宣钢六号高炉大修后自控系统综述———宣钢六号高炉大修后自控系

摘要：本文详细阐述了Industrial IT自动控制系统在宣钢六号高炉炼铁生产中的成功应用，着重介绍了系统的硬件配置、网络通讯及其实现功能。体现了该系统结构合理、功能完善、性能稳定可靠、控制精度高等特性，从而满足生产需求。
关键字：ABB  AC800F   硬件  通讯   控制
  1、 前言
      2008年6月，对宣钢六号高炉进行了大修。之前，自控系统均采用ABB公司Industrial IT  F2K系统，为了更好的满足生产需求，现采用ABB　Industrial IT AC800F DCS 系统。该系统控制稳定、可靠、故障率低，将先进控制思想、现代通讯技术和IT技术的最新发展集于一身。实践证明，采用AC800F DCS 系统后，很好地实现了六炉槽下、炉顶、热风的自动控制。

  2、 系统介绍
    AC800F系统是ABB公司推出的具有世界领先水平的全能综合型开放系统，融传统的DCS和优点于一体并支持多种国际现场总线标准。即具备DCS复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)，又具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规I/O，又可连接RemoteI/O 及Prlfibus、FF、CAN、 Modbus等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，Industrial IT都能应付自如。该系统升级到V6.2及更高版本，系统容量可达到140800个I/O，今后如果系统需要扩展，可直接在此基础上增加I/O或现场总线仪表，利于今后发展。  
       系统包括操作级与过程级，操作级包括传统控制功能，如操作与监视，归档与信息记录，趋势与报警，回路与逻辑控制功能等，为便于管理，所有功能都可在相应过程站中执行。做为过程级是由一个或几个过程站组成，每个过程站由AC800F和扩展单元I/O组成。过程站CPU可以配置为冗余也可为不冗余系统，系统具有各种I/O模件与现场各种类型过程信号相连接。系统提供了两种工业总线，过程站总线用于Pfofibus DP通信；I/O总线用于现场I/O数据通信，具有较高的安全性和较强数据可靠性。DigiNet s 系统总线用于过程级和操作级，通信传输介质可以选择同轴电缆或光缆。
      该系统配备了多个过程站和多台操作站：工程师站使用工控PC机作为工程师站，系统操作员站运行在工业PC机上，全中文Digivis软件包基于MS Windows IT 平台，其图形操作接口增强了系统的使用与操作，此外，还可能提高外部设备指标如显示器、打印机等使系统操作更方便。该控制系统在一台PC机上完成操作与监控，系统可扩展至100个操作员站和100个过程控制站。

  3、 自控系统硬件结构及网络连接
       此次大修，将硬件设备全部更新，在设备自动控制和数据采集、通讯上有了提高。自控系统结构及硬件图如下：

  
（系统结构图）
  

（硬件图）
  3.1工程师站ES
      当把应用软件CBF安装在计算机上，这台计算机就成为工程师站，可用于自动过程级控制的组态，还可以完成操作员级画面、记录与归档画面的组态，还可进行过程调试。系统编程软件分为项目生成一个项目文件，虽然每个控制器均开辟一定空间作为数据变量存储区，但在系统编程软件上仅为一个全局系统变量表，操作员站与过程站之间的数据交换直接存取。变量的修改与检查也是系统全局，系统的过程站与操作员站的组态为一套软件。实现了系统全局数据库技术，即“分散存储，全局管理”。
3.2过程控制站PS
      对过程设备的控制、运算（加、减、乘、除及逻辑运算）、监控、趋势采集的组态都在过程站下面组态完成，过程站的硬件设备包括AC800F和各种模件。
      根据工艺要求，整个控制系统由两个过程站完成，槽下过程站和热风过程站。槽下过程站位于槽下，用于对槽下上料、炉顶上料的自动控制，热风炉过程站，位于热风操作室，用于热风炉和高炉的各种温度、压力、流量等仪表信号的采集。两个过程站均采用冗余AC800F控制器。现场控制器AC800F下挂S800 I/O模件，之间的通讯采用Profibus DP现场总线协议。AC800F现场控制器的Profibus模件（FI830）与冗余连接模件 (RLM01) 经Profibus DP线连接，再连接到CI840 模件，CI840是标准Profibus-DP/DPV1全冗余通信接口，CI840通过配套TU847底座实现冗余连接，保证了数据通讯的可靠性。下图是AC800F现场控制器与S800 I/O站之间的连接图。
  3.3操作员站OS
      用于对各工艺过程及参数进行监控，显示生产流程画面，趋势画面，记录，报警等的组态。槽下配有2台工控机作为操作站,用于对槽下上料及炉顶上料的监控。六炉主控室也有两台操作站，用于高炉自控系统运行状态的监控及上料料单的设定等。在热风操作室，配有1台工控机作为操作站，对四座热风的状态进行监控。
3.4通讯网络
      过程站、操作站、工程师站间的通讯通过DigiNet S实现，数据通信采用冗余光纤环网方式，遵循工业以太网TCP/IP协议。在各节点安装两个工业级光纤交换机，采用冗余方式，每一接点的交换机有故障时，均可自动切换。光纤环网保证任一接点断电，故障，任一段光纤中断都不影响整个系统通讯，实现了通讯接口完全冗余。
      这样，系统各节点间的的相互通迅，将过程站、工程师站、操作站及模件等各硬件设备连接起来构成一个分布式控制系统的通迅网络。见下图
  
4、 过程站实现功能
4.1槽下过程站
4.1.1槽下上料
      槽下过程站主要控制槽下上料，高炉本体上料及通讯。本次大修，槽下设备也进行了相应的改动。称斗由原来的5个增加为7个，1至4号称斗各有两个振动筛，对应4个给枓机，5至7号称斗为一个振动筛，每个称斗对应2个给料机。两个焦斗，其中1号焦斗新增给料机。另外，参与自动控制的设备还有中间斗，皮带，返矿皮带，主卷扬，返焦。
称斗：称斗对应的给料机均为变频控制。根据料单输入的矿种、矿重，进行筛料，同时，根据流量、零点进行计算，并做出补偿。
焦斗：也是根据料单的重量及选择情况，进行筛料。
皮带：根据中间斗、翻板情况，自动启皮带低速，5秒后高速运行。
中间斗：称斗放料，经主皮带将入炉物料送至中间斗，再经主卷扬入炉。
主卷扬：根据装料方法，判定焦、矿，开焦或中间斗料门，通过变频控制启动主卷扬，运行过程中，根据时间进行了高、中、低速的选择。为保证主卷扬正常运行，两个变频器一用一备。
返矿皮带：当称斗空需要筛料或有振动筛工作时，启动返矿皮带。
返焦：东、西两返焦投自动。并根据现场实际需要，在启动焦筛后，有启一车或两车的选择。
软水的控制：对膨胀罐充压阀、溢流阀进行控制，还可放散阀还可调节。同时，对膨胀罐液位，压力进行监控。
      槽下自控关键部分有料单的分解，处方的运行，筛料时变频的控制以及主卷扬、焦炭的自动控制。
       在料单的分解、运行中及处方的运行中，大量运用了顺序功能块图SFC和功能块图FBD，对料单进行初始设定并对所送料单的装序进行判断，对装法中的焦、矿位置、个数进行判定，为筛料、放料工作打下基础。在画面中，还增加了“程控”、“批加”、“批减”“处方加一”等按钮，使手、自动之间有正常的切换、校正。
      各称斗的筛料用变频器控制。每个称斗对应两个料仓，为保证筛料的准确，对称斗的两个料仓分开控制，分别用线性化块根据重量进行输出控制，同时，还增加了操作工可自行调整的流量设定，为进行最准确的筛料打下了基础。
      槽下主卷扬的运行极为关键。为保证下常运行，在程序上进行加工，增加了报警画面。在控制中，除用信号进行判定外，还用时间控制作为条件，起到了双重保护的作用。
      在焦炭的控制中，还实现了焦斗自动补偿，在筛料过程中都会和上次进行比较，将多筛或少筛部分以误差的形式计算到下次筛料中，以达到“多筛减掉，少筛补齐”的效果。清焦误差，虽然说，计算出焦炭误差最终可以实现焦的自动补偿，但是，如果误差值太大或太小，会影响到停筛值的计算，从而影响筛料的准确性。所以，在一定 的时候还得对误差进行清零。在槽下操作画面中，有一清焦误差按钮，下方有1＃和2＃焦斗的误差值，点击按钮，即可清零。
4.1.2高炉本体上料
高炉炉顶采用串罐式无料钟炉顶设备。
      炉顶工艺流程分两部分，一部分是炉料从受料斗到料罐，另一部分是由料罐到高炉。炉料从受料斗到料罐，满足放料条件后，开放散阀，放散阀开后延时6秒，开上密、开截料阀、关放散依次进行，将受料斗中的炉料放入料罐。等受料斗的炉料全部进入料罐，受料斗是否为空，可由两个条件来辨定，一是截料阀开到极限位延时20秒，一是受料斗的重量，如果重量小于1.0t ，就为空。放空之后，关截料阀，关上密阀。此时第一部分流程结束，第二部分开始。从料罐到高炉，也是满足相应的放料条件后，提探尺，探尺提到零位后，开下密阀，转回转，开料流。此时炉料开如进入高炉，料罐空放后，大开料流关均压阀，料流大开一下，关料流，关下密，停回转，回转停，完成炉顶放料的一个循环。
受料斗：接受从绞车送来的料，下口有一个截料阀。截料阀、上密、放散阀都在关位置，受料斗料不够：绞车即可往上送料。料够后，通过截料阀、上密实现向料罐装料。
料罐：贮存炉料，可容纳一批矿或一批焦。在料罐上口安有上密封阀，可在料仓漏料入炉时，密封住炉内煤气。料仓下口有下密阀。料罐空，受料斗料够：打开放散，打开上密封阀，打开截料阀，关放散，料入料罐。受料斗料空后，上密封阀和截料阀关闭，料仓均压。当探尺发出装料入炉的信号时，打开下密封阀，同时给溜槽信号，使其由停机位置起动旋转。
探尺：探测炉内料面深度。当料面达到设定值，提探尺，允许料罐向炉内放料。
溜槽（倾动）：它的传动机构，包括行星减速机和气密箱两部份，传动系统要使溜槽能完成绕高炉中心线的旋转运动和在垂直平面内改变溜槽倾角运动。溜槽的倾角驱动是由一台交流伺服控制器完成的。为了对溜槽泊位置进行准确定位，设置有绝对角度编码器。在溜槽倾角的两个极限位置设有两个位置传感器（接近开关）作为安全自锁和报警装置。
料流：是通过阀门角度（γ）的改变，调节向高炉布料的料流速度，用于和倾动倾角（α）和旋转（β）同步配合，达到符合要求的每层布料。
回转：通过变频电机控制溜槽的旋转速度，以达到工艺要求的溜槽在每一环上的圈数。
高炉本体的自动控制中，关键部分有：
顶压的调节
      在生产过程中，顶压的调节优为重要，因为它影响炉况，直接影响到产量、焦比等。自动控制中，对调压阀组阀门的关闭程度来调控炉顶的压力。通过顶压的设定值SP与进程值PV比较，进行PID调节。为满足生产，还对SP值进行了加工，根据料罐料种的不同，以及料罐放料前后都做了调整。同时，根椐东、西顶压的实际值给出PV值，增强了调节的准确性。
料流、倾动、回转的控制
      料流、倾动、回转的控制，均采用编码器，以实现反馈角度的计数。为增强找角的准确性，可修改程序中的基数和变比。其中，在料流的反馈中，还将焦、矿分开。运行过程中，如果对设定的角度找角有偏差时，可在线性化块中调整输出。
       炉顶电磁阀备用和现用之间可进行切换，探尺的控制中，可单尺作业，也可双尺。为方便操作，在画面上增加按钮，进行选择。
回转不转报警输出
受料斗空及料罐空的信号监控
4.2热风过程站
      热风过程站主要实现热风炉自动控制，主要包括四个热风炉的换炉与各调节阀的阀位开关显示以及其它阀的开关和各阀极限位、各点温度、压力、流量等值的显示。同时，还对高炉顶压进行调节，以及高炉本体各仪表信号的采集，监控。
4.2.1热风炉控制
      每座热风炉的状态包括闭炉、燃烧、送风三种，在画面中每种状态都用不同的颜色加以表示，每座热风炉上的各个阀的开关极限位也有不同的颜色显示出来，而在开关转换的过程中，其过程状态则用另一种颜色表示。同时在画面中各种仪表数据也都用数字值显示出来。这种很直观的显示方式很能说明当前的炉况，给操作工观察及操作带来极大的方便。
      在组画面中各调节阀的设定值以及过程值阀位反馈值等都可以显示出来，而且它的过程值也可以通过设定来重新改变差值，使调节阀根据差值来自动的开或者关。
       热风炉在高炉炼铁中起着非常重要的作用，而热风炉的关键就在于它在烧炉、送风等过程中的操作是否正确合理，这就关系到它的煤气流量、空气流量、烧嘴温度、顶压等控制是否达到要求，其中调节阀主要就是用来控制这些流量、温度、压力等的变化，所以它控制的成功与否直接与高炉的情况在着必联系。在控制中，主要有对煤气压力、风温的调节，各热风炉助燃风流量、煤气流量、烧嘴温度的调节，有自动、手动方式，满足了工艺要求。同时，还对煤所流量和冷风流量进行了当前累计和月累计。
      六号高炉中的四座热风炉的煤气流量、空气流量、顶压、烧嘴温度等模拟量均由PID调节阀来调节，调节阀的自动实现是这些参数运行稳定的保障。
       调节阀的自动控制原理是：由调节仪表给进来的4――20MA模拟输入信号接入过程站的模拟输入（DAI05）模件，经AD转换后与计算机内的调节阀阀位信号进行比较，根据差值输出相应的开关信号用于驱动伺服电机正反向转动，经机械减速变换后驱动阀门，输出4――20MA模拟信号供系统显示跟踪控制，控制原理图如下：
        实践证明，基本上达到了要求，充分发挥出了方便、准确的调节作用。从而使热风炉在高炉供热风的过程当中更加稳定、精确，为保证高炉的顺行提供了有力的保障。
    4.2.1本体信号监控
      来自本体的热电偶信号，先进行过程站，所用为TRUCK　BL67系列产品，热电偶信号直接进入工BL67模拟量模件2AI－TC，　再通过PROFIBUS－DP与AC800F进行通讯，BL67模拟量模件可自由插拔，无需断开现场接线，易于维护。

  5、 结束语
      目前，该系统运行正常。DCS系统为实现稳产提供了有效的控制手段，同时提供了充足的数据依据，该系统提高了劳动生产力，提高了经济效益，保证了高炉生产。产实践证明，能够可靠、稳定、精确、高效地运行，且界面友好、保护功能完备、故障诊断功能强，便于系统维护，获得了良好的社会、经济效益。