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热风炉自动控制系统设计


第 2期 ( 总第 1   5 3期 )  
2 0 0 9年 4 月  

机 械 工 程 与 自 动 化  M EC HANI CAL   ENGI NEE R1 NG  &  AU ToM AT1 ON 

No. 2   Ap T .  

文章编号 : 1 6 7 2 — 6   1 1 3 ( 2

0 0 9 ) 0 2 - 0 1 1 2 — 0 3  

热风 炉 自动控 制 系统设 计 
衣 梅 圣 , 吕卫 阳  
( 北 京 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ,北 京  1 0 0 0 8 3 )  

摘 要 :阐 述 了 唐 山迁 安 建 源 钢 铁有 限公 司 4 5 0 m。 高 炉 新 建 热风 炉 自动 控 制 系统 的组 成 和 应 用 。控 制系 统 由工 

控机和 P L C 组 成 ,在 程序 设 计 过 程 中 ,采 纳 了操 作 人 员 的合 理 建 议 ,开 发 出一 套 操 作 直 观 方便 、运行 可 靠 稳 
定 、安 全 措 施 完 善 的 控制 程 序 。  
关 键 词 :热风 炉 ; 自动 控 制 ;P I   C  

中 图 分 类号 :T F 3 2 5 . 4  

文献 标 识 码 :A  

0   引 言 

液 压 缸 驱 动 。热 风 炉 以单 纯 高 炉 煤 气 为 燃 料 ,利 用 烟 

热 风 炉 是 炼 铁 生 产 过 程 中 的重 要 设 备 。在 高 炉 炼 

铁 的生产过 程 中, 需 要 向高 炉鼓人 大量 的高温空 气 。 促  进 和改善冶 炼过程 。热风炉 的作用 就是加 热进入 高炉 

气 预热助燃 空气 ,助燃空 气 由 2台助燃 风机提 供 。正  常 情况下 ,助燃风 机一用 一备 ,交替使 用 。  
2   系统 结 构 

的空气 ,创 建和维 持高炉 内部 良好 的冶炼环 境 ,将铁 
矿 石 还 原 为 铁 水 。 在 高 炉 炼 铁 的 生 产 过 程 中 ,使 用 高 

唐 山迁 安 建 源钢 铁 有 限公 司 4 5 0 m。 高炉 的基 础 
自动 化 控 制 系 统 由 北 京 和 利 时 系统 工 程 股 份 有 限公 司 

风 温又是热 量 的一 个重要来 源 。高 炉生产 的技 术提高 
和鼓 风 温 度 的 提 高 有 着 密 切 的 关 系 , 高 风 温 可 以强 化 

承 建 。整个 控制 系统分 为 4个子 系统 ,分别 是高炉本  体监 控系统 、上料 系统 、除尘控制 系统和 热风炉控制 

高炉 冶炼 .是冶炼 过程 中非 常活跃 的因素  j 。   热风炉 采用 自动控制 。可 以降低 操作人 员 的劳动  强度 ,确保 系统的安 全稳定运 行 。作为工业 控制 领域 
中 最 常 用 和 重 要 的 控 制 装 置 之 一 ,P I   C 具 有 可 靠 性 

高、使用 方便 、易 于维 护 、环境 要求低 以及 与其 它装  置连接方 便等 优点 . 它 使工业 自动化控 制系 统更经 济 、   更 可靠 ,是实现工 业 自动化 的理 想工具 。  
1 工 艺 概 述 

系统, 它们分别完 成对 各部分工 艺设备 的实时监控 。 4   个 子系统采 用的控 制系统硬 件结构 大体相 同。热风 炉  在 实现换炉 和燃烧 控制 的过 程 中, 有 大量 的开关 量 , 同  时采集 到 的现场温 度 、压力 和流量值 是作为 模拟量输  入控 制器的 。综 合对 程序 的处理速 度 、处理 方式 、通  讯能力 等 因素 , 控 制器采 用西 门子 S 7 —4 0 0 P I   C, C P U  
模 块 选用 4 l 2 —2 D P, P S 4 0 7   4 A 电源 。 应用 P r o i f b u s —  

DP总线 接 口技 术 , 通 过配 置 E T2 0 0远 程 I / O 模块 , 扩  展 出 3个 机 架  ] ,共 使 用 P S 3 0 7   5 A 电源 模 块 3块 ,  

热风 炉将来 自经布袋 除尘后 的高炉煤 气 和来 自助  燃风机 的助燃空气 引入燃 烧室 中燃 烧 ,将蓄 热室 的耐 

热球加热 到一定温 度后 , 停止燃 烧 , 转换 到送 风状 态 ,  
风 机 通 过 冷 风 管 道 向蓄 热 室 鼓 入 冷 风 , 冷 风 和 耐 热 球 

S M3 3 1 模拟 量输 入模块 1 o块 ,S M3 3 2模拟 量输 出模  块 2块 , S M3 2 l 数字 量输入 模块 4块 , S M3 2 2数字 量 
输 出模 块 4块 ,E T2 0 0远 程 I / o模 块 3 块 。上 位 机 采 

在 蓄热室 中进 行热 交换后 ,变为热 风 ,热 风经 热风 管  道通过高炉风I Z I 进 入 高炉 ,参 与高 炉 内部 的冶 炼 反 

用 研华工 业控制 机 ,配 置 1 9寸 D e l l 彩显 ,C P U 主频 
2 . 6 GHz ,内 存 5 1 2 MB, 硬 盘 8 O GB, 安 装 西 门 子 

应  。 在 整个工 艺流程 中 , 热风 炉有 3种工 作状 态 : 烧  炉状 态 、焖 炉状态 和送风状 态 。热风 炉工 作时 .始终  周期性 地在这 3 个状 态之 间切换 ,切 换主要 是通过 对  各种 阀门的操作 完成 。  
建 源钢 铁有 限公 司 4 5 0 m。 高 炉 配 备 3座 热 风 炉 ,  

Wi n C C 6 . 0过 程控 制软 件 。在 S 7 —4 0 0 P I   C插槽 上安  装 工业 以太 网接 口模块 C P 一4 4 3 一l ,上 位机 Wi n C C  

采用二烧 一送 的烧炉制 度 。热 风炉所装 备 的各 阀均 由  
收 稿 日期 :2 0 0 8 — 1 o - 0 6 ;修 回 日期 :2 0 0 8   1 1 - l O  

和下 位机 P I   c通过工 业 以太 网连 接 。 各高炉 子系统再  与工业 交换 机互联 ,实现 各子 系统 的数据交换 ,从 而  构 成高炉 基础 自动化 网络 。开关量输 入输 出均有继 电  器 隔离 ,模拟量输 入均 有隔 离模块 隔离 。P I   C硬件配 

作 者 简 介 :衣 梅 圣 ( 1 9 8 2 一 ) . 男. 山 东潍 坊 人 . 在 读 硕 士 研究 生 . 主要 研 究 方 向为 计 算 机 及 P L C控 制 。  

2 0 0 9年 第 2期 

衣梅 圣 ,等 :热 风 炉 自动控 制 系统设 计 

?11 3?  

置见图 1 。   3 控 制 功 能 

序 的 设 计 工 作 中来 ,这 为 验 收 阶 段 得 到 用 户 的 认 可 打 

下 了 良好 的基 础 。 换炉过 程分 为 3种方式 :自动换炉 、   P C手动换 炉和 现场手动操作 。在 自动换炉 的情况下 ,   P I   C按照 预先设定 好的顺序依 次开关各 阀。  

在编制 程序期 间 ,通过 和现场操 作人员 的深入 交 

流 ,吸取 了许多 实用的意 见 ,使 现场工人也 参与 到程 
1 6端 口工 业 交 换 机 

图 1  P LC硬 件 配 置 

燃 烧 时 阀 门 动 作 顺 序 为 :开 废 气 阀 ( 延时 3 s ) ,开 

界面上 操纵任何 一个 阀门 ,此种 方式仅 在设备检 修时 

烟道 阀 , 关废 气 阀. 开空 气燃烧 阀 , 开 煤气燃 烧 阀, 开  煤 气切断 阀, 关煤 气放散 阀 , 空气 调节 阀开到 6 O  , 煤  气 调节阀开到 1 0 0 %。 燃 烧转焖炉 时 阀门动作顺序 为 :   关煤气 调节 阀,关 空气调 节 阀,关 煤气切 断 阀,开煤  气放 散阀 . 关 煤气燃烧 阀 , 关 空气燃烧 阀,关烟道 阀 。  
送 风 时阀门动作顺 序为 : 开充 风 阀( 延时 1 O s ) , 开  冷 风 阀 ,开 热 风 阀 ,关 充 风 阀 。 送 风 转 焖 炉 时 阀 门 动  作 顺 序 为 :关 热 风 阀 ,关 冷 风 阀 。  

使用 ( 使 用此 方式时需 要操作人 员输入 口令 ) 。   现 场手 动是指工人 到热风 炉 阀门旁的 电器控制箱  处操作 阀 门 。 选用 此方式后 , P I   C系统 不再参 与控制 。  
这种方 法仅在更 换 阀门部件 时使 用 。热风炉工 艺画 面 
见图 2 。  

4 联 锁 和 保 护 措 施 

在高炉 炼铁 的生产过程 中 , 绝对 不允许 高炉断 风 ,   如果 断风将 引起塌料 的严重 事故 。这 就要求 任何 时刻 
至 少 有 一 座 热 风 炉 处 于 送 风 状 态 ,设 计 程 序 时 考 虑 了  这种“ 炉 间联 锁 ” , 即在 仅 有 一 座 热 风 炉 送 风 的 状 态 下 ,  

在转 向送 风的过程 中 ,在开 启冷风 阀之前需 要充  风 .即逐 步打开充风 阀( 又称冷 风均压 阀) ,使处 于高 
压 下 的 冷 风 缓 慢 进 入 热 风 炉 , 目的 是 保 证 冷 风 总 管 风 

是无法 将这 座热风炉转 入燃烧 或是焖 炉状态 的 。程序  也设计 了解 除这种联 锁 的按 钮 ,以便 在休 风时 ,可以 
将 3座 热 风 炉 同 时转 为 焖 炉 。   除 此 之 外 ,程 序 还 设 计 了 若 干 检 测 方 法 ,帮 助 操 

压不 至于 大幅下降 ,影 响热风风 压 ,进 而影响高 炉炉 
况 。 以前 的 做 法 是 在 W i n C C 控 制 界 面 上 设 置 充 风 按  钮. 鼠标 左 键 按 下 , 液 压 缸 推 动 充 风 阀 ,鼠标 松 开 , 液 

压缸停止 推动充 风阀 ,必 要时可 以按下 鼠标 右键 .液  压缸反推 充风 阀减 小充风 风量 ,以保 证冷风 风压不 得 

作人员 及 时发现设备 故障 。  
5 控 制 画面 设 计 

下降 1 5 k P a 。 本 次设 计控 制程序 时 。 在保 留了以前 手动 
充 风 方 法 的 同时 。 又 增 加 了两 种 自动 充 风 的 方 法 :一 

为 了便 于 直观 简洁 地监 控 热风炉 及 其 附属设 备 ,   设计 了若 干控制 画面。图 2是工艺控 制画 面 ,针对 热  风炉 大部分 的操 作都 可 由此 画面完成 , 如 自动换炉 、 手  动换炉 、监控 各类温度 值和流 量值 、显示 阀门故 障报  警信号 、显示 阀 门动作 超时信 号等 ( 超时、 故 障信号 仅 

种是根据 冷风风 压的下降值 决定 充风 阀的启 停 。风压 
下 降值 >1 2 k P a 时 停 止 开 启 充 风 阀 , 风 压 下 降 

值%6 k P a 时 .继续 开启 充风 阀 ( 具 体数 值可 有操 作人  员 自行在 控制界 面上更改 ) ; 另一 种方法是按 时间段 开  启 和停 止 充风 阀,程 序 将 整个 开 阀 的时间 划 分为 1 0   段 ,偶数 段用于设 定开启 阀 门的时间片段 ,奇数段用  于设定停 止开 阀的时间片 段 ,各段数 值 由操作 工人按  设 备状况设 定 。在 实际操作 中 ,以上 3种充风 方案 由  
工 人 选 择 ,在 自动 换 炉 时 ,选 用 手 动 充 风 ,则 除 充 风 

在发生 超时或故 障时才 可见 , 正 常时不 可见 ) 。   充 风 阀动作时 间设 定 画面用于设 定按 时间段 开启  和停止 充风 阀的时 间片段 ,所 填数值 直接影 响充 压的 
效 果 。 液 压 站 画 面 用 于 监 控 液 压 站 的 工 作 情 况 ,包 括  液 压 站 的 启 停 、 显 示 油 压 和 油 温 以及 液 压 油 高 低 压 报 

警 和油 温报警 。阀位调 节画 面用于集 中控制 7个 电动  蝶 阀 ,它们分 别是 :煤气 总管压 力调节 、l #煤气调 节 

为手 动外 , 其 它各 阀的操作仍 由 P I   C 自动完成 ; 若选 

用 另外两种 充风方式 ,则全部 工作 ( 包 括充风 ) 均 由程 
序 自动 完 成 。  

阀 、1 #助燃 空气调 节 阀、2 #煤 气调节 阀 、2 #助燃 空  气 调节 阀 、3 #煤气调 节 阀、3 #助燃 空气 调节 阀。参 
数显 示 画面集 中显示各 种参数 ,如 1 #炉顶 温度 、2 #   炉 顶温 度 、 3 #炉顶 温度等 , 画面下方 有煤气 总管流量 
累计 和 助 燃 风 流 量 累计 ,在 右 侧 有 清 零 按 钮 ,按 下 清 

P C手动换炉 又分为联 锁保护手 动和无联 锁手动 。  

联 锁保护手 动换 炉时 , 程 序内部启用 了若干联锁 保护 ,   避 免煤气 和空气 在不恰 当的时机混合 而爆炸 。无 联锁  手 动操作 时 .程序不加任 何联锁保护 ,工人可 在控制 

零 按钮 ,将使煤 气总 管流量 累计和助 燃风流 量累计 变 

?1 1 4?  

机 械 工 程 与 自 动 化 

2 0 0 9年 第 2期 

为零 ,并 重新计算 两 者的流量 累计 。流量趋 势 画面以  曲线 的形 式显示 冷风 流量 、各 炉煤气 支管 流量 和助燃 

空气流量 ,各 曲线 以不 同颜 色区分 。温度趋 势画面 以   曲线形式 显示 各炉拱 顶温度 、废气温 度和冷 风温度 。  

臣 口 匦 
6 数 据记 录和显示 

匦 

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图 2 热 风 炉 T艺 画面 

匿 圃 医嘲

雁 

唐 山建 源 钢 铁 有 限公 司 4 5 0 m。 高 炉 热风 炉 自动  控 制 系统 的设 计 过 程 中充 分 吸取 现 场操 作 工人 的意  见 ,本着方 便操作 、保 障安全 、提 高产量 的原则 ,努  力使 控制界 面简 洁明 了 ,程序安全 可靠 ,各 类报警 完  善 ,并充分 考虑 了各类 故障情况 下的应对措 施 ,降低 

上 位机 安装 了 S QI  S e r v e r   2 0 0 0作 为数 据库 ,用  于记 录生产过 程数据 。Mi c r o s o f t   S QI  S e r v e r   2 0 0 0及  其 实 时 响 应 、性 能 和 工 业 标 准 , 已 经 全 部 集 成 在  Wi n C C的基本 系统 中。 在个案 中 , Wi n C C可以 以压缩 

的方式 每秒存储 1 0   0 0 0个过程值 或 1 0 0条消 息 ,然 后  用 Wi n C C集 成 的工具 分析 显示 数 据 。通 过 多 种开 放 
接 口( S QI   , OD B C, OI   E —D B和 ( ) P C   HAD) ,可 以 用  外部工具更 进一 步地分 析数 据库 中的 数据  。各炉 的 

了操 作人员 的劳 动强度 ,保障 了系统 的稳 定性 ,对 提  高产 量和降 低能耗 起 到了积极 的作用 。  
参考文献 :   E l i 项钟庸. 高炉设计一

炼铁工艺设计理论与实践[ M] . 北 

篓 过   程 的 璧 参 : 数 ,   均 保 存 璧 在 、 S Q 热 I   风 S 流 量   盘  类   善 告   E   2 ] 毫   喜   ) 李 r  ̄ , 江 2 0 . 0 钢 7 ‘ 铁 工 业 自 动 化 炼 铁 卷 [ M ] . 北   e r v e r 数 据库 中 , 并 且 以 历 
:  

茎    一 ’ N  ̄ i ~ , 2 o — o o   . 一 … …  ……  

史趋势 图的形式供 操作人 员随 时查看 。保存 在历史 数  据库 中的过 程 参数定 期导人 E x c e l 文件 中 ,已备存 档  和分 析生产状况 。  
,   硅古{ 五 

[ 3 ] 廖常初. s 7 —3 0 0 / 4 0 0 P L C应用技术[ M] . 北京: 机械工业   出版社. 2 0 0 5 .   [ 4 ] 苏昆哲 ? 何 华. 深入 浅出西门子 Wi n C C   V 6 E M] ? 第2 版?  
北京 : 北京 航 空航 天大 学 出版 社 , 2 0 0   1 .  

De s i g n   o f   t h e   Au t o ma t i c   Co n t r o l   S y s t e m  f o r   Ho t   Ai r   S t o v e  
YI   Me i — s he ng. LV  W e i — y a ng  

( S c h o o l   o f   Me c h a ni c a l   En g i n e e r i n g? Un i v e r s i t y   o f   Sc i e nc e   a n d   Te c h n o l o g y   B e i j i n g. Be i j i n g   1 0 0 0 8 3。 Ch i n a )   Abs t r a c t : T hi s   p a s s a g e  d e s c r i be s   t he   de s i g n   a nd   a pp l i c a t i on   of   t h e   a u t o ma t i c   c on t r ol  s ys t e m  o f   t he   h ot   ai r   s t ov e   on   t he   n e w  bl a s t  

f u r n a c e   wh i c h   b e l o n g s   t O   J i a n y u a n   I r o n& S t e e l   Co mp a n y . Th e   s y s t e m  c o n s i s t s   o f   i n d u s t r i a l   c o mp u t e r s   a n d   P LC. P ; e e a u s e   o f   a d o p t i n g  
t h e  a dvi c e   f r o m  t ho s e   wo r k e r s   wh o   wi l l   o pe r a t e   t hi s   c on t r o l   s y s t e m , i t ’ S   c om p l e t e d   wi t h   t he   c h ar a c t e r s   o f   c onv e ni e n t   o pe r at i o n, hi gh   r e l i ab i l i t y, a l s o   h i gh   s a f e t y.  
Ke y   wor d s: h ot   a i   r   s t ov e; au t oma t i c   c ont r ol ; PLC 


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