当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

热风炉自动控制系统


摘要
本论文主要叙述中小型高炉炼铁自动化系统结构、功能及主要系统的自动控制的原 理及其实际应用。着重叙述了热风炉的参数控制过程(热风炉检测仪表及控制系统,热 风炉换炉自动控制系统, )和应用。在每一个控制环节中,均用 CAD 绘出各个参数的检 测图,在本论文中以热风炉燃烧控制为例,说明参数控制的原理,在高炉炼铁过程中, 对热风温度、压力和流量要求特别的严格,本论文就是用

WINCC 软件绘制人机界面对高 炉本体的温度和压力进行监控,用 STEP 7 编程软件对 PLC 进行编程,通过 PID 调节来 控制热风流量、温度和压力,以达到工程的要求。在本论文中列出了每一个控制系统接 线图及检测点,本控制系统的特点是:控制系统结构和控制方案都简单,低成本配置和 先进的功能,选用德国西门子 PLC 作为电力传动控制和回路控制,采用工控机作为监控 和过程控制,以利于维护和降低成本。系统的功能包括传统数字显示和对热风炉系统各 参数控制的过程自动化。 关键词:热风炉;自动控制;应用

Abstract
This thesis mainly narrates the middle and small scale blast furnace iron-smelting automated system structure, function and mainly control the principle of the system automatically and it is physically applied. Emphasized to describe a process (hot-blast stove detection instrumentation and control system, the hot-blast stove trades the stove automatic control system) that hot-blast stove parameter control and aplly. In the process of in each control link, with the examination diagram that the CAD draws an each parameter, in this thesis to take the control of the hot-blast stove trades the stove automatic control system as an example, the elucidation parameter control, and to hot-blast stove pressure, temperature and flow specially strict, this thesis be with the software of WINCC draws the man-machine interface to monitoring the hot-blast pressure, temperature and flow carrying on weaving the distance to the PLC with the STEP 7 plait distance software, regulating through a PID adjustment the pressure, temperature and flow of the hot-blast stove to attain the request of the engineering. Listed each control system to connect the line diagram and examinations to order in this thesis, the characteristics of this control system is: the Control system structure and the control projects all simple, low cost install and forerunner of function, choose to be the electric power with the German Siemens PLC to spread to move control and the back track control, adopting the work to control the machine conduct and actions supervision and the process controls, for the convenience of in support and decline low cost. The function of the system includes the traditional numeral manifestation and to the process automation of the discharge and each parameter control of the hot-blast stove. Keywords: Hot-blast stove; automatic control; application

目录

前言
高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备,是一种储热型热交换器。国内大 部分高炉均采用每座高炉带 3 至 4 台热风炉并联轮流送风方式,保证任何瞬时都有一座 热风炉给高炉送风,而每座热风炉都按:燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。 当一座或多座热风炉送风时,另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度 降低后,处于休止状态的热风炉投入送风,原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热 直至温度达到要求后,转入休止状态等待下一次送风。 传统的完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都是具有完善的基础自动化和使用数学 模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量,并对基础自动化的热风炉燃烧自动控制 系统进行有关的设定。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预 热空气的热风炉来说包括:煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制 和废气温度控制。 如图 1 所示, 在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比 (最 好还设有燃烧废气成分分析,按残氧量来修正空燃比) ,以实行快速加热,使拱顶温度 迅速达到规定值,然后逐步增加空气量以保持拱顶温度为规定值,当达到废气温度管理 期,即温度达到某一规定值时,需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。对于 燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说,由于高炉煤气和焦炉煤气分别 送入,需分别设置其流量控制,该流量比例控制和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤 气需要,因此使系统回路更多、更复杂。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧 时热风炉格子砖的蓄热量适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量。 除了数学模型相当复杂外,更需设置自动分析加热煤气的各种成分的分析器,这种仪器 不仅昂贵,还需良好的维护,此外要使数学模型有效,必须依靠完善的基础自动化。因 此,在国内除宝钢以外,很少被采用。 在国外,已经使用人工智能的方式来代替数学模型,如日本川崎钢铁公司就开发了 模糊控制系统取代数学模型。 日本钢铁公司 (新日铁) 也使用专家系统来取代数学模型。 由于上述完善的基础自动化所设的仪表和控制回路较多,特别是要在三座或四座热 风炉都设置,故投资相当大。此外,这种只有基础自动化的系统,在实际操作中还需人 工对热风炉的流量进行设定,而且目前由于耐火材料的进步,耐温增高,热风炉拱顶不 易烧坏,故拱顶没有限温的必要,故这种基础自动化并不适用,许多工厂,包括如鞍钢 10#高炉那样的大型高炉大都使用较简单的系统,即只有煤气总管压力控制、煤气及空 气流量或阀位自动控制,然后人工控制流量或阀位的设定值或开度。由于人工控制难以

在预热煤气和空气温度变化时、 高炉所需鼓风温度和流量变化时、 助燃空气压力变化时、 热风炉蓄热量尚有富裕时,修正热风炉加热的煤气和空气量,因而达不到节能和优化热 风炉操作的目的。我讲对此进行设计。 设计方案:高炉热风炉系统的基本组成:高炉本体、储矿槽、出铁场、除尘器、热 风炉和辅助系统(煤气清洗、炉顶煤气余压发电(TRT) 、水渣、水处理和制煤粉车间) 等组成. 研究内容:1. 设计高炉热风炉系统各种工艺设备(如:热风炉顺控和换炉操作等) 启动、停止以及过程参数(如:包括高炉本体数百项温度、压力、流量数据,综合鼓风 的风量、风温、富氧量与富氧压力、喷媒量与喷媒压力,上料过程、布料过程的模拟盘、 热风炉转台的转换等)的检测、报警、联锁系统。2.设计、实现 PID 调节回路的连续控 制和逻辑控制功能。3.对各种参数(如:热风炉余热量、冷风温度、送风温度、煤气流 量和冷风流量)进行实时、历史趋势记录,生成班、日、月统计表。 研究目标:1.在上位机实现高炉热风炉系统的自动控制、手动控制及就地显示。2. 系统采用分布 I/O 方式,设计实现高炉热风炉系统操作站与 PLC 高炉热风炉控制系统间 的数据交换和通讯。 为提高生产安全性,要保证基本联锁要求。 高炉热风炉系统过程控制技术主要的作用有:1、节能降耗 2、改善环境 3、提高效 率 因此,高炉热风炉自动控制系统的设计及应用、推广成为高炉热风炉技术发展的主 要方向之一。

1 高炉生产工艺介绍
1.1 概述
1.1.1 高炉生产简述及原理
高炉是用还原剂(焦炭、煤等)在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过 程。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部沿炉 周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅 助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去 铁矿石中的氧,从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石 灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出,经除尘后,作为热风 炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。

1.1.2 高炉操作时的问题
(1)正确的配料并以一定的顺序及时序装入炉内; (2)控制炉料均匀下降; (3)调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触; (4)保持合适的热状态 1234 和归结为要求炉况稳定顺行。只有在炉况稳定顺行的 状态下,才能达到优质,低耗、高产的目的,为保证高炉炉况稳定必须随时掌握炉内各 参数的变化情况,及时予以调整,这就有赖于自动控制技术。

1.1.3 高炉自动化
高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、 电气控制系统和计算机, 即基础自动化、 过程自动化和管理自动化。仪表控制系统和电气控制系统通常由 DCS 或 PLC 来完成。

1.2 高炉炼铁生产工艺流程
现代大型高炉车间生产工艺流程,包括主体和辅助系统,主体系统包括五部分;高 炉本体、储矿槽、出铁场、除尘器、和热风炉。辅助系统则有煤气清洗、炉顶煤气余压 发电(TRT) 、水渣、水处理和制煤粉车间等。其工艺流程如图 1 所示:

提钒 铁 水 原 燃 料 高炉 炉 渣 水淬 铸铁

炼钢

堆存 渣场 碎石 水泥混合材料 铺路,注混凝

煤 气 重力除尘 瓦斯灰 煤气 水洗涤塔 烧结矿配料

煤气用户

含尘废水

瓦斯泥 堆存待用

澄清水 循 环 泵

图 1 高炉工艺流程图

1.3 高炉炼铁主要设备
高炉本体是冶炼生产的主要设备,它是由耐火材料砌筑的竖式圆筒型炉体,最外层 是由钢板材料制成的炉壳,在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。 要完成高炉炼铁生产,除高炉本体外,还必须其它附属系统的配合,它们是: (1)供料系统:包括贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分等一系列设备,主要任务是及 时、准确、稳定的将合格原料送入高炉。 (2)送风系统:包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等,主要任务是连续可 靠的供给高炉冶炼所需热风。 (3)煤气除尘系统:包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等, 主要任务是回收高炉煤气,使其含尘量降至 10mg/m3 以下,以满足用户对煤气质量的要 求。

(4)渣铁处理系统:包括出铁场、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及 水冲渣设备等,主要任务是及时处理高炉排放出的渣、铁,保证高炉生产正常化进行。 (5)喷吹燃料系统:包括原料的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等系 统,主要任务是均匀稳定的向高炉喷吹大量煤粉,以煤代焦,降低焦炭消耗。

2 热风炉控制系统
2.1 高炉操作的计算机控制
2.1.1 计算机控制系统的配置
高炉计算机控制的范围日益扩大,采用多台计算机使功能分散但又能集中操作,即 所谓集中分散系统,是当前计算机配置的主流。主要配置形式有两种: 多级系统一般采用两级计算机系统,即由过程计算机和局部控制系统组成。局部控 制级由控制微机或可编程控制器(PLC)及检测元件、变送器等装置组成,担负大量数据 的采集和有效处理,完成各子系统的局部控制。过程计算机则担负数模计算,并与原料 和炼钢联系,建立大容量数据库,集中显示,监视局部控制及操作,完成对高炉的总体 控制。宝钢 1 号高炉即为此类计算机系统配置。 分布系统不设过程计算机而将其功能分散到各个以微机为中心的局部网络站(DPV) 或集散系统(II3C)中,还取消了专用通讯指挥器,把指挥和控制通讯功能分散到各站。 台湾钢铁公司 3 号高炉采用这种计算机系统,称为 WBt'F 系统。

2.1.2 计算机控制的职能
高炉计算机控制的职能如下: (1)原料准备及运输:的原料场堆、取料机控制监视其工作状态和位置,计算收、支库 存量及打印清单等。 1) 矿槽控制矿槽贮料分配及槽存情况,水分测量,物料称量及补正,配料计算及 高炉装料控制等。 原料来自原料场至矿槽以及装人炉内的料批等全线跟踪。 3) 炉顶装料控制炉顶均压系统及装料程序的控制,装料制度选择及料面高度测量。 4) 原料和装料情况显示及报表打印。 (2)高炉操作控制: 1) 高炉操作数据的采集、处理、贮存与显示,高炉生产报表打印。 2) 送风系统控制,即风温、湿分、风量控制。 3) 喷吹系统控制,即喷吹量控制及喷吹系统运行控制。 4) 出铁控制,即出铁量控制、渣铁温度测量,出铁场除尘控制, 5) 高炉过程(热状态、气流分布、铁水成分等)控制,及炉况诊断。

6) 高炉冶炼技术指标计算,各冶炼模型计算。 (3)热风炉控制: 1) 换炉程序控制; 2) 热风沪工作方式控制,即热风炉组循坏送风或并联送风控制,倒流休凤; 3) 热风炉燃烧控制; 4) 热凤炉燃烧及传热模型计算。 (4)高炉煤气系统控制: 1) 炉顶压力控制与调整; 2) 余压发电控制; 3) 煤气清洗控制,即洗涤塔喷水及水位控制; 4) 炉顶煤气成分分析。 (5)高炉冷却水系统控制: 1) 一次新水控制; 2) 二次循环水控制; 3) 换热器工作控制。 (6)高炉设备工作监测,即冷却系统漏水检测、报警等。

2.1.3 计算机的特点和控制方法
高炉过程极为复杂,它不仅是气、固、液三相闻的传热、传质、动量传递和复杂的 化学反应过程的逆流反应器,而且是最大规模的生产设备,输人输出量都极大,很难控 制其输入条件恒定不变。此外,各种因索的变化影响具有很长的延迟特性,更增加了控 制的难度。把高炉作为恒稳态对象来控制并不成功,采用功态控制和动态模型是当前的 主要方向。 控制高炉的输人变量,减少各种千扰因素造成的影响是控制的主要任务。一般采用两种 方法控制高炉:一是前馈控制,消除输入参数的干扰,如称量补正、水分补正、风温、温 度和风量的控制等;二是反馈控制, 根据产品结果对预想不到的因素或前馈控制不住的因 素变化进行反馈控制。

2.2 热风炉系统设备组成
本高炉配有四座顶燃式热风炉。热风炉系统包括 4 座热风炉、2 台助燃风机和 1 座 液压站组成。每座热风炉安装了 11 台阀门,分别是:冷风阀(LFF)、热风阀(RFF)、冷

风充压阀(LCF)、冷风调节阀(LTF)等。燃烧系统阀门有:废气阀(FQF)、烟道阀(YDF)、 助燃空气燃烧阀(ZQF)、助燃空气调节阀(ZTF) 、高炉煤气燃烧阀(RSF)、高炉煤气切断 阀(MQF)、高炉煤气调节阀(MTF)等。另外还有 3 台公共辅助阀门,分别是热风炉倒流休 风放散阀、混风切断阀、混风调节阀。
煤气管 废气管 高炉煤气 切断阀 1 M 高炉煤气 调节阀 1 助燃空气 燃烧阀 1 废气阀 助燃空气 M 调节阀 1 冷风调节阀 冷风充压阀 M 冷风阀

助燃空气
烟道阀

热 风
冷风总管 高炉煤气燃 烧阀 1


热风阀

高炉煤气燃 烧阀 2

助燃空气 调节阀 2 助燃空气 燃烧阀 2

M

高炉煤气 调节阀 2 M 高炉煤气 切断阀 2

助燃空气管 热风管 煤气管

图 2 热风炉系统结构图

2.3 热风炉的作用
本高炉配有四座顶燃式热风炉,主要负责燃烧、蓄热、给冷风加热,并将热风送进 高炉。即热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度,他是按“蓄热”原理工作的热交换 器。在燃烧室里燃烧煤气,高温废气通过格子砖并使之蓄热,当格子砖充分加热后,热 风炉就可以改为送风,此时有关燃烧各阀关闭,送风各阀打开,冷风经格子砖而备加热 并送出。高炉一般装有 3~4 座热风炉,在“单炉送风”时,两或三座在加热,一座在 送风,轮流更换,在“并联送风”时,两座在加热两座在送风。

2.4 热风炉控制功能
本系统根据工艺要求,对热风炉本体及附属系统(如送风系统,高炉煤气系统、冷 风系统、预热系统、热风阀冷却系统等)的有关热工参数进行显示。并对有关参数进行 趋势记录,对煤气流量和冷风流量进行计算,同时提供必要的电气联锁信号。 热风炉由耐火材料砌筑而成,可承受极高的温度及温度变化,在热风炉燃烧期,高

炉煤气和助燃空气在燃烧室内燃烧。燃烧废气通过烘顶后进入蓄热室格子砖,热量传递 给格子砖,单烘顶温度荷废气温度达到规定值后燃烧期停止,废气由烟囱排出大气。热 风炉准备向高炉提供热风。即进入送风期。 在送风期,冷风以相反的方向吹入格子砖。空气被加热,离开热风炉成为热风,热 风经热风支管、主管、围管进入高炉。由于一个热风炉的作用是间断的热交换,而高炉 需要提供连续的热风,所以三或座热风炉是必要的。 热风炉的控制功能可分为以下三个主要部分: ----热风炉燃烧 ----热风炉顺控和换炉 ----热风炉本体和热风公共部分 热风炉燃烧由控制系统程序控制,它完成热风炉荷热过程的调节控制和设计值计算 即监视控制等。 热风炉顺控和换炉操作:由来自控制系统的热风炉换炉逻辑中的顺序开始指令执 行,液压和电动阀门按要求的位置顺序动作,具有用于操作者的状态指示和报警。 用于全部高炉操作的热风和热风炉公共部分是必要的,也由控制和控制系统。所有 4 座 热风炉公共部分的项目均包含在此设备组中。

2.5 热风炉自动控制系统及其控制方案
2.5.1 热风炉工艺流程及工艺控制要求
1.热风炉工艺流程 热风炉主要任务,是将由冷风总管送来的冷风经热风炉送风系统阀门送至热风炉加 热后,再送到高炉 2.热风炉的工作状态 热风炉主要有三种工作状态:即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。 (1) 热风炉燃烧状态 热风炉处于燃烧状态时,通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤 气和助燃空气,高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热;热风炉处于燃烧状 态时,其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均 处于开启状态,其它各阀(切断阀)均处于关闭状态。 (2) 热风炉送风状态 热风炉处于送风状态时,向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风,冷风经热风 炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时,其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于 开启状态,其它各阀(切断阀)均处于关闭状态。 (3) 热风炉闷炉状态 热风炉处于闷炉状态时,为保持温度,热风炉所有的阀门均处于关闭状态。 3.热风炉工作状态的转换

热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。 在热风炉的操作过程中 最基本的工作过程是换炉。换炉时,应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风,并应 尽量使进入高炉的风量、风压波动很小,还要注意煤气安全。 热风炉工作状态改变周期顺序如下:
燃烧 休止 送风 休止

图 3 热风炉工作状态改变周期图

2.5.2 高炉热风炉仪表控制要求
1.高炉热风炉仪表控制的主要功能 (1) 助燃空气总管压力检测和控制 本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的 吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。 (2) 净煤气总管温度检测、压力检测和控制 (3) 热风炉燃烧控制 高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。燃烧控制得好坏将直接影响热 风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。 (4) 热风炉混风温度控制 热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。在基本工作制 时,靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送, 故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。 (5)冷风温度和富氧自动控制、送风湿度控制。 2.高炉热风炉仪表控制的主要参数 高炉热风炉控制系统主要参数有:拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支 管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、 净煤气总管压力和净煤气总管流量。

2.5.3 热风炉燃烧过程控制
1.热风炉的燃烧过程及控制 热风炉燃烧控制主要包括拱顶温度控制、废气温度控制、空燃比控制、废气中含氧 量分析。热风炉燃烧所用的燃料为焦炉煤气(COG)和高炉煤气(BFG),两种燃料进 入热风炉燃烧室后,在燃烧混合器内进行混合,再与助燃空气一起通过陶瓷烧嘴进行燃 烧。热风炉的燃烧时间约为 110min 左右。燃烧时,炉体温度达 1050 度左右,拱顶温度 最高不得超过 1350 度。热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的 比值(空燃比)来实现。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和 预热空气的热风炉来说,包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控 制和废气温度控制。 热风炉的燃烧过程如图所示,它分为加热期和蓄热期。在加热期内,在限定燃烧时 间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以 使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内,除了 保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限(图 2-3 中 350℃),否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废 气温度降低,目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题,而煤气量的减少会导致 拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量,同时保持废气温度在规定 界限内是热风炉控制急需解决的问题。

拱顶温度 助燃空气量

煤气流量

350℃ 280℃ 烟气温度 燃烧期 蓄热期 t

图 4 热风炉燃烧过程原理图

下面分别介绍几种具有代表性的热风炉燃烧控制系统。 1) 三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制(图 5) 。燃烧控制以拱顶温度为目标值来控 制 COG 量,以废气温度为目标值来控制 BFG 量。

图 5 配三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制

COG/BFG 之间的比率和两种煤气与助燃空气的比率可由计算机根据数学模型演算的结果 来设定,当计算机故障或停运时,可由手动设定器来进行人工设定。燃烧控制以 BFG 流 量为主导, 根据燃烧模型计算热风炉蓄热室的蓄热量, 推算出 BGF 流量调节器的设定值, 再从其中减去温度调节器额输出后,作为最终设定值。 COG 量 I01 的 设定值可由下式求出; I01=n1I1- α 式中; n1---COG/BFG 比率;

I1---BFG 流量信号; α---拱顶温度调节器的输出信号。 助燃空气流量 ICE 应为燃烧 COG 和 BFG 所需助燃空气量之和。燃烧 BFG 所需空气 量 I02 为; I02=n2I1 式中; n2---燃烧 BFG 的空燃比; I1---BFG 流量信号; I02---比率设定器的输出信号 燃烧 COG 和 BFG 之和所需的空气量为; I03=n3I2+ I02 式中; n3---燃烧 COG 的空燃比; I1---COG 流量信号; I03---空气流量的设定信号 由于空气流量的设定值要根据 COG 和 BFG 的流量来确定,在燃烧初期建立空气流量 时只有煤气量先行,煤气量先行会冒黑烟,为了不因煤气先行冒黑烟,在系统中设置空 气流量初期开度设定器。 2) 配两孔燃烧器的热风炉燃烧控制(图 6) 。燃烧初期,煤气和空气流量按比率设 定器所设定的空燃比进行燃烧; I01=n1I1 + α 式中; n1---空燃比; I1---煤气流量信号; I01---空气控制器的设定信号 α---拱顶温度控制器的输出信号。

图 6 配两孔燃烧器的热风炉燃烧控制

当拱顶温度升至设定值时α值增加,随之 I01 也增加,即加大空气流量来使拱顶温度保 持一定值。 燃烧初期,利用温度偏差监视器开关信号将调节器置于手动状态,从燃烧初期过渡 到蓄热期时,拱顶温度进入偏差监视器的设定值时(设定值规定在拱顶温度调节器的设 定值下面一点) ,监视器的接点断开设定器使拱顶温度调节器由手动转为自动。 当燃烧进入蓄热饱和区时,即废气温度升至监视器的设定值,其接点将废气温度调 节器由手动转为自动。由于调节器的反作用,其输出随废气温度的上升而减小,当达到 设定值后就开始减小煤气量,随之空气流量亦自动按比例减小。 2.热风炉燃烧控制系统方框图 热风炉燃烧控制系统方框图所示,在燃烧初期,为了保证空气先行而不冒黑烟,需 给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始,就 有大量的煤气流量产生,所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单 元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单 元,同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速 上升,当检测拱顶温度上升到接近要求温度时,将空燃比模糊设定单元置成自动,检测 到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比, 从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内,空气流量设定值与检测到的空 气流量实际值进行比较,从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后,将废气温 度模糊调节单元置为自动,通过低选单元获得煤气流量给定值,与检测到的煤气流量进 行比较,从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见,保证 通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期 内,控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内,在蓄热期内,控制的主要目标变为 废气温度, 通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在 350℃内, 当废气温度达到 350℃ 时,发出燃烧完闷炉信号,热风炉转闷炉状态。

废气温度调 节单元

煤气流量 设定单元

空燃比 设定单元

低选单元

运算单元

煤 气 流 量调 节 单元 废气温度 检测 煤气初期开度 设定单元

空气流量调节 单元

拱顶温度 检测

空气初期开 度设定单

煤 气 流 量 煤气流量 检测 调节阀

空气流量 空气流量 检测 调节阀

图 7 热风炉燃烧控制系统框图

3.燃烧控制器设计 根据热风炉在加热期控制的主要目标是拱顶温度以及在蓄热期控制的主要目标是 废气温度,本论文设计的控制器包括两个部分:根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器 和根据废气温度调节的废气温度控制器。在加热期使用拱顶温度控制器,当烟道废气温 度达到 280℃时,废气温度控制器投入自动。 (1) 最佳空燃比控制器 最佳空燃比控制器为 PID 控制器,输入量为拱顶温度,输出量为最佳空燃比。 (2) 废气温度控制器 废气温度控制器为 PID 控制器,输入量为废气温度,输出量为煤气流量。

2.5.4 混风温度控制方案
1.混风温度控制要求 (1)混风温度控制的目的 为保证高炉的稳定工作,要求: 送风温度保持在 1000℃,不能出现大的波动,如图 2-5 所示。 开始送风时风温较高,将控制回路置为手动,预置一个较大地开度,送入较多的冷 风。风温达到可以使用 PID 调节时,转换为自动,进行 PID 调节。

图 8 温度控制要求

2.混风温度控制系统的主要参数 (1) 热风炉风温对象传递函数:
G p ( s) = 1 e ?τs 1 + Ts

(2) 要求控制风温:1000℃左右可设定 (3) 要求控制风温在±10C° (4) 新炉送风时,相当产生 t=20C°的扰动。 3.混风温度控制策略 高炉热风炉混风温度控制系统工艺情况如图 2-6 所示 ,为单炉送风即每次一座热 风炉送风,经过一段时间后,热风温度下降,第二座热风炉送风,第一座热风炉转燃烧, 如此循环下去保证热风不间断。
HC ZI 2008 2008-

M

SEG TIC

1HS

2HS

3HS

4HS

2008

SEQ 高炉

图 9 热风炉温度控制系统工

1HS-4HS -1-4 号热风炉,SEQ 顺序控制程序,ZI-阀位指示, M-电动调节阀 HC-手 动控制输出, TIC-温度 PID 控制 送风温度控制通过调节混风阀的开度来控制往热风中送入的冷风, 来控制送风温度。 为安全起见,在送风管道上安装有两只热电偶,选择其中之一作为测量值。送风温度控 制设计为 PID 控制回路,以确保较高精度的控制。 为了补偿新的炉送风时风温较高,可在新炉送风时,将控制回路置为手动,预置一 个较大地开度,送入较多的冷风,然后设置为自动进行自动调节。 4.混风温度控制的实现 根据控制需要,将 PID 功能块与逻辑控制相结合,可适应各种控制回路。所以利用 SFC 很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式。 图 2-7 显示了热风炉混风温度控制系统顺序控制的工作流程: 各个热风炉的状态转换由电气换炉控制系统控制,当送风管道里面混风后的风温低 于要求温度的时候,对各个热风炉的工作状态进行切换,将新的热风炉转为送风状态, 原送风炉转为燃烧状态。

开始 开始

混风全自动?

有新炉送风?

PID 调节置手动

PID 回路手动?

置初始开度

置 PID 回路自动

退出?

结束

图 10 热风炉混风温度控制系统的工作流程

5.热风温度自动控制图 从鼓风机来的风温大约 150~200℃,经过热风炉的风温可高于 1300℃,而高炉所 需的热风温度约为 1000~1250℃,且需温度稳定。单炉送风时,其温度控制根据混风调 节阀配置而异,有两种方式,一种是控制公用的混风调节阀位置,改变混入的冷风量以 保持所需的热风温度,系统还设有高值选择器和手动设定器,以避免在换炉时出现过高 的风温,预先打开混风调节阀;另一种是控制每座热风炉的混风调节阀,用一台风温控 制器切换工作,不送风的热风炉,其混风调节阀的开度由手动设定器设定。并联送风有 两种方式,即热并联和冷并联。一般先送风的炉子输出风温较低,而后送风的炉子输出 风温较高,故热并联时调节两个炉子的冷风调节阀以改变两个炉子的输出热风量的比例 即可维持规定的风温(图 3)在冷并联时,两个炉子的冷风调节阀全开,和单炉送风类 似控制混风管道的混风调节阀阀开度改变混入冷风量以保持风温稳定。

图 11 热风温度自动控制系统 (a)带公共混风阀的单炉送风;(b)每个热风炉带混风阀的单炉送风;(c)热并联送风。

2.5.5 冷风温度和富氧自动控制
两者均是串级控制系统。即各自有一个流量自动控制回路,而其定值则由总风量经 过比率设定器来设定,即喷入蒸汽量和氧量与风量成比例。对于湿度,冷风管道还装有 氯化锂温度计和湿度控制器 MIC 相连。单湿度偏离规定值时则修正蒸汽控制系统以保持 鼓风中温度恒定。

图 12 冷风温度和富氧自动控制

2.5.6 送风湿度控制 湿度控制的仪表流程如图 4 所示。湿度检测装置包括氯化锂及其恒温箱,气样处理 系统以及绝对湿度变换器等。 变换器的输入信号为探头的阻值变化, 输出信号为 4~20mA 直流电流或 1~5V 直流电压。

图 13 送风湿度控制系统

控制系统一般为串级配比方式,副回路为冷风流量与调湿蒸汽流量配比,主回路为加湿 后的送风湿度,湿度的量程为 5~40g/m3。冷风流量(包括扣除富氧部分)信号 IB 经阻 尼器后在比例设定器 RB 中进行如下运算后输出信号 IS 作为蒸汽流量调节器的外设定 值: IS=nIB+α+β 式中 IB——风量信号; n——比值系数; α——湿度调节器的输出信号(RB 的外偏置) ; β——RB 的内偏置 系数 n 可在 0.1~1.0 的范围内变更,而 可在-100%~0~+100%内设定。由于系统处

于平衡时湿度调节器的输出为 50%(12 mA) ,此时为了使 IS 和 IB 配比不受α的影响, 故需将 设定为-50%。由于湿度调节回路的时间常数大,为防止调节器输出出现积分饱 和,调节器最好带抗积分饱和功能。 除湿度调节以外,还可根据送风流量,蒸汽流量及大气湿度(或冷风脱湿湿度)来 自动算出湿度的计算值,并与湿度计的实测值相比较,如差值过大则发出报警信号。

三 系统的基本配置
3.1 高炉炼铁的基础自动化
为实现炼铁生产工艺的自动化目标,人们不断推进着炼铁过程的基础自动化和计 算机的应用。在组成炼铁工艺流程的各控制子工序中,已经实现基础自动化的工序有: (1)槽下配料系统的称量与配料过程的计算机自动化控制; (2)卷扬上料系统的上料、布料过程的计算机自动化控制; (3)喷吹媒粉的计算机自动化控制; (4)热风炉燃烧过程与送风的计算机自动化控制; (5)炉前出铁作业的机械化、自动化; (6) 高炉值班室用 PLC 或 DCS 计算机系统取代高炉仪表, 实现工艺参数的集中监 控。 在传统炼铁工艺中,工长是通过几十块高炉仪表来监控炼铁过程的。它包括高炉本 体数百项温度、压力、流量数据的监测,综合鼓风的风量、风温、富氧量与富氧压力、 喷媒量与喷媒压力的参数的检测控制以及上料过程、布料过程的模拟盘等,高炉值班室 应用计算机取代高炉仪表后,实现了高炉本体参数、槽下配料称量系统、卷扬上料布料 系统、热风炉系统以及喷媒系统的工艺参数集中监控。多台 PC 机集中显示各种监控画 面、趋势图与模拟图的应用,使计算机比仪表能够更直接、更形象、更可靠的反映了高 炉过程的动态变化特征。

3.2 高炉自动化控制范围
高炉自动化控制范围分以下两个部分: (1)PLC1 系统:包括槽下 PLC (2)PLC2 系统:包括本体 PLC (3)PLC3 系统:热风 PLC 及除尘 PLC 说明: 槽下 PLC:控制槽下设备及炉顶设备。 本体 PLC:高炉本体仪控设备及相关设备。 热风 PLC:热风系统设备,主要为仪控设备及阀门等。

除尘 PLC:干法除尘设备,各箱体阀门及仪表检测控制设备

3.3 高炉自动化控制的主要功能
高炉电气传动及自动化控制系统主要完成各种工艺设备启动停止以及过程参数的 检测、报警、联锁、PID 调节回路的连续控制和逻辑控制,并对各种参数进行实时、历 史趋势记录,生成班、日、月统计报表。 3.4 高炉自动化系统基本配置 高炉自动化系统采用分布 I/O 方式, 实现 PLC 与扩展机架、 远程站之间的数据通讯, 工业 Ethernet 网实现 PLC 相互之间,PLC 与计算机操作站(OS 系统)之间的数据交换 和通讯。 高炉自动化系统组成包括(一座高炉) : 4 套 PLC: 1PLC-槽下及炉顶 PLC 系统; 2PLC-本体 PLC 系统; 3PLC-热风炉 PLC 系统; 4PLC-布袋除尘 PLC 系统。 5#、6#高炉采用一套 PLC 系统完成槽上供料系统及供料除尘的控制和信号的采集。 6 套上位机和一个工程师站: OS1、OS2-槽下及卷扬和炉顶操作站、 OS3、OS4-高炉本体操作站预留工程师站接口、 OS5、OS6-高炉热布操作站、 OS7-工程师站。

3.5 配置方案
(1)高炉自动化硬件基本配置: 高炉自动化系统 PLC 分别采用西门子公司 S7 系列产品,CPU 选用 6ES7—400 系列, I/O 模板采用 24V 配电模板。 所有上位机操作站均采用研华工业控制计算机,工控机具体配置 P4/2.0G/512M/80G/52XCD/1.44M,显示器为 22"CRT 显示器。

上位机操作站、工程师站操作系统均采用微软公司的 Windows2000 操作系统;自动 化编程,过程控制软件采用 STEP7 (2)高炉电气传动基本配置: 高炉电气传动系统中主卷扬采用施奈德公司 ATV71 系列产品; 布料器倾动采用 ATV-58HU90N4 变频器、溜槽旋转电机采用施奈德公司 ATV-58HD16N4 变频器; 探尺选用西门子公司 6RA70 系列产品; 低压电器元件采用施耐德系列产品; PLC 隔离继电器采用 OMROM 产品; 自动化系统配置的 UPS 电源,采用山特 UPS 电源; 其他元件选用国内外较高质量产品; 5.3;前端开发软件采用 WINCC6.0。

3.6 网络组成
(1)Ethernet 网络,Ethernet 网络是工厂级智能自动化相互通讯的解决方案。主 要实现各个 PLC 相互之间,PLC 与计算机操作站(OS 系统) 、工程师站之间的数据交换 和通讯,另外提供通讯接口,以便和公司 ERP 系统连接,实现公司级的自动化管理。 (2)PROFIBUS-DP 网络,PROFIBUS 网络是现场设备之间通讯的经济的解决方案。 主要实现 PLC 与远程 ET200M 站之间的数据通讯,这样即保证了系统运行的可靠性,又 可以节省大量的控制电缆,为用户节省投资。

3.7 高炉专用检测仪表
由于高炉是密闭机组, 故监测仪表是至关重要的。 高炉检测仪表和传感器大致分为; (1)检测高炉排出的气体成分、温度、压力等的常规传感器, (2)检测炉顶处装入原 料的分布、温度、压力和气体的成分等传感器; (3)检测炉喉处的原料、气体的流动、 温度、压力、成分等传感器; (4)检测炉腹---风口部位的焦炭、熔融物、气体的流动、 温度、压力、成分等传感器; (5)检测渣、铁温度和成分的传感器。 现在的高炉作业与以前大不一样,它需要在维持炼铁厂煤气平衡的基础上以总成本 最低为标准,第一,必须迅速适应炼铁厂整体煤气的平衡;第二,要大量应用廉价原料;

第三,要减轻炼钢过程的负担而需生产低硅生铁;因此,对今后高炉仪表和传感器的要 求不可缺少的是要迅速测出高炉内的动态状态,得到准确的信息以便进行高效率的多方 面的分析与评价。但是现在的仪表和传感器要直接得到信息还有很大距离,许多检测还 未解决。故仪表和传感器今后的工作是; (1)提高现有传感器信息的质量,包括提高信 息的可靠性和提高信息的获取次数; (2)为了有效利用仪表和传感器,要强化支持机构 (维护部门)(3)开发新的传感器,特别是测量炉子内部的传感器。 ; 高炉常用的监测仪表及其作用如下: (1)热风压力计 热风压力与炉料透气性、风量、喷吹物量、炉缸积存渣铁量、炉缸工作状况等有关, 反映顺行程度和炉缸热制度的变化。炉况正常时,热风压力曲线稳定,波动微小,并与 风量相对应;炉温向热时,风压升高,风量减少;向凉时则相反。气流失常,炉况不顺时, 风压剧烈波动。 (2)风量计 一定的冶炼条件有其适宜的风量,并与风压相匹配。影响风压的因素也影响风量。 情况正常时,风量与风压的波动都微小;不正常时则此消彼长。 (3)护顶压力计 常压高炉炉顶煤气压力曲线有一平稳基线。若基线值升高,表示护内边缘或中心气 流过分发展,或产生管道,后者压力值升高尤大。若基线值偏低,表示炉内透气性变坏。 崩料时基线波动剧烈;悬料时基线值降低甚至趋近于零。 将炉顶压力与风压两相对照, 更 能判明问题。高炉高压操作时,炉顶压力值对判断炉况的作用减少。 炉顶压力计还可反映能煤气及清洗系统的工作情况。 (4)炉身静压力计 在高炉不同高度测量炉身静压力,可以较早得知炉况变化,并能较准确判断局部管 道和悬料位置,以便及时采取措施。现代高炉一般在 3~5 个水平面上装设 2~4 个取压 口以测量炉身静压力,为推断软熔带位置也可在高炉上设置多层取压平面。炉身静压力 检测主要困难在于取压口不可靠,因为该处不仅高温,多粉尘,且易结焦堵塞,进来较 成功的是采用连续吹扫取压口。 它利用炉内压力 p 等于恒流阀后取压口处压力 p1 减去取 压口至炉内的压力损失Δp(Δp 的测量方法,可用吹气时测得的 p1 值减去关闭吹气时 测得的 p1 值即可,用指示针指示仪时可以按此拨零位) ,测量 p1 就可以求出炉内压力 p, 但Δp 将与流过吹扫氮气流速的平方成比例,故首先必须使吹扫氮气流量恒定而需设置 恒流阀,这个恒流阀是一个自力式流量调节器,流量可任意在 30~300L/min 范围内设

定,进气压力应为 0.5~0.7Mpa。一般氮气流量可在 200~300L/min 范围内选取,过小, 取压口易于堵塞,过大,测量误差大。 炉身静压力计分层安装在炉身各方位,成为一套静压力计组,可反映炉内各方位不 同高度的煤气压力变化。当某处压力升高而风压尚无变化时,说明该处上部炉料透气性 变坏;若风压也升高,说明该处上、下的透气性都变坏。较之单凭风压计不仅能提前发现 透气性变化引起的护缸变化,而且能推测方位和程度。静压力计管道堵塞时将产生压力 降低假象。 此外还有压差计(热风压力与炉顶压力之差),上下部压差计(下部静压力与上部静压 力相连为上部压差,热风压力与下部静压力相连为下部压差),透气性指数计等,都是 将有关单项监测予以综合的指示仪表。 (5)料线检测 现代高炉均装有 2~5 根探尺,装料时由卷扬机把它提起,检测时下放或随料面自 然下降,探尺的位移信号经自整角机发送器带动控制室内的自整角机接受器,后者带动 记录仪表指针进行记录,或带脉冲发生器,送 DCS 进行检测。此外,还设有另一套自整 角机观测下料速度。由于自整角机接受器有跟随误差,为此进来采用 S/D 变换方式,即 直接把自整角机转角(料线值)变换成数字量,指示料线值,经时间处理后还可输出下 料速度值,这种仪表还没有最高最低料线等报警功能。 (6)炉顶温度计 测示上升管中的煤气温度。从各个上升管煤气温度的差别可判断炉内气流的分布, 从温度变化可判断煤气利用的好坏。煤气分布均匀,利用程度好,则炉顶温差小,形成 一定宽窄的温度带。 边缘气流过分发展时温度带变宽, 中心气流过分发展时温度带变窄。 低料线时炉顶温度升高,管道行程时各七升管温差增大,且管道方位的温度特高。悬料 时护顶温度升高。 (7)炉喉温度计 炉况正常时, 炉喉各点温度相近且稳定;边缘煤气发展则温度升高, 巾心气流发展则 相反。炉料分布不均、偏行、管道行程或结瘤时,炉喉四周各点温度差增大,温度高的 方向气流较强。 (8)炉身温度计 指示炉身四周各层的温度,反映周向的气流分布,还可据此推测炉衬浸蚀或结厚、 结瘤等情况。 炉身及炉腹采用冷却壁的高炉,可在不同方位各层冷却壁上设测温元件, 其温度指示的作用与炉身温度计同,并反映冷却壁工作情况。

(9)炉喉煤气成分测定 炉喉煤气成分测定一是定时取各半径上几个点(常为五点)的煤气样,分析一氧化碳: 含量,分别按所在半径上的位置描成曲线,煤气通过较多处的 ca z 含量低,煤气通过较 少处的含炭量高,比较各曲线可以判断气流分布情况。二是指料面上混合煤气的一氧化 碳:和氢气含量。煤气利用好、燃料比低的炉顶煤气中 CUE 含量多,煤气发热值低。冷 却器件损坏向炉内漏水时,煤气中 Hz 量明显增多。 (10) 风口前端温度测量 高炉炉缸热状态难以直接测量,故利用嵌入高炉风口前端上部沟槽里的镍铬-镍硅 铠装热电偶测量风口附前端近的热状态,根据这风口水箱前端温度 X,按下列统计回归 公式,求出对应的风口区域温度 Y。 Y=608.5+6.97X

3.8 热风炉系统仪表检测和控制系统的配备
本高炉热风炉自动化设计包括拱顶温度、炉身温度、煤气和空气预热前后的温度、 压力;煤气和空气的流量检测;冷风压力、流量、温度检测等主要参数,并有煤气、空 气燃烧控制、空气预热量温度控制、风温控制、空气总管压力和煤气总管压力控制等 18 套自动调节系统。 流量检测元件及执行机构对整个控制系统尤为重要,针对双预热系统中温度高、管 道口径大且有耐火砖内衬的特点,高温空气流量的检测引进了美国泰克公司生产的矢量 流量计。该流量计利用矢量和的原理将探头的各方向力折算成水平方向来计算流量,并 配有温度补正。助燃空气用调节阀选用了无锡工装生产的 6000J 电动高温蝶阀,工作温 度为 650℃、工作压力为 0.6Mpa、管径为 ф1400m。这种阀门在阀板之间采用平面接触, 引进了日本先进的密封技术,因而使其达到了良好的密封效果。执行机构为大连引进的 西门子电动执行器并智智能手操,操作调整都十分方便,所有变送器均选用智能化变送 器,常规仪表均为国内配套。 (1)油温检测: 拱顶温度、热风温度、冷风温度、助燃风温度、煤气湿度显示与记录。废气温度 显示、记录与报警。 (2)压力与差压检测: 热风、煤气、冷却水压力显示与报警;

冷风压力显示与报警,当冷风压力低于设定值时,发出报警信号,提示有关工作人 员立即关闭正在送风的热风炉的热风阀和冷风阀。 预热器前后助燃风、预热器前后烟气压力检测并在系统内部做助燃风、烟气差压显 示。 冷风阀前后差压检测,当差压值小于 20Kpa 时,发出开冷风阀连锁信号。 烟道阀差压检测:当差压值小于 20Kpa 时,发出开烟道阀连锁信号。 (3)流量检测: 冷风、助燃风、煤气、冷却水流量显示与记录。 工艺参数: 压力检测点共计 压差检测点共计 流量检测点共计 阀位检测点共计 温度检测点共计 热电阻 PT100 热电偶 K 型 热电偶 S 型 7点 6点 4点 18 点 12 点 5点 4点 3点

3.9 高炉自动化仪表的选型
(1)常规模拟仪表 在高炉上用的模拟仪表,多采用以集成电路为基础的电动单元组合仪表。系统各设备间 的联络信号为国家统一标准的 4~20mA 直流电流或 1~5V 直流电压信号。 差压、压力便送器均为二线制,即变送器的电源与信号共用两根导线。近年来这类 变送器的技术发展很快,目前普遍采用的有电容式、振弦式及扩散硅式等。其精度在一 定范围为 0.2~0.25 级,由于这些型式的变送器内除了可动部件,其稳定性和精度都比 杠杆力平衡式有所提高。 用于高炉控制的调节器多为具有特殊功能的, 主要有外部自动/手动切换型和积分反 馈输出限幅抗积分饱和型,这些功能适用于间歇过程。 测量流量的装置有孔板、喷嘴(热风炉燃烧用 BFG、COG 总管用) ,椭圆齿轮流量 计(重油用) ,孔板分流式转子流量计(现场指示的水流量用) ,电磁流量计或旋涡流量

计(风口冷却水用) 。 测量热风炉燃烧废气含氧量用氧化锆式氧分析仪。 高炉煤气成分分析,采用两种类型的气体分析仪;一种是红外线式,另一种为气体 色谱仪。前者用于分析炉身探针取出煤气中的 CO、CO2 含量,而后者用于分析炉顶煤 气的 CO、CO2、H2 及 N2 的含量。 执行器主要是油压和气动的, 驱动蝶阀的均为油压式, 除蝶阀外为气动薄膜调节阀。 (2) 数字仪表 目前国内外在高炉上采用数字仪表,比较成熟的有日本横河的 CENTUNM 系统。宝钢 1 号高炉用于四套 CENTUNM 系统,其中一套用于风口破损监测报警,两套用于喷吹重 油的控制,一套用于高炉各部及热风炉的铁皮温度巡回监视。

3.10 系统软件的组成和功能
系统软件主要由 STEP 7 V5.1 和 WinCC6.0 组成: (1) STEP 7 编程软件 针对德国 Siemens 公司的 S7-400 系列的可编程控制器,由 STEP 7 编程软件进行编 程完成以下功能: 建立燃烧 PID 控制器实现煤气流量和助燃风量的闭环控制。通过对煤气管道的调节 阀开度进行调节,使煤气流量与 PID 调节器设定值保持一致;通过调整助燃风量调节阀 的开度,使空燃比与设定值保持一致。 热风炉各种状态的自动切换。通过检测热风炉各阀门的开关反馈情况进行判断,采 取必要的控制方式。 采集现场信号。实时采集压力、温度、流量、限位状态等信号,控制阀门开/关及 报警等。 (2) WinCC 组态软件监控 WinCC 组态软件监控的主要功能: 通过加载相应驱动程序进行动态数据嵌入,把现场的数据读入进来,进行显示、存 储以及报表打印等功能; 设定最佳煤气流量和空燃比,通过 WinCC 设计的调节器上设置相应的 PID 参数及换 炉方式等数据并下传 PLC; 设定换炉方式,可以根据高炉的不同工况,修改热风炉换炉控制自动/手动方。

四 PLC 配置及 S7 简述
4.1 PLC 配置及功能
高炉自动化系统 PLC 分别采用西门子公司 S7 系列产品, 模板采用 24V 配电模板, I/O 根据目前自动化系统的发展及多年的实践经验, 自动化系统配置和选型遵循先进、 可靠、 适用、经济的原则,PLC 选用德国 SIEMENS 公司近年新推出的、高性能的 S7-400 系列 产品, S7-400 具有很强的扩展能力, 可采用集中式或分布式扩展多达 3 个扩展单元 (EU) ; 另外可通过 ET200M 的分布式扩展,组成更广泛的系统。通过 PROFIBUS-DP 接口最多可 连接 64 个从站,CPU 与最后一个站的距离可达 23Km(用光缆连接) 。 所有上位机操作站均采用研华工业控制计算机,工控机具体配置 P4/2.0G/512M/80G/52XCD/1.44M,显示器为 22"CRT 显示器。 上位机操作站、工程师站操作系统均采用微软公司的 Windows2000 操作系统;自动 化编程,过程控制软件采用 STEP7 5.3;前端开发软件采用 WINCC6.0。

S7-400 PLC 是德国 SIEMENS 公司 SIMATIC S7 系列 PLC 中功能强大、适用于中等规 模应用的可编程控制器。采用模块化设计,坚固耐用、扩展方便,具有较强的通讯功能 及友好的用户操作性能,它具有各种级别的 CPU 模板以及许多方便的使用功能,具有种 类齐全的信号模板和特殊功能模板。使用户能为各种自动化项目找到合适的解决方案。 以其较低的价格,使其在冶金领域得以广泛应用。 S7-400 在编程、启动和维护等方面有许多特点: (1)高速指令执行: 可缩短到 0.2μS 的指令处理时间,开创自动化系统领域应用的新天地,保证了炼 钢控制系统的实时性和可控性。 (2) 用户友好的参数设置 编程语言 STEP 7 为所有的模板参数提供了统一的参数化屏幕格式。 (3)与人机界面集成在一起 HMI 已经集成在 S7-400 的系统内核之中, 对此不必做更多的编程。 HMI 需要 S7-300 的各种过程数据,S7-400 能自动地处理数据传送,并使用一致的符号和数据库。 (4) 诊断功能 CPU 的智能诊断功能是指 CPU 能够连续地监视系统的状态,并记录错误和系统特 殊事件。事件都标上时间并存入环型缓冲区以便进一步查找故障。

(5)模板保护功能 模板保护的概念是允许用户有效地保护信息,避免非法复制和修改。 (6) 状态选择开关 状态选择开关可像钥匙一样取下。当“钥匙”取下时可避免非法删除或改写用户 程序。 (7)系统功能 用于通讯或程序控制等丰富的系统功能,提供了便利的编程条件并可加快编程过 程。

4.2 热风 PLC 系统说明
热风炉顺序控制系统操作方式: (1)自动换炉:每座热风炉按照预先设定的程序和时间, 自动完成“送风→燃烧 →送风”转换的阀门动作。 (2)半自动转换:指操作工按下换炉按钮后,阀门按规定的程序完成换炉动作。
(3)手动换炉:指操作工按规定顺序操作各阀门开关进行换炉操作。手动操作可解除阀门间联 锁关系,仅作为调试或检修时采用,严禁作为正常生产时的一种操作方式。

操作方式说明 热风炉顺控系统操作分 PLC 控制操作和机旁控制操作,PLC 控制操作是在主控室通 过键盘进行操作,机旁操作是在现场操作箱上进行操作。 a:半自动方式:每座热风炉可以在“焖炉”“送风”“燃烧”三种状态之间转换, 、 、 各阀开关受 PLC 程序控制,人工发出换炉指令后,根据“阀门转换时序图”进行自动控 制,设六个单独程序供选择: 燃烧转送风 燃烧转焖炉 送送转焖炉 送风转燃烧 焖炉转燃烧 焖炉转送风

b:CRT 手动:在 CRT 上进行的集中手动,可对单体设备进行有联锁操作。 c:休止:不受 PLC 控制。
d:机旁手动:在液压站控制箱上手动操作阀门开闭,各阀门之间无任何连锁关系。这种方式仅 在调试和检修时采用,严禁作为正常生产时的操作方式。

控制系统工艺说明

一个热风炉可在“送风”“燃烧”或: 、 “焖炉”状态,它可能从“送风”或“燃烧” 向“焖炉”转换或方向转换。 “送风”指的是热风炉被充压,且冷风阀和热风阀两者均被打开,所有其它阀门均 关闭(不包括混风切断阀) 。 “燃烧”指的是热风炉被减压,冷风阀、热风阀和冷风充风阀关闭,废气均压阀打 开,助燃空气和煤气引入热风炉。 “焖炉”指的是热风炉所有阀门均关闭,但压力控制仍在工作,预备着一个热风炉 随时变为充压或均压状态。 热风炉工作制度: ——正常状态: 两烧一送, 即两座热风炉处于燃烧状态, 一座热风炉处于送风状态。 ——非正常状态:一烧一送,即三座热风炉中有一座处于事故休风状态。
表 1 热风炉阀门状态表

阀门名称 热风阀 冷风阀 充风阀 煤气切断阀 燃烧阀 空气切断阀 烟道阀 废气均压阀 倒流休风阀 工艺控制要求

热风炉状态 焖炉 关 关 关 关 关 关 关 关 关 燃烧 关 关 关 开 开 开 开 关 关 送风 开 开 关 关 关 关 关 关 关

1) 安全连锁能提供正确的顺序控制,保证所有的阀门和设备安全/正确的状态传动 操作。所有热风炉斗参与连锁。在所有时间里,在任何半自动、手操状态下,总有 1 座 热风炉处于送风状态,除非热风炉“休风” 。当高炉“休风”被选择时,正在送风的最 后一座高炉必须“焖炉” 。 2) 高炉“休风” 当操作者选择高炉休风时,打开倒流休风阀前提条件是三座热风炉的热风阀和混风

切断阀均处于关闭状态。反之,只有倒流休风阀处于关闭状态时三座热风炉的热风阀和 混风切断阀才能打开(机旁手动除外) 。

五 组态软件
5.1 WinCC 简介
组态软件是数据采集监控系统 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)的 软件平台工具,是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目,使用方式灵 活,功能强大。组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展,管理的数据量 越来越大。随着组态软件自身以及控制系统的发展,监控组态软件部分地与硬件发生分 离,为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。 西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是 HMI/SCADA 软 件中的后起之秀,以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功地 SCADA 系统。 在设计思想上,SIMATIC WinCC 秉承西门子公司博大精深的企业文化理念,性能 最全面、技术最先进、系统最开放的 HMI/SCADA 软件是 WinCC 开发者的追求。通过 OPC 的方式,WinCC 还可以与更多的第三方控制器进行通讯。 作为 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成部分,WinCC 确保与 SIMATIC S5、 S7 和 505 系列的 PLC 连接的方便和通讯的高效; WinCC 与 STEP7 编程软件的紧密结合 缩短了项目开发的周期。此外,WinCC 还有对 SIMATIC 给硬件维护提供了方便。 PLC 进行系统诊断的选项,

5.2 WinCC 的性能特点
(1)创新软件技术的使用。 (2)包括所有 SCADA 功能在内的客户机/服务器系统。 (3)可灵活裁剪,由简单任务扩展到复杂任务。 (4)众多的附件和附加件扩展了基本功能。 (5)使用 Microsoft SQL Server 2000 作为其组态数据和归档数据的存储数据库,可 以使用 ODBC,DAO,OLE-DB, WinCC OLE-DB 和 ADO 方便的访问归档数据。 (6)强大的标准接口(如 OLE, ActiveX 和 OPC) 。可以很方便的与其它应用程序 交换数据。 (7)使用方便的脚本语言。 (8)开放的 API 编程接口可以访问 WinCC 的模块。

(9)具有向导的简易(在线)组态。 (10)可选择语言的组态软件和在线语言切换。 (11)提供所有主要 PLC 系统的通讯通道。 (12)与基于 PC 的控制器 SIMATIC WinCC 紧密接口,软/插槽式 PLC 和操作、监 控系统在一台 PC 机上相结合无疑是一个面向未来的概念。 (13)全集成自动化 TIA(Totally Integrated Automation)的部件。 (14)SIMATIC PCS7 过程控制系统中的 SCADA 部件,如 SIMATIC PCS7 是 TIA 中的过程控制系统; PCS7 是结合了基于控制器的制造业自动化优点和基于 PC 的过程工 业自动化优点的过程处理系统(PCS) 。 (15)集成到 MES 和 ERP 中。

5.3 WinCC 系统构成
WinCC 基本系统是很多应用程序的核心。它包含以下九大部件: (1)变量管理器 变量管理器管理 WinCC 中所使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。 (2)图形编辑器 图形编辑器用于设计各种图形画面。 (3)报警记录 报警记录负责采集和归档报警消息。 (4)变量归档 变量归档负责处理测量值,并长期存储所记录的过程值。 (5)报表编辑器 报表编辑器提供许多标准的报表,也可设计各种格式的报表,并可按照预定的时间 进行打印。 (6)全局脚本 全局脚本是系统设计人员用 ANSI-C 及 Visual Basic 编写的代码,以满足项目的需 要。 (7)文本库 文本库编辑不同语言版本下的文本消息。 (8)用户管理器

用户管理器用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。 (9)交叉引用表 交叉引用表负责搜索在画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函数、OLE 对象 和 ActiveX 控件。

5.4 使用 WinCC 来开发和组态一个项目的步骤
●启动 WinCC。 ●建立一个项目。 ●选择及安装通讯驱动程序。 ●定义变量。 ●建立和编辑过程画面。 ●指定 WinCC 运行系统的属性。 ●激活 WinCC 画面。 ●使用变量模拟器测试过程画面。

5.5 热风炉自动控制系统中 CRT 画面的功能
1) 系统工艺流程显示:依据系统工艺流程图,按照功能组区域划分; 2) 调节系统、调节画面:回路手操站,调节参数与参数趋势的集中显示; 3) 重要参数趋势显示:有实时趋势与历史趋势两种显示; 局报警显示:系统按照功能划分为若干个报警组, 各个报警组的报警窗口分布于相应功能 显示窗口的上方,全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力,或按优先级、报警 组过滤查看,并具有全局报警确认。

5.6 CRT 画面设置
(1)启动封面 图 5-1 为启动封面分别设有:上料系统、炉顶系统、热风炉、除尘系统、进入和退 出 6 个按钮

图 14 启动封面

(2)主菜单画面 点击图 14 中“进入”进入主菜单画面如图 15

图 15 主菜单画面

(3) 热风炉主监控画面(系统相关得仪表信号、电气信号监控) 图 16 为热风炉主控制画面的手动/自动转换及对仪表、 电气信号的监控等功能

图 16 热风炉主监控画面

(4)控制回路调节(混风、净煤气、助燃空气、调压阀组) 图 17 为控制回路的调节图对回路的温度、压强有一定的调节作用

图 17 控制回路调节(1)

图 18 为控制回路的调节图(2)主要对拱顶的温度和热风炉的状态进行调节

图 18 控制回路调节(2)

图 19 控制回路调节(3)

(5)热风炉状态画面(热风炉系统全部信号汇总显示)

图 20 热风炉状态画面

(6)热风炉系统信号趋势

图 21 热风炉系统信号趋势

(7)报警历史画面

图 22 报警历史画面(1)

图 23 报警历史画面(2)

(8)系统现场运行数据

图 24 助燃空气流量趋势图(1)

图 25 助燃空气流量趋势图(2)

图 26 拱顶温度趋势图

图 27 废气温度趋势图

图 28 煤气压力趋势图

图 29 热风温度趋势图

结论
热风炉自投产以来,计算机自动控制系统一直运行良好,特别是高温调节阀运行平 稳而灵活,整个系统经受了长时间运行和恶劣环境的严格考验。由于 DCS 与 PLC 的综 合应用,自动化控制系统实现了热风炉的自动换炉。双预热系统的稳定运行又给生产带 来了直接的经济效益。 实际使用效果表明, 所使用的 PID 控制方法和电气联锁控制方式适合小型热风炉的 燃烧控制系统,减少人工误操作,避免“跑风”现象,与人工操作相比,在使用煤气量 接近条件下,燃烧效果明显改善:废气温度上升速率提高约 10%,加快温度上升速度, 减少烧炉时间,明显改善送风效果;拱顶温度上升速度加快,拱顶温度快速爬升,利于废 气温度上升。 据实际生产统计,在 900~1000℃的风温范围内,每提高 100℃风温,可降低焦比 3.5%-4.5%,产量提高 3.5%~4.5%;在 1000~1100℃范围内,每提高 100℃风温可降低焦 比 2.5%~3.5%,产量提高 2.5%~3.5%。

谢 辞

参考文献
[1] 王锦标.过程计算机控制[M].北京:清华大学出版社,2005 年 9 月 [2] 邵裕森.过程控制及仪表[M].上海:上海交通大学出版社,1995 年 8 月 [3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003 年 7 月 [4]丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2005 年 7 月 [5]张万忠 刘明芹.电器与 plc 控制系统[M].北京:化学工业出版社,2008 年 7 月 [6] 百度文库 [7]谷歌互动百科 [8] 中国自动化网. [9] 西门子 (中国) 有限公司 自动化与驱动集团[J]. Simatic S7-300 可编程控制器 产 品目录.2005 年 7 月 [10] 西门子(中国)有限公司 自动化与驱动集团[M].深入浅出 西门子 WinCC V6.第 2 版.北京:北京航空航天大学出版社.2005 年 9 月.5~6 [11] 廖常初.PLC 基础及应用[M].北京:机械工业出版社.2003 年 6 月.1~3 [12] 周美兰,周封,王岳宇.PLC 电气控制与组态设计[M].北京:科学出版.2003 年

5 月.1~2 [13] 黄明琪,冯济缨,王福平.可编程序控制器[M].重庆:重庆大学出版社.2003 年 5 月.126~127 [14] SIMATIC Software System Software for S7 — 300 and S7 — 400 Program Design[M].Nuremberg:Siemens AG,1998 [15] SIMATIC STEP7 Reference Manual[M].Nuremberg:Siemens AG,1998


相关文章:
热风炉自动控制系统
摘要本论文主要叙述中小型高炉炼铁自动化系统结构、功能及主要系统的自动控制的原 理及其实际应用。着重叙述了热风炉的参数控制过程(热风炉检测仪表及控制系统,热 风...
高炉热风炉自动控制系统
高炉热风炉自动控制系统_调查/报告_表格/模板_实用文档。33333333333333 高炉热风炉自动控制系统 1.l 概述 1.1.1 研究背景 高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃...
基于plc实现的热风炉自动控制系统++
2015 级控制工程硕士研究生《先进过程控制》课程作业 题目:基于 plc 实现的热风炉自动控制系统 学生姓名: 学号: 任课教师: 2015.10.25 目 录 1 绪论 2 热风...
2013级控制工程硕士研究生作业--热风炉自动控制系统设计
2013级控制工程硕士研究生作业--热风炉自动控制系统设计_工学_高等教育_教育专区。热风炉自动控制2013 级控制工程硕士研究生《先进过程控制》课程作业 题目:热风炉智...
热风炉自动测控系统设计-精品
热风炉是燃烧- 焖炉- 送风- 焖炉- 燃烧的 重复工作过程。 本文根据热风炉的参数变化特性及控制要求,设计了相应的温度、压力自动测控系 统自动监控保护系统。...
高炉热风炉自动化控制系统
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 高炉热风炉自动化控制系统 作者:谢彬修 来源:《城市建设理论研究》2013 年第 23 期 摘要:高炉热风炉自动化控制系统主要...
热风炉控制系统设计
73页 10财富值 热风炉自动控制系统 47页 20财富值如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 ...
热风炉自控系统设计与实践
摘要:详述了顶燃式热风炉的工艺特点及控制程序的设计,并与内然式热风炉对比分...高炉热风炉自动换炉的研... 4页 1下载券 高温热风炉预热系统设计... 66...
热风炉自动燃烧
二、具体说明:利用 PLC 控制系统控制热风炉自动燃烧的方法: 系统构成除工艺和电气的相关设备外,主要仪表设备包括 PLC 控 制系统及热风炉操作站,热风炉各部位温度...
更多相关标签:
热风炉系统 | 自动控制系统 | 非标自动化控制系统 | 电力拖动自动控制系统 | 自动化控制系统 | 泵站自动化控制系统 | 楼宇自动化控制系统 | 自动窗帘控制系统 |