施耐德電氣Quantum PLC在煉鐵生產中的應用

分類：技術教程日期：2012-12-11 00:00:00 來源：西部工控網

　　1引言

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

　　2 工藝控制系統分析

　　2.1高爐本體

　　煉鐵是在高爐內進行還原反應過程。燒結礦、雜礦、焦炭從爐頂裝入爐內，從鼓風機來的冷風經熱風爐后，形成熱風從高爐風口鼓入，隨著焦炭燃燒，產生熱煤氣流由下而上運動，互相接觸，進行熱交換，逐步還原，最后到爐子下部，還原成生鐵，同時形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣分別由出鐵口和出渣口放出。主要控制內容有：

　　(1)爐頂壓力自動調節：保持高爐爐頂壓力的穩定是高爐生產操作的一項首要工作。穩定爐頂壓力能起到穩定煤氣流，促進高爐順行的作用。因此，在操作中要及時調整頂壓調節閥閥位，使其能將頂壓調穩，避免頂壓上下尖峰波動，從而避免爐況波動。450m3高爐的爐頂壓力一般穩定在90±5kpa。

　　(2)混風溫度自動調節：通過自動調節混風閥開度將適當配比的冷風摻入熱風管道中，控制送往高爐熱風圍管的熱風溫度在1200±20℃內。28個風口將熱風送入高爐內。

　　2.2熱風爐

　　熱風爐是燃燒蓄熱的熱交換裝置，分內燃式、外燃式和頂燃式3種。熱風爐的燃燒室內燃燒一定配比的高爐煤氣和焦爐煤氣，高溫氣體通過格子磚并使之蓄熱，當拱頂溫度達到工藝要求后，熱風爐就轉為送風狀態，此時冷風經格子磚加熱后通過熱風圍管送入高爐。一般情況下3座熱風爐交替進行燃燒和送風作業。當一座熱風爐送風一段時間，輸出的熱風不能滿足所需溫度時就需換爐而轉為燃燒狀態，另一座燃燒好的熱風爐開始送風。因此每座熱風爐在運轉過程中都有3種狀態：燃燒期、送風期和休止期。主要控制內容有：

　　(1)廢氣溫度與煤氣支管流量的串級控制：廢氣溫度與煤氣支管流量組成串級調節回路，廢氣溫度調節器的輸出作為煤氣支管流量調節器的外給定值。

　　(2)煤氣支管流量與冷風支管流量的比值控制：煤氣支管流量與助燃風支管流量組成配比調節回路，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支管流量調節器的外給定值。

　　(3)熱風爐換爐自動控制：熱風爐有三種工作狀態：燃燒、送風和休止，三種狀態按生產要求可相互切換。與燃燒相關的切斷閥門有：煤氣閥、助燃空氣閥、燃燒閥、均壓閥、廢氣閥和煙道閥，與送風相關的切斷閥門有：冷風閥和熱風閥。熱風爐換爐自動控制中各閥要按規定順序動作，并有聯鎖。特別要注意的是各燃燒閥未全部關閉時，不能開啟與送風有關的各閥;各送風閥未全部關閉時，不能開啟與燃燒有關的各閥。這是熱風爐安全運行最基本的條件。

　　2.3干法除塵

　　脈沖反吹控制系統共有8個布袋除塵箱，每個箱體10個24vdc脈沖閥，脈沖閥的操作有兩種方式，程序上均可設定(定壓差操作：脈沖閥按荒、凈煤氣總管差壓值(2.5～4kpa)啟動，稱為定壓差操作;定時操作：按時間操作，定時操作時間可調，從連續反吹到數小時反吹)。全部操作由plc自動控制完成，每個箱體依次進行，在自動運轉中，除人工選擇的箱體外，其他箱體依次完成自動反吹-過濾操作。主要控制內容有：

　　(1)定差壓氮氣反吹控制

　　(2)定時間氮氣反吹控制

　　2.4高爐上料

　　本高爐采用大小料鐘爐頂模式，主要設備有均壓閥、放散閥、料流調節閥、柱塞閥、a角、b角等。可采用單環、多環、定點、扇布等多種布料方式，且各種方式可交替采用，操作人員按照設定的布料周期表作業。料面采用探尺控制，分為點動檢測和連續檢測方式。探尺的下降和提升由變頻電機控制。當檢測到料線低于某一設定值時，自動提升探尺，爐頂裝料設備動作，向爐內裝料，同時槽下和上料開始動作。料灌均壓放散后，接收下一批爐料。槽下系統包括燒結礦、焦炭、雜礦料倉，主要設備有給料器、振動篩、排出閥門、轉換溜槽、膠帶運輸機等。按照裝料制度各設備連鎖動作，將原料送往爐頂。主要控制內容有：

　　(1)高爐裝料程序控制

　　(2)原料控制

　　(3)原料的稱量補償

　　(4)爐頂布料程序控制和爐頂順序控制

　　(5)料線檢測和探尺控制

　　(6)爐頂均排壓控制

　　2.5 對plc的功能要求

　　系統穩定可靠，抗干擾能力強，適應復雜的工業現場要求;軟件功能豐富，靈活方便，減少技術人員的二次開發;系統實時性和響應速度滿足生產要求，通訊速率可達100mb/s;對調節系統的品質有保證;具有完善的在線自診斷功能;系統可維護性強，可操作性強，處理故障簡便快捷;具有很好的開放性和擴展性，有安全保護措施。

　　3 工藝控制系統設計

　　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網絡結構(圖1)

　　4 問題解決案例

　　4.1 系統狀態監視

　　與其它生產商的plc設備相比，quantum plc的系統診斷功能十分有用，可以方便用戶遠程對系統健康狀況進行監視。在聯機狀態下，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的系統狀態字導入對應4x寄存器，根據4x寄存器相應位狀態即可判斷系統健康狀況。

　　4.2 plc之間通訊

　　quantum以太網模板140noe77100通過以下三種方式實現數據交換：

　　(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之間互傳數據。高爐儀控與高爐上料之間傳輸的數據有：角、角、角、布料圈數、左右探尺、左右均壓閥開關極限、左右放散閥開關極限、上下密封閥開關極限、布料流槽極限、爐頂壓力、透氣性指數等。高爐儀控與熱風爐之間傳輸的數據有：冷風壓力、熱風壓力、冷風溫度、冷風流量、助燃風壓力、助燃風流量、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，對流量的處理非常方便，高度集成化的功能塊大大簡化了用戶的編程。如mflow功能塊用來進行流量處理，totalizer用來對流量進行累積計算。在mflow功能塊中，可以使能溫度、壓力的補償，使能開方功能，設置流量系數等;在totalizer功能塊中，可以切除小信號、設置累積值的閥值、溢出復位、設置跟蹤等。

　　4.4 pid功能實現

　　在concept中，有關pid調節的功能塊有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雜的工業生產應用。本工程中，爐頂壓力調節、混風溫度調節、煤氣支管流量調節、助燃空氣流量調節等采用了pidff功能塊。pidff功能塊可以完成正反作用切換，p、i、d的使能與參數設置，手自動切換，輸出嵌位與偏置、死區設置、響應速率、狀態信息檢測等功能(圖3)。

　　4.5關于溫度異常顯示問題

　　在工程建設初期，由于正值嚴冬季節，室內溫度在零度以下，調試中出現了140ari03010模塊接入點溫度異常現實問題。原因在于當溫度低于零度時，對應的3x寄存器將數據的最高位置為1，其它位不變，而不是以對應正數的補碼形式表示，因此無論以什么數據類型顯示3x寄存器均會出現負數顯示異常的問題。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各類變量合計約1萬點。通過功能強大的excel將變量表編輯后導入到concept中，可以節省大量時間，重要的是可以實現多人作業。具體方法如下：“concept”-“file”-“expo-rt”-“variables：text delimited”;選中user defined“;”并輸入導出文件名，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”和“分號”，然后在excel電子表格中輸入concept變量，保存為gaolu.txt文件;執行“concept”-“file”-“import”-將gaolu.txt導入。

　　4.7 concept與ifix的通訊

　　ifix工控組態軟件是由美國intell-ution公司開發的基于windows95&-nt的大型應用軟件，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數據庫技術、網絡技術于一身，包含動態顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網絡通信等組件，提供一個友好的用戶界面，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用軟件。ifix軟件通過i/o驅動器軟件接口同plc進行數據交換。intellution提供多種i/o驅動器，支持通用和特殊的i/o設備。本工程中，concept與ifix的通訊采用了mbe驅動方式：通過標準以太網卡連接modicon以太網通訊模塊。在ifix的i/o驅動中，需要定義與之通訊的plc的ip地址，讀寫的0x，1x，3x，4x區段。在ifix數據庫中，定義每一個tag的取值地址，如熱風溫度te2003a的地址是d2:300001。高爐生產監控畫面如圖4所示。