施耐德電氣Quantum PLC在煉鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　1引言

　　450m3高爐工程主要包括高爐本體、3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、8箱體干法除塵三部分。利用系數(shù)3.0，年產(chǎn)生鐵48萬噸。從綜合性價(jià)比方面考慮，自控系統(tǒng)選用了施耐德公司的quantum plc。

　　2 工藝控制系統(tǒng)分析

　　2.1高爐本體

　　煉鐵是在高爐內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)過程。燒結(jié)礦、雜礦、焦炭從爐頂裝入爐內(nèi)，從鼓風(fēng)機(jī)來的冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐后，形成熱風(fēng)從高爐風(fēng)口鼓入，隨著焦炭燃燒，產(chǎn)生熱煤氣流由下而上運(yùn)動(dòng)，互相接觸，進(jìn)行熱交換，逐步還原，最后到爐子下部，還原成生鐵，同時(shí)形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣分別由出鐵口和出渣口放出。主要控制內(nèi)容有：

　　(1)爐頂壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)：保持高爐爐頂壓力的穩(wěn)定是高爐生產(chǎn)操作的一項(xiàng)首要工作。穩(wěn)定爐頂壓力能起到穩(wěn)定煤氣流，促進(jìn)高爐順行的作用。因此，在操作中要及時(shí)調(diào)整頂壓調(diào)節(jié)閥閥位，使其能將頂壓調(diào)穩(wěn)，避免頂壓上下尖峰波動(dòng)，從而避免爐況波動(dòng)。450m3高爐的爐頂壓力一般穩(wěn)定在90±5kpa。

　　(2)混風(fēng)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)：通過自動(dòng)調(diào)節(jié)混風(fēng)閥開度將適當(dāng)配比的冷風(fēng)摻入熱風(fēng)管道中，控制送往高爐熱風(fēng)圍管的熱風(fēng)溫度在1200±20℃內(nèi)。28個(gè)風(fēng)口將熱風(fēng)送入高爐內(nèi)。

　　2.2熱風(fēng)爐

　　熱風(fēng)爐是燃燒蓄熱的熱交換裝置，分內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式3種。熱風(fēng)爐的燃燒室內(nèi)燃燒一定配比的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣，高溫氣體通過格子磚并使之蓄熱，當(dāng)拱頂溫度達(dá)到工藝要求后，熱風(fēng)爐就轉(zhuǎn)為送風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)冷風(fēng)經(jīng)格子磚加熱后通過熱風(fēng)圍管送入高爐。一般情況下3座熱風(fēng)爐交替進(jìn)行燃燒和送風(fēng)作業(yè)。當(dāng)一座熱風(fēng)爐送風(fēng)一段時(shí)間，輸出的熱風(fēng)不能滿足所需溫度時(shí)就需換爐而轉(zhuǎn)為燃燒狀態(tài)，另一座燃燒好的熱風(fēng)爐開始送風(fēng)。因此每座熱風(fēng)爐在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都有3種狀態(tài)：燃燒期、送風(fēng)期和休止期。主要控制內(nèi)容有：

　　(1)廢氣溫度與煤氣支管流量的串級(jí)控制：廢氣溫度與煤氣支管流量組成串級(jí)調(diào)節(jié)回路，廢氣溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為煤氣支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。

　　(2)煤氣支管流量與冷風(fēng)支管流量的比值控制：煤氣支管流量與助燃風(fēng)支管流量組成配比調(diào)節(jié)回路，以煤氣支管流量作為比值器的輸入，比值器的輸出作為助燃風(fēng)支管流量調(diào)節(jié)器的外給定值。

　　(3)熱風(fēng)爐換爐自動(dòng)控制：熱風(fēng)爐有三種工作狀態(tài)：燃燒、送風(fēng)和休止，三種狀態(tài)按生產(chǎn)要求可相互切換。與燃燒相關(guān)的切斷閥門有：煤氣閥、助燃空氣閥、燃燒閥、均壓閥、廢氣閥和煙道閥，與送風(fēng)相關(guān)的切斷閥門有：冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥。熱風(fēng)爐換爐自動(dòng)控制中各閥要按規(guī)定順序動(dòng)作，并有聯(lián)鎖。特別要注意的是各燃燒閥未全部關(guān)閉時(shí)，不能開啟與送風(fēng)有關(guān)的各閥;各送風(fēng)閥未全部關(guān)閉時(shí)，不能開啟與燃燒有關(guān)的各閥。這是熱風(fēng)爐安全運(yùn)行最基本的條件。

　　2.3干法除塵

　　脈沖反吹控制系統(tǒng)共有8個(gè)布袋除塵箱，每個(gè)箱體10個(gè)24vdc脈沖閥，脈沖閥的操作有兩種方式，程序上均可設(shè)定(定壓差操作：脈沖閥按荒、凈煤氣總管差壓值(2.5～4kpa)啟動(dòng)，稱為定壓差操作;定時(shí)操作：按時(shí)間操作，定時(shí)操作時(shí)間可調(diào)，從連續(xù)反吹到數(shù)小時(shí)反吹)。全部操作由plc自動(dòng)控制完成，每個(gè)箱體依次進(jìn)行，在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中，除人工選擇的箱體外，其他箱體依次完成自動(dòng)反吹-過濾操作。主要控制內(nèi)容有：

　　(1)定差壓氮?dú)夥创悼刂?/P>

　　(2)定時(shí)間氮?dú)夥创悼刂?/P>

　　2.4高爐上料

　　本高爐采用大小料鐘爐頂模式，主要設(shè)備有均壓閥、放散閥、料流調(diào)節(jié)閥、柱塞閥、a角、b角等?？刹捎脝苇h(huán)、多環(huán)、定點(diǎn)、扇布等多種布料方式，且各種方式可交替采用，操作人員按照設(shè)定的布料周期表作業(yè)。料面采用探尺控制，分為點(diǎn)動(dòng)檢測(cè)和連續(xù)檢測(cè)方式。探尺的下降和提升由變頻電機(jī)控制。當(dāng)檢測(cè)到料線低于某一設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)提升探尺，爐頂裝料設(shè)備動(dòng)作，向爐內(nèi)裝料，同時(shí)槽下和上料開始動(dòng)作。料灌均壓放散后，接收下一批爐料。槽下系統(tǒng)包括燒結(jié)礦、焦炭、雜礦料倉，主要設(shè)備有給料器、振動(dòng)篩、排出閥門、轉(zhuǎn)換溜槽、膠帶運(yùn)輸機(jī)等。按照裝料制度各設(shè)備連鎖動(dòng)作，將原料送往爐頂。主要控制內(nèi)容有：

　　(1)高爐裝料程序控制

　　(2)原料控制

　　(3)原料的稱量補(bǔ)償

　　(4)爐頂布料程序控制和爐頂順序控制

　　(5)料線檢測(cè)和探尺控制

　　(6)爐頂均排壓控制

　　2.5 對(duì)plc的功能要求

　　系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求;軟件功能豐富，靈活方便，減少技術(shù)人員的二次開發(fā);系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度滿足生產(chǎn)要求，通訊速率可達(dá)100mb/s;對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)有保證;具有完善的在線自診斷功能;系統(tǒng)可維護(hù)性強(qiáng)，可操作性強(qiáng)，處理故障簡(jiǎn)便快捷;具有很好的開放性和擴(kuò)展性，有安全保護(hù)措施。

　　3 工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件組成(表1)

　　3.2 軟件組成

　　windows2000 professional+sp4、concept v2.5、ifix3.5中文版。

　　3.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1)

　　4 問題解決案例

　　4.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視

　　與其它生產(chǎn)商的plc設(shè)備相比，quantum plc的系統(tǒng)診斷功能十分有用，可以方便用戶遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行監(jiān)視。在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，打開ie瀏覽器，在地址欄輸入plc的ip地址，可以查看plc的硬件信息。采用iec編程，通過riostat，diostat，plcstat等功能塊分別將相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)字導(dǎo)入對(duì)應(yīng)4x寄存器，根據(jù)4x寄存器相應(yīng)位狀態(tài)即可判斷系統(tǒng)健康狀況。

　　4.2 plc之間通訊

　　quantum以太網(wǎng)模板140noe77100通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換：

　　(1)通訊功能塊：mstr，cread-reg，cwrite-reg指令。

　　(2)globaldata.(3)、i/o scanner。

　　本工程采用了(3)i/o scanner的通訊方式，在三套plc之間互傳數(shù)據(jù)。高爐儀控與高爐上料之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：角、角、角、布料圈數(shù)、左右探尺、左右均壓閥開關(guān)極限、左右放散閥開關(guān)極限、上下密封閥開關(guān)極限、布料流槽極限、爐頂壓力、透氣性指數(shù)等。高爐儀控與熱風(fēng)爐之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：冷風(fēng)壓力、熱風(fēng)壓力、冷風(fēng)溫度、冷風(fēng)流量、助燃風(fēng)壓力、助燃風(fēng)流量、冷卻水壓力、冷卻水溫度、拱頂溫度、廢氣溫度等(圖2)。圖2中，192.168.0.13是高爐上料plc的cpu的ip地址，192.168.0.11是熱風(fēng)爐干法除塵plc的cpu的ip地址，192.168.0.12是高爐儀控plc的cpu的ip地址。

　　4.3 流量處理

　　在concept中，對(duì)流量的處理非常方便，高度集成化的功能塊大大簡(jiǎn)化了用戶的編程。如mflow功能塊用來進(jìn)行流量處理，totalizer用來對(duì)流量進(jìn)行累積計(jì)算。在mflow功能塊中，可以使能溫度、壓力的補(bǔ)償，使能開方功能，設(shè)置流量系數(shù)等;在totalizer功能塊中，可以切除小信號(hào)、設(shè)置累積值的閥值、溢出復(fù)位、設(shè)置跟蹤等。

　　4.4 pid功能實(shí)現(xiàn)

　　在concept中，有關(guān)pid調(diào)節(jié)的功能塊有pi、pi_b、pi1、pid、pid_p、pid1、pidff、pidp1、pip、ppi等近十種，豐富多樣靈活的功能支持各種復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。本工程中，爐頂壓力調(diào)節(jié)、混風(fēng)溫度調(diào)節(jié)、煤氣支管流量調(diào)節(jié)、助燃空氣流量調(diào)節(jié)等采用了pidff功能塊。pidff功能塊可以完成正反作用切換，p、i、d的使能與參數(shù)設(shè)置，手自動(dòng)切換，輸出嵌位與偏置、死區(qū)設(shè)置、響應(yīng)速率、狀態(tài)信息檢測(cè)等功能(圖3)。

　　4.5關(guān)于溫度異常顯示問題

　　在工程建設(shè)初期，由于正值嚴(yán)冬季節(jié)，室內(nèi)溫度在零度以下，調(diào)試中出現(xiàn)了140ari03010模塊接入點(diǎn)溫度異?，F(xiàn)實(shí)問題。原因在于當(dāng)溫度低于零度時(shí)，對(duì)應(yīng)的3x寄存器將數(shù)據(jù)的最高位置為1，其它位不變，而不是以對(duì)應(yīng)正數(shù)的補(bǔ)碼形式表示，因此無論以什么數(shù)據(jù)類型顯示3x寄存器均會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)顯示異常的問題。解決辦法是判斷3x寄存器的最高位是否為1，若為1則將3x寄存器減去32767即可。也可通過i_phys功能模塊轉(zhuǎn)換后再顯示。

　　4.6方便的變量編輯功能

　　在本工程中，三套plc各類變量合計(jì)約1萬點(diǎn)。通過功能強(qiáng)大的excel將變量表編輯后導(dǎo)入到concept中，可以節(jié)省大量時(shí)間，重要的是可以實(shí)現(xiàn)多人作業(yè)。具體方法如下：“concept”-“file”-“expo-rt”-“variables：text delimited”;選中user defined“;”并輸入導(dǎo)出文件名，如gaolu.txt;打開“excel”-“file”-“打開”-選擇類型為“文本文件”，并選擇gaolu.txt;在隨后的界面中分別選中“分隔符號(hào)”和“分號(hào)”，然后在excel電子表格中輸入concept變量，保存為gaolu.txt文件;執(zhí)行“concept”-“file”-“import”-將gaolu.txt導(dǎo)入。

　　4.7 concept與ifix的通訊

　　ifix工控組態(tài)軟件是由美國(guó)intell-ution公司開發(fā)的基于windows95&-nt的大型應(yīng)用軟件，它集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供一個(gè)友好的用戶界面，使用戶在不需要編寫代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。ifix軟件通過i/o驅(qū)動(dòng)器軟件接口同plc進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。intellution提供多種i/o驅(qū)動(dòng)器，支持通用和特殊的i/o設(shè)備。本工程中，concept與ifix的通訊采用了mbe驅(qū)動(dòng)方式：通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡連接modicon以太網(wǎng)通訊模塊。在ifix的i/o驅(qū)動(dòng)中，需要定義與之通訊的plc的ip地址，讀寫的0x，1x，3x，4x區(qū)段。在ifix數(shù)據(jù)庫中，定義每一個(gè)tag的取值地址，如熱風(fēng)溫度te2003a的地址是d2:300001。高爐生產(chǎn)監(jiān)控畫面如圖4所示。

　　5 結(jié)束語

　　(1)quantum plc帶來的經(jīng)濟(jì)效益：穩(wěn)定可靠的自控系統(tǒng)為高爐多出鐵、出好鐵提供了良好的保障，據(jù)此測(cè)算年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益=450m3(高爐容積)x3.0(利用系數(shù))x300(年正常生產(chǎn)天數(shù))x100(元/噸鐵)x10%(自動(dòng)化plc所占比例)=405(萬元)。

　　(2)quantum plc模板的帶電插拔功能為快速地在線處理故障帶來了極大方便，它縮短了故障處理時(shí)間，減少了對(duì)煉鐵生產(chǎn)的影響。

　　(3)plc的熱備功能可以保證一套plc停機(jī)時(shí)另一套無擾動(dòng)瞬間切換，提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，而且使用方便，無需編程。

　　(4)開放的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為接入erp系統(tǒng)的過程管理層提供了便利條件。

　　(5)quantum plc優(yōu)異的性能、方便的模板接線、功能豐富的指示燈、在線故障診斷功能等特性明顯地減少了自控人員的維護(hù)工作量，深受技術(shù)人員的好評(píng)。