浅析炼铁高炉的自动控制系统

摘 要：随着科学技术的不断发展进步，人们对钢铁的产能与产品质量要求也一直在不停的提高，这加速了钢铁行业的快速发展。文章主要是对高炉的电气自动化控制系统进行介绍，首先对高炉生产工艺进行了简介，其次对高炉自动化过程控制系统进行介绍，之后分别对高炉本体控制系统、高炉传动控制系统、热风炉控制系统、自动控制系统的监测与控制进行浅析介绍，最后结论是高炉炼铁采用电气自动控制系统增强了钢铁企业的竞争力，能够为社会和企业带来巨大的效益。

关键词：炼铁；高炉；电气自动化控制

1 概述

随着科学技术的不断发展进步，人们对钢铁的产能与产品质量要求也一直在不停的提高。众所周知，在钢铁生产过程中，炼铁是核心部分，高炉的出铁产能和铁水质量关系到下游成品钢材的产量和产品质量，因此高炉运行情况是钢铁生产中至关重要的环节。在生产过程中，高炉炼铁不能出现停滞情况，需要一直连续作业，同时，高炉生产温度高、生产工艺复杂，需要配套的电气自动化系统对整个高炉生产进行操作控制。高炉电气自动化控制是在无人直接参与的状态下，运行仪表检测和自动控制手段对一些机械设备进行工序过程控制。目前，大型现代化高炉全部是使用仪表检测控制系统、电气自动化控制系统以及计算机监控管理的过程控制来完成高炉生产。仪表检测控制系统和电气自动化控制系统通过DCS或PLC系统完成。

2 高炉工艺简介

高炉可将铁矿石球团与焦炭混合，通过氧化还原反应生成生铁与其他产物。高炉炼铁在炉料由上而下，煤气由下而上接触反应，是个连续的生产过程。炉料从炉顶装进炉内，将从热风炉加热到1000°C以上的热风从进风口由鼓风机送入高炉内，炉料内的焦炭进行燃烧，生成高温的还原性气体，并加热缓慢下落的炉料，还原铁矿石球团，变为铁。铁矿石上升到一定温度后，铁水熔化滴落，铁矿石中其他物质变为铁渣，实现渣铁分离。上升的煤气流将热能传导至炉料，温度降低，形成高炉煤气。

3 高炉自动化过程控制系统

高炉过程控制是根据仪表采集获得的检测数据，对高炉运行状态进行预判，从而实现对高炉的全程控制。高炉自动化过程控制系统要求运行安全可靠，能够满足生产需求。其依据设计原则，结合高炉生产运行原理及总结出的经验和技术。采用仪表检测、计算机监控，实现高炉生产全方位工序的监测与过程控制。主要包含数据的采集和处理、自动控制、显示数据和波形记录等。高炉过程控制系统的特点为集中操控和分散控制。为实现降低成本、减少电缆使用及方便点检维护，自动化设备主站与远程分站主要采用网络进行连接。高炉过程控制系统每一个子控制系统相互独立，通过PLC系统，将每一个子控制系统作为一个基本的控制站，以PLC为控制核心，通过网络衔接整个系统，能够较好的实现高炉过程控制操作。为保证高炉整个工序过程安全可靠运行，各控制站采用LK冗余系统，其包括电源、CPU、总线的冗余，并且所有运行模件支持热插拔，能够保证高炉在生产过程中更加安全、可靠。

系统采用PLC为基本控制站，上位机为操作站，基本控制站对高炉炼铁的机械设备、仪表检测出的工艺参数和整个设备的工序过程进行操作和控制。操作站对仪表检测出的工艺参数进行监测，并根据现场实际运行状况对整个高炉生产过程进行判断和干预。上位机与上位机或上位机与PLC之间使用工业以太网进行连接，选用以太网的前提是必须满足上位机与上位机或上位机与PLC之间通讯运行可靠。PLC相互之间或PLC与远程站之间使用现场总线（如Profibus-DP）进行连接，以实现数据传输的实时性与可靠性。

4 高炉本体控制系统

高炉本体控制系统包括基本控制站和操作站组成。系统的基本控制站由仪表检测元件通过控制设备对整个高炉本体进行数据检测和过程控制。

高炉本体的数据检测和过程控制主要包括：炉内运行监测、高炉运行过程操作、高炉本体及人员保护等。高炉本体控制系统能够实现高炉本体的工艺数据采集和工序过程控制，由检测仪表、信号处理、基本控制模板（PLC）和上位机（计算机软硬件）构成。通过上位机能够显示所需高炉本体相关的压力、流量、液位、温度等物理量，可将这些物理量反映至工艺运行流程和过程控制的显示控制画面中，并将其显示至工艺数据列表和历史运行趋势上，方便查看和分析高炉过程运行工况。高炉本体通过PLC编程实现风温、风压等物理量的PID自动调节与控制，对PID参数进行设置，控制混风阀装置调节，并在上位机画面上显示设定的数据、实际的数据和阀门开度等。

5 高炉传动控制系统

高炉传动控制系统可使用交直流调速实现机组设备运行。高炉传动系统包括低压传动和高压传动设备，低压传动包括上料卷扬机电机、布料器倾动电机、布料器旋转电机、探尺电机等；高压传动设备包括离心鼓风机电机、矿槽除尘主引风机电机、净环给水泵电机。

交流调速控制技术逐渐发展完善，基于交流电机结构简单，维护量小等优点，目前，高炉传动系统一般采用交流调速系统。一般高炉传动控制系统多采用交-直-交变频调速控制。为确保高炉传动控制的安全可靠性，将故障影响降低至最小程度，可以将调速装置像PLC系统一样设置称为冗余的形式，即可增加与所传动控制相同型号、功率的一台变频器，设置为主/备用方式，通过控制切换，若主变频器出现故障，可迅速自动投用备用装置来替换主装置，这样，使得传动系统运行稳定，便于维护。

6 热风炉控制系统

热风炉是高炉系统的重要设备，其作用是为高炉不间断的供给1000℃以上的热风。一般高炉都有3-4座热风炉，每个热风炉工作循环包括三个过程，它们分别是燃烧，换炉和供风，这确保了热风能够连续进入高炉，以满足高炉的需要。热风炉是将外部的空气预热，这就是其在高炉系统的主要作用。另外，适当的设定燃烧控制系统和换炉控制系统，能够增加蓄热能力，提高送风温度，这样可以使得热风炉控制系统的潜能提升，更好地满足工艺要求，确保了热风炉设备的安全性，提高了热效率，降低了能耗。热风炉的动作可以大致分为三类：全自动控制，半自动控制，人工手动控制，为了进一步提高风温，利用热风炉废烟气把助燃空气和高炉煤气预热，提高30℃左右风温。

7 自动控制系统的监测与控制

为使得现场操作的数据能够实时的记录和对高炉控制系统运行进行高效的监测与控制，一般采用自动控制系统的检测与控制技术对集中控制系统进行监测与控制。被监控的内容包括：首先是监控工业设计体系，其次监控所有设备的运行，可以快速发现问题，并使相关人员能够尽快应对问题。当然，控制系统需要实现数据共享，以便能够做到各系统的运行监视，这样可以降低故障率，并且系统的安全性和可靠性得到不断改善，整个生产过程将更加安全可靠。

8 结束语

通过电气自动控制系统对高炉炼铁操作进行控制，不仅提高了高炉的工作效率，提升了人工劳效，降低了人员操作失误，而且优化了高炉炼铁工艺，并使其操作趋于简单化。因此，高炉炼铁采用电气自动控制系统增强了钢铁企业的竞争力，能够为社会和企业带来巨大的效益。

参考文献

[1]中国冶金建设协会编.钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册[M].冶金工业出版社，2000.

[2]俞浩.高炉电气自动控制系统设计实现[J].科技与创新，2015（10）.

[3]张明君，孙优贤，皮道映.控制系统设计的一般进程模式探讨[J].机械工业自动化，1998（3）.

[4]刘旭东.计算机控制系统设计的技术要求与总体方案设计[J].科技风，2013（4）.