钢铁厂高炉供料自动控制系统改造设计

摘要：目前很多钢铁厂供料系统控制供料系统存在操作员工作环境差，上料联系信号不准确和供料生产不安全等问题。针对这些问题，现以某典型的钢铁厂高炉供料系统为例，给出了改造设计思路、控制模式设计及PLC控制系统设计方案。该系统投入运行后，降低了操作人员工作量，改善了工人的工作环境，使高炉运行顺畅，保证了生产安全。这一设计方案在钢铁厂高炉供料控制系统中具有较好的推广价值。

关键词：高炉； 供料系统； 控制系统； 改造设计

中图分类号：TN91134； TP274文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04012804

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

FENG Meiying

(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：20110926

基金项目：广西教育厅科研项目 (201010LX639，

201010LX648)阶段成果0引言

目前很多钢铁厂供料系统控制基本上均存在以下问题：操作员工作环境差；上料联系信号不准确；供料生产不安全等问题。针对这些情况，笔者和某钢铁厂技术员一起对该企业的7座高炉供料系统进行了自动控制设计。

1控制模式设计

为了改善操作员的工作环境，该系统针对操作员的控制模式如下所述。

1.1区域集中用手动控制

各集控箱上的“手动/自动控制开关”左置“手动”位，即可操作集控操作台上的主令开关启/停该区域内的皮带。

各集控箱上其他相关设备的操作只受该设备惟一的一个开关控制，故要求操作人员正确操作，维修人员维修相关设备时要注意断气及断电，保证维修的安全。当采用“区域集中用手动控制”模式时，其他模式被禁止。

1.2机旁手动控制

各集控箱（JZX）上的“手动/自动控制开关”右置“自动”位且机旁操作箱内的“机旁手动/联锁自动控制开关”左置“机旁手动”位，即可操作机旁操作箱内的按钮开关启/停单条皮带及其它相关单个设备。

该控制方式是为试机而设，故该控制方式开启皮带后，皮带只运行5 min，要再次开启则要求再次操作1次按钮开关。当采用“机旁手动控制”模式时，该单条皮带或单个设备不受“全自动模式”控制。

1.3全自动控制

当区域集控操作台上的“手动/自动控制开关”右置“自动”位且机旁操作箱内的“机旁手动/联锁自动控制开关”右置“联锁自动控制”位，该单条皮带或单个设备才受“全自动模式”控制。“全自动模式”指：监控画面操作模式，在该模式下，供料系统所有的设备均受“WINCC操作画面”控制。“WINCC操作画面”有以下主控按钮：

(1) 系统状态按钮。当处在“系统运行” 状态时，所有设备受启用料仓料位自动控制，即实现全自动供料；当处在“系统调试” 状态时，所有设备只有通过鼠标操作才可启/停，该操作方法仅在系统调试时用\[1\]。

(2) WINCC操作状态按钮。当处在“WINCC操作禁止”状态时，在WINCC操作画面上用鼠标操作不了任何设备；当处在“WINCC操作允许”状态时，可“有联锁”或“无联锁”操作任何设备。

(3) 联锁状态按钮。当处在“WINCC操作无联锁”状态时，用鼠标可无联锁操作某些设备；当处在“WINCC操作有联锁”状态时，用鼠标可有联锁操作所有设备。操作机旁操作箱内的按开关启/停单条皮带及其它相关单个设备。

2系统设计

为了提高上料联系信号准确度以及供料生产的安全可靠性。在系统方面的设计主要考虑以下几点:

2.1料仓控制

现场控制要求：槽上启用料仓的料位自动向启用料仓上料，停用料仓不上料。所以在设计时使槽上启用料仓料位下降至下限时，自动判断上料路径，使相关所选皮带同时启动，缩短启动时间，加快上料速度；上料料仓料位上至上限时，延时依次自动停皮带。考虑到要缩短皮带空转时间，最低限度减少电能浪费，所以料仓料位检测采用德国进口超声波传感器，测量范围为0.6～6 m,输出为4～20 mA，输入电源为DC 24 V,重复精度为9 mm，防护等级为IP65(防尘防水溅)\[2\]。由于该超声波料位传感器输出为模拟信号，故料仓料位上、下限的设定方便自如，用计算机键盘设定即可。为了方便更换时不用拆线，接线方式采为接插件。每个槽上料仓有一个超声波料位传感器，安装在料仓中部，外加保护罩防止物料碰撞损坏。

2.2皮带小跑车控制

为了实现平稳启动，槽上皮带小跑车电机采用变频器驱动，小跑车快接近目标位置时减速逼近，到达目标位置时零速度状态下抱闸。这样小跑车在料仓上的定位就很准确，且不会出现高速度状态下抱闸因惯性而出轨的严重设备故障\[3\]。

小跑车在料仓上的位置检测采用了双重检测系统：多圈绝对值编码器检测与控制外加接近开关检测修正。多圈绝对值编码器负责检测槽上皮带小跑车的位移，精确控制小跑车在每个仓的若干个卸料点准确卸料。接近开关负责修正绝对值编码器的检测，当接近开关动作时，PLC将当前位置的预置值与多圈绝对值编码器检测值作比较，当差值小于下限时不修正，当差值大于下限时执行修正，当差值大于上限时则报警，且不允许跑车卸料\[4\]。

多圈绝对值编码器要求安装与小跑车减速机低速轴或小跑车尾轮轴同轴，采用德国TURCK公司的9080系列带PROFIBUSDP总线接口的多圈绝对值编码器，分辨率可达8 192/转，4 096转，精度极高。接近开关采用外壳铜镀铬，防护等级为IP67，DC 24 V，PNP三线，工作距离15 mm，带接插件式的，更换时不用拆线，而且四面都有有指示灯，任何方向都可看到\[5\]。为了节省电缆方面投资，接近开关的输出直接接入现场防护等级为IP67的I/O模块。

2.3皮带测控保护系统控制

跑偏检测一级跑偏常开接点接进PLC的现场I/O模块。一级跑偏动作时，仅中控室操作站的画面上报警闪烁指示；二级跑偏常闭点串联接入皮带接触器线圈控制回路；皮带因二级跑偏而停机时，在中控室操作站的画面上就能准确知道是哪个跑偏动作，故障定位迅速准确，现场处理人员置机旁操作箱的“机旁手动／联锁自动选择开关”在左位时，二级跑偏常闭点被自动短接，这样在机旁就能点动皮带并调整皮带至正常。长度小于等于20 m的皮带设1对跑偏开关，并安装于皮带中部；长度大于20 m且小于等于50 m的皮带设2对跑偏开关，并分别安装于皮带机头和机尾；长度大于50 m且小于等于100 m的皮带设3对跑偏开关，并分别安装于皮带机头、中间、机尾；超过100 m的皮带，每增加50 m加1对\[6\]。

拉线急停采用人工手动复位式双向拉线开关，这能确保急停作用的可靠性。一对常闭点串联接入皮带接触器线圈控制回路。一对常开接点接进PLC的现场I/O模块，当皮带因拉线开关动作而停机时，在中控室操作站的画面上就能准确知道是哪个拉线开关动作，故障定位迅速准确，为现场处理人员提供准确信息。

打滑检测一个探头安装于皮带机尾轮旁，使用具有模拟量0～20 mA输出的转速监控器,实时检测皮带尾轮的转速,当皮带打滑或横向拉断时转速监控器的输出变小至小于预设置的报警值，则发出皮带打滑声光报警并立即自动停止后序皮带及停止相关料头下料口放料\[7\]。

反转检测两个探头安装于皮带机尾轮旁。方向识别器安装在机旁箱内，通过计算两个探头的输入信号的前后顺序以及及相互重叠部分的大小就可对转向进行识别。

堵料检测两个电容式接近开关安装在三通、四通分料器上实现对堵料的检测。当任一电容式接近开关检测信号超过2 s则发出堵料声光报警并立即自动停止后序皮带及停止相关料头下料口放料。

3PLC控制系统设计

针对供料系统设备分布范围广的客观实际，采用目前最快的ProfibusDP ［8］现场总线系统,并采用主从方式进行工作,主站采用德国西门子公司的中高性能的4162 CPU,它集成了一个MPI/DP通信接口,可用于连接5台监控操作站,还集成了一个PBDP通信接口,可用于连接从站。

另外，在主站上安装了两块德国西门子公司的提供PBDP通信接口的CP，这样整个PLC系统就由主站加三条PBDP链路构成，每条PBDP链路的名称及其挂接的从站见“PBDP网络系统图”。

每条PBDP链路最多可串联8个总线段，每两个总线段必须由RS 485中继器来连接\[9\]。每个总线段最多能挂接31个从站，用工业双绞线最长距离为1 000 m。如果需要的电缆长度超1 000 m，则必须使用RS 485中继器。

针对供料系统现场范围广、粉尘且易受大雨淋的客观实际，挂接在各条PBDP链路上的现场分布式I/O模块要求具有的防护等级为IP67，并且要求具有点诊断功能。经过多方考查并综合技术及投资的优势，决定现场分布式I/O模块采用德国TURCK公司的防护等级为IP67且有点诊断功能的模块。该模块集成有PBDP通信功能，利用接插件直接挂上PBDP链路即可，而无需外加通信模块，且模块的每一点都具有诊断功能\[10\]。

3.1PLC输入/输出点的物理分布设计

3.1.1PLC输入点的分布

69条皮带、11台槽上皮带小车、除尘风机的接触器动作反馈接点的输入在各电磁站的BL20分站上。其他各输入点都在现场各机旁箱内\[11\]。

3.1.2PLC输出点的分布

69条皮带、11台槽上皮带小车、除尘风机及受自动控制的照明的输出控制点均在各电磁站的BL20分站上。各三通、四通、斗门、给料机、除尘设备（的输出控制点均在现场各机旁箱内）。

3.2PLC控制系统硬件配置简图设计［12］

图1为整个硬件配置设计框图。其中监控站1监控新110 m2烧结仓；监控站2监控二烧新烧结矿仓；监控站3监控1#料台；监控站4监控2#料台；监控站5监控3#料台；监控站6监控4#料台。这些监控站的PLC均采用采用西门子S7400机子。

3.3PLC控制系统流程图设计

如图2所示为整个供料自动控制系统的PLC控制流程图，图中C代表皮带接触器。其中：新110 m2烧结仓共有6个，每个仓下有一台振动给料机；二烧新烧结矿仓共有4个，每个仓下有一台振动给料机；1#料台共有仓2个，每个仓下有一个气动斗门；2#料台共有仓1个，仓下有一个电液推杆驱动的斗门；3#料台共有仓2个，每个仓下有一个气动闸门；4#料台共有仓1个，仓下有一个电液推杆驱动的斗门。

图1PLC硬件配置设计框图4结语

该系统自投入运行以来，一直运行正常。并且达到了以下几个目的：

(1) 每个操作人员身居环境幽雅的控制室内，在供料过程监控画面的帮助下用鼠标简单地点击就可实现自动向7座高炉槽上料仓供各种物料，这样供料工段仅需投入几十人就可保证完成全厂7座高炉的供料生产，且岗位工远离粉尘污染源而不受危害，每年可节省300万元的工资费用。

(2) 槽上皮带小跑车在料仓上采用双重定位系统，确保小跑车定位准确，从根本上杜绝混料、上错料故障的发生。

(3) 完善的皮带测控保护系统保证供料的安全，将将各种常见的堵料、打滑、反转等故障消灭在萌芽状态。

(4) 启用料仓的料位在线实时计算机监控，确保高炉断料现象尽可能少。

(5) 皮带通廊照明系统亦可实现自动控制。由此可见，这一设计方案在钢铁厂高炉供料系统中具有较好的推广作用。

图2自动控制流程图参考文献

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