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
匾 圃 医阐
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
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（ 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