1 引言
“透明工廠”理念是近年自動化控制領域新提出的控制理念。該理念針對生產過程,通過網絡架構、PLC控制器、智能儀表等控制設備,使各個工藝過程、工藝環節成為一個有機的整體,體系結構允許最終用戶將其設備集成運行到一個更高的水平上,實現集約化的生產過程和產品調配。各級用戶可以憑借授權等級通過上位監控機(HMI)了解、掌握和實際操作,達到生產的高度透明化、開放化,從而大大減少系統集成的工作量,降低了車間操作人員和調度員的勞動強度,提高了企業現代化管理的水平。透明工廠是建立在新的信息技術(IT)和通訊技術基礎上的,這些技術包括OPC開放軟件標準和WEB技術等。主要包含三方面的內容:基于TCP/IP以太網的通訊、WEB模式的網絡應用和面向對象的編程。
濟鋼新近投產的3＃1750m3高爐工程的自動化系統開發就是本著“透明工廠”的理念,基于羅克韋爾公司新一代Controllogix系列AB控制系統開發完成的。該項目自動化系統采用二級計算機控制系統,一級為基礎自動化系統，以AB公司Controllogix系列PLC為核心，監控軟件RSView SE為實時監控系統完成電氣傳動控制、儀表過程控制，使用網絡技術構成基于控制器的分布式控制系統，監控站采用客
戶機(Client)/服務器(Server)結構。二級為過程計算機系統,二級計算機系統采用客戶/服務器結構,實現煉鐵的工藝技術參數計算等。一級和二級之間通過網絡進行通訊,通訊協議完全開放,在上掛總公司主干網,可以與MES(制造執行系統)和ERP(企業資源計劃)無縫的連接。

2 “透明工廠”網絡拓撲結構
網絡系統運行在安全穩定的環境中,是“透明工廠”理念應用是否成功的關鍵,設計中我們采用環形和放射性組網結合的原則,對高爐生產影響指數高、上下數據傳輸量大、工藝環節聯系緊密的子站,采用冗余的環形組網。對輔助系統,下行數據量小的系統,采用放射性組網方式。同時,為了最大限度的使系統“透明化”,一些具備網絡功能的智能儀表、控制器和其他廠家的PLC,也通過相應的通訊模板上掛以太網。信息的集散統一在爐頂PLC安裝的Prosoft公司的1756-MNET、1756-DNB模塊收發,打包信息經編譯處理后,再打包傳送給Modicon等處理器,作為最新的實時的控制條件輸入。“透明工廠”網絡拓撲結構參見圖1。

圖1 “透明工廠”網絡拓撲結構

2.1 基礎控制層(L1級)完成的主要功能
(1) 礦槽部分:包括對礦石系統、焦炭系統、焦丁系統及上料主皮帶電氣設備的控制，完成高爐的供配料(料批周期程序，正常裝料程序，趕料程序，礦石系統供配料程序，焦炭供料程序);
(2) 爐頂部分:對爐頂布料系統及有關部分的檢測與控制:爐頂打水系統;爐頂氣密箱及罐壓控制系統;多環布料、爐頂料罐及上料系統檢測與控制;
(3) 爐頂液壓站、調節閥液壓站、干油站、稀油站;a、b、探尺直流控制。
爐身部分:自動控制、調節爐頂壓力，控制高爐的出鐵質量。
(4) 冷卻壁部分:控制高爐冷卻水，保護高爐本體。控制膨脹罐壓力，自動補水，控制膨脹罐液位在正常范圍，同時有事故補水系統;
(5) 熱風爐部分:包括三座熱風爐和一座液壓站，實現了熱風爐換爐，燃燒,送風,自動尋優等功能;
(6) 原燃料系統:原燃料計量、球團供料、燒結供料、生礦供料、焦炭供料;
(7) 水處理系統:軟水系統、凈水循環系統、爐役后期供水泵站。
2.2 過程控制層(L2)完成的主要功能
過程數據的收集、過程監視、原燃料管理、專家系統數學模型、生產操作指導、數據通訊、歷史數據存儲和處理、報表打印。
(1) 過程數據的收集
該系統通過網絡接收來自基礎自動化系統的過程數據,包括原燃料數據、上料數據、爐頂數據、爐內冶煉數據、煤粉噴吹數據、出鐵數據、等等。有些數據不能自動獲取，或者通信故障時,操作員可在操作站上人工輸入到該系統中。
(2) 過程監視
過程監視是基于收集到的過程數據完成的。過程監視主要包括下列內容:原燃料裝料數據、爐頂溫度、壓力數據、爐頂煤氣數據、爐體各部溫度數據、爐體各部冷卻水流量數據、噴煤數據、出鐵場渣鐵數據、沖渣數據、熱風爐系統過程數據。
(3) 原燃料管理
該系統對原燃料入/出槽進行管理，包括:
原燃料數據的輸入:每次原燃料入槽時，按料槽輸入原燃料的牌號、成份、入槽量等數據。
槽存量管理:根據實際上料數據，管理原燃料槽存量等數據，低于規定量時進行報警。
(4) 專家系統數學模型
為滿足高爐生產穩順,采用高爐專家系統進行生產指導，提高鐵水質量，降低能耗。
高爐數學模型專家系統實現功能:
綜合計算集:爐料裝入跟蹤、爐頂煤氣成分與溫度分布、爐內化學平衡、爐腹(風口區)綜合計算、爐缸綜合計算等。
在線動態冶煉數學模型計算集:綜合配料模型、爐內爐料模擬模型、物料平衡模型、Rist模型、爐熱計算模型、爐缸平衡模型、鐵水溫度預報模型、鐵水Si含量預報模型。
CRT數據編輯:料倉品種設定、原料化學成分編輯、出鐵/渣信息編輯、知識庫規則參數編輯、配料模型數據編輯。
系統數據庫:在線數據庫、歷史數據庫、冶煉知識數據庫。
(5) 高爐異常爐況:包括滑料、壓力損失、渣皮脫落、料面傾斜、爐溫波動、料線過低、爐缸狀態、煤氣利用率變化、水系統漏水、爐況穩定狀態等近百條報告內容。
(6) 高爐異常爐況預報:包括爐熱趨勢、崩料孔隙、懸料、管道行程、爐壁結厚等。

3 系統應用效果
該高爐自動化系統自2005年8月投運以來,運行良好。從實際生產運行情況看,由于“透明工廠”理念的成功應用,極大的方便了操作人員對整個系統的監控、工程師維護工作,大大地減少的故障停機時間,大大地提高了生產率。強大實時、歷史數據庫,記錄了高爐生產的過程控制特性,給高爐穩定生產提供了有力的支持。同時專家系統能夠提前2小時左右預報爐溫及實時報告高爐運行的各種異常征兆,同時提示處理方法,避免爐況波動,解決高爐順行和相關設備的保護問題。提供從配料到出鐵之間各生產過程的冶煉數學模型,提供全套爐況推理規則及規則組合,高爐異常情況推理機等。依該高爐目前的情況為基礎,應用這套系統后可將燃料比下降至500kg/t鐵以下。

4 結束語
濟鋼3＃1750m3高爐工程的自動化系統無論從投產后運行的順利程度還是從生產狀態的穩定性來看,都達到了國際先進水平，產業化和推廣應用的前景廣闊。