模拟输出主要用于阀门调节和阀位控制。根据工艺要求,必要的单回路PID自动调节回路必须是目前为止公认的成熟可靠的。高炉各系统的生产过程检测和控制项目如下:
(1)矿槽料位
每个槽都配有一个液位计。矿槽料位信号用于给料控制。矿槽三楼控制室有监控仪表盘,矿槽的料位信号也传到高炉主控楼的计算机。
⑵罐下称重
槽下的每个称量斗都装有电子秤,其信号送到高炉主控楼的计算机,对称量结果进行补偿。
(3)高炉炉体、无料钟炉顶和荒煤气系统。
高炉炉体的检查项目主要有:炉底、炉底、炉身、炉喉、炉顶温度、渣风口出水温度、冷热风温;炉底和炉喉钢砖冷却水的流量和压力,炉体冷却工业水的流量和压力,炉渣风口高压水的流量和压力,冲渣水的流量和压力,压缩空气、氮气和蒸汽的流量和压力;高炉总压差、炉内静压和炉身透气性的测量。
检测顶部储罐的压力和温度。料罐的空信号液位计测量;测量高炉炉料线、炉顶密闭箱温度、密闭箱内冷却水温度和流量。
粗煤气系统在除尘器上部有气体压力和温度测量;除尘器下锥体的温度测量。
自动调节炉顶煤气压力;热风温度自动调节;顶部氮封氮气压力自动调节等。
(4)热风炉
热风炉系统的拱顶温度、煤气温度、氧气含量、热风炉煤气量、助燃空气量、热风炉冷风阀前后压差、烟道阀前后压差的均压信号可送至电气联锁;冷风总管的压力、温度和流量;气体主管的温度、压力和流量。空气预热器前后的烟气温度、压力和空气温度。预热器前后的烟气、煤气和空气的温度和压力。冷却水温度、压力、流量和出口水温。
燃烧过程中,可根据拱顶温度控制燃气调节阀,按比例调节助燃空气和燃气。助燃空气总管压力自动调节等。
⑸布袋除尘系统
袋式除尘器系统每箱出口支管设有气体流量测量:袋式除尘器的下锥体和中间灰斗设有料位检测。
除尘器的人口总管装有气体压力和温度测量装置;洁净气体主管道配有气体压力、温度、流量和含尘量测量。
[6]矿槽和出钢场除尘。
矿槽和出铁场除尘器前的温度检测。除尘器进出口压差测量。灰斗高低料位联锁及报警。除尘风机的运行参数和报警等。
以高炉布料为例:高炉冶炼过程是连续的,炉内有压力并产生大量气体,整个过程与大气隔绝。如何在隔绝状态下连续向炉内添加炉料,对保证高炉正常冶炼至关重要。
目前广泛使用的无料钟炉顶如图4所示。成套设备为串联罐式,用于高炉炉顶接收、进料和布料。布放工艺性能好,可实现多环或任意点布放。通常采用料流调节阀和布料溜槽的控制方式来保证矿石和焦炭在炉内的准确分配。工作过程简述如下:
(1)当料斗为空时,闭锁阀关闭,上部密封阀关闭。喂养;
⑵料罐排空后,关闭料流调节阀,滚筒停止,关闭下密封阀。打开泄压阀,料罐压力降至大气压;
(3)打开上密封阀,打开挡料阀,将受料斗中的物料卸到料罐中,排空后关闭挡料阀和上密封阀;
(4)关闭泄压阀,打开一级均压阀,给料罐充气,关闭一级均压,打开二级均压,直到料罐压力等于或略高于高炉压力,关闭二级均压,打开密封阀。
5]进料线达到设定值,开始布料过程:
a、升降尺将溜槽移动到设定位置,进料流量调节阀打开到设定的γ角度,启动进料辊将物料分配到高炉。图4调整下料阀示意图。
B.料罐排空后,停止转鼓,关闭料流调节阀,关闭下密封阀,放入塞尺。这块布用完了。然后进行步骤(2),以此类推。
利用物料流量调节阀和布料槽控制布料的原理如图5和图6所示:
图5下料阀调整示意图图6布料溜槽示意图。
高炉炉料经过矿槽配料过程后,首先进入上料斗和下料斗。高炉接到配料指令后,必须根据工艺要求将底料斗的料流控制阀打开到给定的开度(即γ角),炉料以一定的流量通过布料滚筒后流向布料溜槽,布料溜槽也根据工艺要求上升到一定的倾斜角度(即α角)。同时,布料槽在水平方向(即β角)匀速旋转。这样,炉料可以均匀地分布在高炉的料面上。
图7料斗调节阀开度控制流程图
从以上基本控制原理可以看出,只要控制好α、β、γ三个角度,炉料就可以以任何形式分布到炉内。高炉布料方式有几种,圆形布料、扇形布料、螺旋形布料、定点布料等。最常用的是圆形布料,即将一批物料以不同的倾斜角度分布到炉内,形成以高炉中心为中心的几个圆环,使炉料在炉内均匀分布。如果冶炼时炉内料位不均匀,可用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长需要根据炉况提高透气性,保护炉墙不至于过热等原因,还需要采用扇形或定点布料的方法来改善炉料在炉内的分布。
在布料控制过程中,控制下料斗控制阀的开度(即控制γ角)是非常重要的。只有精确控制γ角,才能有效控制出料流量,进而更精确地控制每批料的厚度、圈数以及起点和终点。
返回炉顶料流控制阀的实际开度值(通过同步机或光电编码器检测转换为实际角度),接收炉顶控制系统的γ角度开度和动作指令。经过分析处理后,转换成4 ~ 20mA的电信号,控制DC驱动装置。为了使系统既具有快速响应特性,又能达到理想的精度,将PID调节和逻辑控制相结合。程序流程如图7所示。
PLC控制系统首先检测γ角度的给定值和实际返回值,并计算它们的差值δ。当δ值大于某一角度(如2度)时,DC驱动装置被给予较大的步长,使系统快速反应。当δ值小于某一角度,即γ角接近给定值时,系统自动进入PID调节控制状态,即随着δ值的减小,控制系统的给定调节幅度也按比例减小,直至为零。
PID调节的参数(比例、微分、积分系数、延迟时间、偏移量等。)必须反复调试才能达到最佳效果,保证高控制精度。
根据用户需要,可采用高炉冷风阀和炉顶压力的自动调节。
4.开关报警
当电机在运行中准备消失,或者启动后没有及时得到运行响应信号,或者运行中出现过电流,或者出现综合故障时,系统都会发出报警。一旦检测到开关报警,屏幕上相应的目标变成红色,闪烁并发出声音。如果报警目标不在当前屏幕上,系统屏幕切换按钮上将显示红色闪烁边框,提示您在该屏幕中寻找报警目标。警报可以通过操作来确认。确认后,红色不闪,声音消失。直到警报状态完全解除,目标的红色才会消失。
在开关量报警列表中,计算机自动记录报警目标名称、报警产生时间、确认时间、发布时间等。,用不同的颜色表示。
5.模拟警报
模拟值可以在系统的主过程画面和各种子画面中动态实时显示。该值通常以绿色显示;如果超过设定的上限和下限,并且系统处于正常运行状态,将出现模拟报警。此时数值会闪烁红色并发出声音,屏幕上方会出现报警窗口,提示模拟量名称、报警发生时间、越限和确认按钮。确认后,报警窗口消失。模拟报警列表与开关报警列表相同。
6.实时趋势
实时数据显示包括三个子功能按钮:实时曲线、条形图和电气仪表图。按下功能按钮进入不同的图形显示。实时曲线窗口屏幕分为四个小显示窗口,可以同时显示四条实时曲线。按下设置按钮后,屏幕上弹出一个选择窗口,列出所有可用的模拟量。
7.历史曲线
按下系统主菜单中的历史曲线按钮,进入历史曲线和趋势的查询和打印功能。在屏幕上,您可以显示单幅画面或使用四个历史曲线窗口分别显示四条不同的历史曲线。在选择显示或打印之前,可以设置历史曲线的日期、开始时间和时间间隔,并且可以左右移动曲线。
8.报告打印
从系统菜单中选择报表打印,进入报表打印功能。屏幕首先显示当前时刻的生产班次报告,右下角有一个报告选择按钮。报表打印有两种方式:常规打印和即时打印。选择打印功能后,打印机会自动打开电源。
9.系统维护
在主菜单中选择系统维护,即弹出系统维护功能子菜单。对于可以改变系统运行状态的维护功能,您必须从键盘输入密码。选项如下:
系统单步调试:用于将系统设置为单步调试状态。
系统操作记录:记录上位机的权限转换、状态变化和操作。它可以详细记录值班人员的每一次操作,包括分组操作、启动和停止、响应报警以及调用的其他功能。可以翻看500条记录,硬盘上记录了500条之前的操作,最多可以记录一周甚至更长时间。
系统打印设置:用于设置系统的生产班报表、生产日报表、生产月报的定时打印和即时打印。设置按钮前面有一个指示灯,指示当前的打印状态。
系统健康图:用于显示下位机各模块的运行状态。当下位机某个模块出现故障时,图中对应的模块会闪烁红色并报警,直到故障排除。
图8 PLC系统健康图表
开关和模拟控制条件表:寻呼显示系统开关和模拟控制条件表。表中详细列出了设备名称、PLC接点号、柜内进出端子号、仪表位号和量程、系统分布图。维护人员不需要查阅图纸就可以掌握现场信号的来龙去脉,非常方便,一目了然。模拟控制条件表中的上限和下限报警参数也可以通过键盘修改。
上课工作时间设置:可通过键盘或轨迹球设置早、中、晚三节课的开始时间,每八小时自动分配一节课。
系统时间校正:可以通过键盘或轨迹球校正系统时钟的小时、分钟和秒。
系统密码设置:用于设置系统各级密码。