西门子数字化高炉解决方案在韶钢3200m3高炉的应用

［摘要］：广东省韶关钢铁集团有限公司8号3200m3 高炉的控制系统采用了西门子公司提供的SIMATIC PCS7 V7.0数字化高炉解决方案。配置灵活的控制系统由主控制器、基于PROFIBUS总线的I/O、编码器、变频驱动器和高防护等级的ET200pro以及基于FF总线的智能仪表等多种设备组合而成，不仅可对高炉的各工艺参数进行实时数据采集及历史数据存储,而且实现了高炉生产三电一体化及高炉数字化控制。本项目的成功投产将对同类型高炉控制系统的选型、实施提供参考并产生深远影响。
［关键词］：高炉 PCS7 现场总线 数字化 PROFIBUS
前言：
        目前，我国正处于工业化的中后期，较之以往更加注重推进产业结构调整、实现可持续发展。钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，在经济建设、社会发展、财政税收、国防建设以及稳定就业等方面发挥着重要作用，同时，钢铁产业也面临着产能过剩、低端产能较多的问题。为此，2009年国务院办公厅公布了《钢铁产业调整和振兴规划》，旨在确保钢铁产业平稳运行，加快结构调整，推动产业升级。钢铁行业的不断发展对与其相对应的自动化与信息化水平提出了更新、更高的要求。

韶关钢铁集团有限公司
        广东省韶关钢铁集团有限公司1966年建厂，历经40多年的发展，现已成为年产钢600万吨能力，集钢铁制造、物流、工贸为一体的大型国有企业集团；成为世界钢铁企业100强，中国企业500强、广东企业50强；成为广东重要的钢铁生产基地、高新技术企业和中国重要的船板钢生产基地。2009年，面对全球金融危机，韶钢抓管理、练内功、调结构、强创新，积极应对，年产钢422.68万吨，铁418.54万吨，钢材405.57万吨，实现销售收入141亿元，总资产221亿元。
        “韶钢”钢材品牌获首届广东省优秀自主品牌称号，船板钢通过了中国、美国、德国、英国、挪威、法国、日本、韩国、意大利等九国船级社工厂认证；桥梁用结构钢板首批通过中国船级社产品认证；热轧螺纹钢筋、船板、Q345板获得了国家冶金产品实物质量金杯奖。在珠三角、整个华南地区，韶钢产品有着举足轻重的影响。众多高层建筑、重点工程、高速公路、地铁项目等都指定使用韶钢产品。
2010年，韶钢提出巩固成果防反复，内降成本、外拓市场、管理精益、技术创新、增强持续盈利能力工作思路。培育“韶华永铸、钢铁意志、集思广益、团队一流”品质文化，以“诚信、规范、业绩、奉献”的企业文化，全力打造装备先进、品质精良、绩效卓越，环保生态型、品种效益型、和谐稳健型，华南地区最具竞争力的钢铁精品基地。
        据韶关钢铁集团有限公司炼铁部主任工程师毕勇先生介绍，在本次建设的3200m3 高炉投产之前，韶钢已建有7座高炉。根据韶钢发展的远程规划，早期的5座350 m3小高炉因技术设备相对落后、产能低下，将逐步被淘汰（淘汰产能250万吨/年），截至目前已关停其中的3座，另外2座也即将完成各自的历史使命。
        韶钢8号高炉由中冶赛迪工程技术股份有限公司（CISDI）设计施工总承包，于2008年2月27日奠基，随后开始进行基础施工。深圳市域展工业自动化技术有限公司作为西门子高级系统集成商为用户提供全套自动化系统集成解决方案。

韶钢8号高炉
高炉生产的工艺流程和特点
        高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和炉渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

高炉工艺流程简图
        本项目以高炉煤气、焦炉煤气为燃料，球团矿、烧结矿为原料，采用4座内燃式热风炉，富氧喷煤系统，搅笼法炉渣处理装置，4个铁口循环出铁，高炉每天出铁12次，每次出铁时间112min。干法煤气除尘系统、TRT余压发电装置将高炉煤气全部回收。
        为了减少粉尘对环境污染，本次设计对原料供应系统、矿槽、风口平台出铁场及炉顶设置环境除尘设施，使排放含尘浓度＜100mg/Nm3。
        高炉自动化过程主要包含高炉本体控制、上料和配料控制、热风炉控制，以及除尘系统控制等。高炉自动化的目的，主要是保证高炉操作的四个主要问题：正确配料并以一定的顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触；保持高炉整体有合适的热状态。高炉自动化系统主要包括仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用计算机。

适应需求的最佳选择
        毕主任认为，高炉控制系统需要处理的数据庞杂，为满足连续生产的要求，主控制器的处理能力首当其冲成为了选型的关键指标之一。而从工艺角度来看，高炉上料系统（含料车上料系统和炉顶布料系统）是炼铁高炉中最重要的一环，及时准确的上料是保证高炉产量和产品质量的前提。如果上料慢，赶不上料线，将影响产量；如果上料错，则会导致高炉拉风、休风的严重后果。此外，变频器在运行过程中产生的强磁场及高次谐波所形成的干扰,是严重影响控制和通讯系统安全运行的主要因素，因此，高炉生产的特点对控制系统的性能与稳定性都提出了很高的要求。
        经过慎重筛选和综合论证，基于PROFIBUS现场总线的SIMATIC PCS7 V7.0过程控制系统最终脱颖而出，担负起了韶钢8号高炉数字化生产的重任。谈到这套系统，毕主任不无感慨：“我们和西门子公司一直保持着良好的合作关系，7号高炉使用的PCS7系统以及之前大量的成功应用都已证明，西门子公司具备的国际领先的技术、优异的产品质量和可靠的服务保障能力是值得我们信赖的！”

项目具体实施
工艺概况
        韶钢8号高炉工程包括1座容积3200m3的高炉及相应的配套设施。主要工艺设施有：
  （1）矿焦槽及上料系统，共设矿焦槽20个。其中烧结矿槽6个；焦槽6个；球团矿槽3个；块矿槽2个；杂矿槽2个；小块焦槽1个，以及皮带输送和小块焦回收设备等。
  （2）上料系统，上料主皮带机及皮带清洗设备等。
  （3）无料钟炉顶系统，包括无料钟装料设备，布料设备，炉顶液压设备，干油润滑设备，水冷却设备等。
  （4）高炉本体系统，包括炉体冷却装置，32个风口。
  （5）出铁场系统，包括南（C1），北（C2）双出铁场， 4个出铁口，泥炮及开铁口装置等。
  （6）煤气除尘系统，包括重力除尘器，干法煤气布袋除尘（韶钢院），减压阀组，煤气切断阀等。
  （7）热风炉及余热回收系统，包括4座内燃式热风炉，2台助燃风机，余热回收装置等。
  （8）煤粉制备及喷吹系统，包括干燥炉，中速磨，收粉设施，喷吹设施，供煤设施等。
  （9）炉顶余压发电（TRT）系统（陕鼓成套），包括透平机及其他检测和调节设备等。
  （10）水渣系统，包括嘉恒水渣处理设施。
  （11）除尘系统，包括矿焦槽除尘，出铁场除尘，以及炉顶除尘等
（12）水处理系统。
（13） 焦炉煤气加压站
（14）原燃料供料系统
        通过PCS7控制及监视的范围包括：高炉矿焦槽系统，上料系统，无料钟炉顶系统，高炉本体系统，出铁场系统，炉渣处理（水渣），煤气除尘系统，热风炉及余热回收系统，煤粉制备及喷吹系统，水处理系统，焦炉煤气加压站，原燃料供料系统等。
系统配置

系统配置图
        采用现场总线技术构建的高炉控制系统在功能上由两级组成，第一级为基础自动化级，第二级为计算机管理控制级。一级和二级之间通过以太网进行通讯，并可与企业上层网络进行无缝连接。
1.基础自动化级（一级）
        主要由控制站、HMI服务器、工程师站、操作员站、PROFIBUS、FF、Ethernet通信接口或交换机、打印机等组成。控制站（包括电源、CPU、Profibus DP接口模件、Ethernet接口模件），按不同工艺单元部分进行冗余或非冗余配置。HMI服务器（包括Ethernet接口和交换机）冗余配置。所有控制站完成对各工艺系统的数据采集和初步处理，并执行生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制。操作员站为用户提供了友好的人机界面，可以对各工艺系统进行包括总貌显示、分组显示、操作显示、调整显示、趋势显示、报警显示等多种方式显示和记录，并对运行设备的运行及维护信息进行管理等；通过键盘、鼠标，按画面操作提示，对各工艺系统进行生产操作。打印机用于故障信息打印。
        冗余控制站：4台（矿焦槽及炉顶、热风炉、制粉及喷吹系统、煤气除尘系统）
        非冗余控制站：9台（供料系统、矿焦槽除尘系统、高炉本体、南炉前系统、北炉前系统、南水渣系统、北水渣系统、循环水处理系统、焦炉煤气加压站）
2.计算机管理控制级（二级）
        主要由3台过程计算机服务器，2台PC操作终端，打印机服务器及相应的网络打印机，与通信接口等共同组成Client/Server体系结构。服务器主要用于高炉过程数据的收集、数据存储、数据库管理、模型计算、技术计算的运行、与计算机通信等。PC操作终端主要用于过程数据的监视、操作数据设定输入、模型数据的设定输入等。打印机主要用于生产报表打印。过程计算机通过基础自动化网络接口与基础自动化级进行数据通信；通过以太网与其它生产部门进行数据通信，通信协议为TCP/IP。
分布式控制远程连接方式
        由于高炉控制系统需要监控的数据庞杂且分散在各控制室及室外，因此针对不同的现场设备，系统设计了多种现场总线的连接方式充分满足对于数据通讯快速、稳定的需求。除常规的ET200系列 I/O外,为适应室外露天放置的操作箱的特殊需求，在本系统中特选用了西门子专为恶劣环境应用设计的高防护等级的分布式I/O系列—ET200pro。
1.控制主站通过PROFIBUS-DP与ET200 I/O连接

炉体系统控制柜
2. 控制主站通过PROFIBUS-DP与ET200 pro I/O连接

转鼓冲洗泵操作箱
3. 控制主站通过PROFIBUS-DP与变频驱动器及编码器连接

溜槽倾动变频器柜
4.通过PROFIBUS-DP/FF耦合器与流量计等智能仪表连接

炉体流量计
部分上位机监控画面


韶钢炼铁部8号高炉工况综合监控画面


韶钢炼铁部8号高炉上料监控画面


辅助画面
  


辅助画面

水渣监控画面
新技术与亮点
高炉数字化控制
        传统的PLC和DCS系统通常倚赖硬接线点到点或模拟信号方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V) 来监控现场设备，需要系统配置相应的I/O模块、端子柜/继电器柜、接线端子块、现场接线盒等，不可避免地要面对由此产生的复杂接线、施工量大、时间长、出现异常时难以准确迅速确定故障点并解除等诸多问题。为克服以上种种弊端，基于数字化通信方式的解决方案－－现场总线控制系统（FCS）应运而生。
        现场总线控制系统（FCS）为网络集成式全分布控制系统，总线仅依靠两芯电缆以数字信号方式与链路上所有的现场设备进行数据交换，它的特点是控制功能由过去的控制室设备变为智能型现场仪表来承担，控制功能分散化、全数字化，可以组成大型的开放式控制系统，进而实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制。
        采用数字化控制技术以后，由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可明显减少电缆桥架数量及安装费用并缩短这部分的项目工期。据信总工程师统计，本项目所用的信号电缆、桥架及施工量与传统控制系统相比至少节省60%。在如此短时间内完成线缆敷设、信号测试等工作在以前也是不可想象的；变频器通过现场总线挂接到FCS后，用户不仅可在远程实现基本的参数设定功能，而且还可读取更多的状态信息与诊断信息；此外，基于现场总线的智能现场设备都具有自诊断的能力，可实时通过数字通信的方式把诊断信息发送给中控室操作站，借助于SIMATIC PCS 7工程系统集成的PDM（过程设备管理器）工具，操作维护人员可方便地对智能现场设备（可以是来自不同制造商的产品）进行集中组态、参数分配、调试以及诊断维护等工作，这样就使得系统的维护与诊断变得更加轻松，成本亦随之大大降低。

FF/PROFIBUS-DP总线耦合器
        由于现场部分电磁流量计是基于FF总线协议的，为将流量计信号纳入SIMATIC PCS7，用户选择了        FF/PROFIBUS-DP耦合器挂接至通讯网络，通过简单的组态实现了FF总线仪表的轻松集成，FF/PROFIBUS-DP耦合器为国内高炉控制系统的首次成功应用。

独立设置一台中央归档服务器（CAS）
        在SIMATIC PCS7的7.0版本中,可通过一块普通以太网卡将中央归档服务器(CAS)连接到以太网上。设置独立的CAS的优势在于集中并长期存放归档数据，历史数据能从CAS容易的导出到MS Excel CSV文件中并进行进一步的处理和数据分析。对于高炉系统而言，炉壁温度等数据往往需要保存5年以上，一般的数据存储方案很难实现高效可靠的归档，而CAS完全可保证数据的完整性和长期历史数据的访问，使用户维护起来感到极为便利。

完美表现

8号高炉中控室
        在总包商、系统集成商和用户都积累了大量西门子控制系统在高炉应用的工程经验后，此次项目的实施克服了经济危机带来的不利影响，几方通力合作，进展异常顺利。据毕主任介绍，从2009年5月份进入系统调试阶段到2009年9月底全套控制系统已投入正常运转。10月17日，韶钢8号3200m3高炉顺利炼出第一炉铁水，成功投产。在SIMATIC PCS7 V7.0的强力保驾护航下，韶钢8号高炉投产后仅仅3天即达到设计指标，日产生铁6780吨。“这是PCS7数字化高炉解决方案完美表现的有力证明，创造了国内乃至世界大型高炉达产速度新纪录，在场的来自宝钢的专家都对这样的骄人成绩赞不绝口”，毕主任对于控制系统稳定运行的满意之情溢于言表，“投入生产以来，无论产量、燃烧比还是综合焦比，这座高炉达到的指标都已在国内范围名列前茅，这与西门子提供的产品质量和技术保障都是密不可分的。”

未来，我们共同期待
        对于钢铁企业而言，高炉生产系统是一个复杂而关键的生产流程，如何有效地不断提高炼铁水平始终是摆在每一个钢铁企业面前的课题。展望未来，我国的高炉更加趋于大型化、高效化、现代化、长寿化、清洁化，高炉的数字化生产及在此基础上实现的厂级数字化管理、数字化经营也将成为越来越多钢铁企业的共识与倾力达到的目标，也唯有如此才能使其自身在竞争激烈的市场上占有一席之地。此次西门子SIMATIC PCS7 V7.0在韶钢8号高炉的成功应用不仅给韶关钢铁集团有限公司带来了可观的经济效益，进一步提高了企业的生产能力，同时也保障了其实现社会效益和环境效益双丰收。作为目前国内综合指标领先的高炉，韶钢8号高炉已为多个正在筹建中的项目提供了配套控制系统的成功样本。
        “银桥飞架锦江边，绿水青山映碧天。 玉峰琼楼增异彩，丹霞自古醉诗仙。”与南粤名山丹霞山遥遥相望的韶钢正在这醉人美景的环抱中，站在企业发展的新起点上迈开自信稳健的步伐，向着未来更高更远的目标不断前行。