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摘要：本文介绍了莱钢1#1000m3高炉矿槽炉顶上料系统的工艺流程，施耐德公司昆腾系列PLC控制系统的特点、硬件组态及软件功能，并详细介绍了该PLC控制系统的主要控制功能。
Abstract：This paper mainly discuss the process control system of feeding system for blast furnace based on Schneider TSX Quantum series PLC. Configuration software Concept2.6 are adopted to monitor and manage process data. The whole system well satisfies the technical requiments for control.
关键词：PLC；自动控制；上料系统；昆腾
Key words：PLC；automation；feeding system；Quantum
1、 概述
莱钢1#1000m3高炉2005年投产，矿槽炉顶上料系统设计采用施耐德公司昆腾系列PLC，该控制系统实现了对矿石、球团、烧结、焦碳等原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿；实现了炉顶各阀门的顺序自动开关，α、β、γ的角度自动设定以及其他相关辅助设备的自动控制；实现了对高炉矿槽炉顶上料系统的数据采集、数据显示与数据控制。该系统投运以来，运行稳定，效果良好。
2、 高炉矿槽炉顶上料系统工艺流程简述
2.1 槽上控制工艺流程：
高炉槽上设计13个料仓，4个烧结矿仓(3#、4#、5#、6#)，2个焦炭仓（7#，8#），3个球团仓（9#、10#、11#），2个杂矿仓（1#、2#），1个焦丁仓。
槽上有3条打料皮带机，每条皮带机对应一辆卸料小车，采用卸料小车可以将胶带机输送的原料卸至不同的料仓，当采用卸料小车进行卸料时，卸料小车先开至所选择的料仓上方，然后启动胶带机，原料就经卸料小车卸到小车下方的料仓内。
2.2 槽下控制工艺流程：
高炉槽下设两个大烧结矿仓，两个小烧结矿仓，两个杂矿仓，三个球团仓，一个备用仓。每个矿仓下都有振动筛，筛除小于5mm的碎矿，大烧结矿仓的矿经过筛分后分别进入料坑的左右中间称量斗，小烧结矿仓的矿经筛分后分别进入各自配套的称量斗，然后经矿石皮带机集中运送，经料坑上方的翻板进入料坑中的矿石中间斗，经筛分后的5mm烧结矿经返矿皮带机运到碎矿仓。
焦炭设左右两个焦仓，仓下装有振动筛和振动给料机，焦炭经筛分后，大于20mm的块焦，分别直接进入料坑内的左右焦炭称量斗，筛下小于20mm的碎焦经SJ1、SJ2胶带机倒运到SJ3碎焦胶带机上，送至碎焦仓上振动筛，将碎焦分级成8mm以上和8mm以下两种产品，大于8mm的焦丁由SJ4胶带机运至焦丁仓，再经焦丁给料机到焦丁称量斗，然后到供料胶带机与烧结矿一起进入料坑中间斗。小于8mm的碎焦落入焦粉仓等待汽车外运。当料车到底后，相应的矿石中间斗或焦炭斗向料车装料。
2.3 炉顶控制工艺流程：
莱钢1#1000m3高炉炉顶采用无料钟串罐式炉顶，分为受料斗、料罐、气密箱等组成部分。在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉顶放散阀、均压阀、上密阀、柱塞阀、下密阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。料面检测设备采用机械探尺与雷达探尺相配合。
装料流程：焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉顶，倒入受料斗中，受料斗最多可装4车料。料罐放散完毕后打开上密阀和柱塞阀向料罐装料。装料完成后料罐进行均压。一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，首先打开下密阀并将料流调节阀打开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。在布料期间，通过γ射线探测料流，该装置可发出料罐清空信号。一旦料罐清空，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。
布料流程：一批料中，允许焦矿设定两个不同的料线位置。当探尺达到规定的料线位置后，自动提升到位，发出布料信号，下密封阀打开，布料溜槽进行启动。β角旋转到设定速度并且到达布料位置，开启料流调节阀，按照批重及规定的布料程序，调节料流调节阀开度和溜槽倾角，使每圈料流均匀、重量相等和首尾相接的向炉喉任意布料。为了减少料头料尾不均匀现象，每批料布完后，布料角度自动步进60度。
图一 高炉上料系统工艺流程图
3、 控制系统硬件配置
整个上料系统采用一套PLC系统，两台上位机完成对整个上料系统的监控及数据采集等。自动控制系统采用Schneider TSX Quantum 系列PLC硬件组成基础自动化系统。采用MP7监控软件，编程软件采用Concept2.6，Windows 2000作为系统平台界面，组成计算机化的操作系统，实现人机通讯。
控制器与上位机之间采用环形工业以太网进行通讯。主机控制单元接受由I/O接口收集的信号进行开关量和模拟量的处理后,将信号经I/O接口实现对设备的控制，与监控站及上位机通讯。这个系统配置如图二所示：
其中处理器采用昆腾系列140-CPU-534-14A，电源模块采用140-CPS-114-20，远程通讯模版采用140-NOE-771-01，I/O模板配置如下：数字量输入模板为140-DAI-753-00、140-DDI-353-00；数字量输出模板为140-DDO-353-00；模拟量输入模板为140-ACI-040-00；模拟量输出模板为140-ACO-130-00，远程I/O模版采用140 CRP 931 10、140 CRA 931 00。
4、 矿槽炉顶上料系统控制功能
4.1 槽下控制部分
4.1.1 槽下控制范围及内容
（1）实现对矿石、球团、烧结、焦炭等入炉原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿。
（2）实现槽下12个矿仓、12个称量斗、2条成品带、2条碎矿皮带、12台振动筛、4台给料机、1个翻板及碎焦系统的自动控制，实现自动备料和放料。
（3）可使用监控画面对上料系统设备的运行状态进行监视，对设备的运行进行软手/自动切换及手动启停设备，进行料单设定及更改等。
（4）对装料超时、放料超时、超满及设备运行故障等情况在“工艺流程画面”进行报警显示。
图二 控制系统硬件配置
4.1.2 矿石称量斗的称量控制
当排料程序发出后，矿石称量斗闸门开，料排出。当称量值为控制值（初始时为设定值的95%）的5%时，发出料空信号并关闭闸门，当闸门关好并称空好后，振动筛或给料机开始启动。称量值到控制值（经补正）时，振动筛或给料机停机，进行满称量。若达110%控制值（经补正）时发出声光报警信号。振动筛或给料机启动Ts后，还未发出斗“满”信号，就发出上卡料报警信号。
4.1.3 矿石称量斗的排料顺序
根据预先选定的装料程序，矿石中间称量斗一“空”且闸门关好，槽下翻板翻到位，矿石皮带机启动后，开始排料。
排料顺序：球团、杂矿单装时按料单内所填仓号的先后顺序进行排料（矿石称量斗排料最多不同时超过三个）。混装时先排一斗的球团或杂矿（排料单内球团或杂矿对应仓号的第一个斗），再排小烧或振大烧。当前一个称量斗闸门开启，发出空信号后，发出下一个斗排料指令。排料斗的闸门开到位延时Ts后，还未发出斗“空”信号，则发出下卡料报警信号。
4.1.4 矿石中间称量斗称量控制
矿石中间称量斗称量控制分三种情况：
①大烧结矿振动筛供料：
当矿石中间称量斗“空”，闸门关好，设定好则发出同侧烧结筛运转指令，称量值达到控制值（初始时为设定值的95%）时，烧结筛停机，称量结束。称量值达110%控制值时发出音响报警信号。振筛启动延时Ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
②矿石皮带机供料：
当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当排料斗均放过料后，发出矿石中间斗装好信号，并发出皮带机停机指令。
③矿石皮带机和大烧结振动筛完成混装
当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当相应的一个矿石排料斗放过料后，发出大烧结振筛启动指令，同时发出皮带机停机指令。当称量发出“满”信号时，发出矿石中间斗装好信号。
4.1.5 焦炭称量控制
当焦炭称量斗一“空”，闸门关好并设定好后，发出焦炭振动筛运转指令，开始称量，称量值达到控制值时（初始时为设定值的95%），发出振动筛停机指令，称量结束，若达110%控制值时，发出报警信号。振筛启动延时Ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
4.2 炉顶控制部分
4.2.1 炉顶控制范围及内容
（1）炉顶上至料罐下至探尺各设备的顺序控制。
（2）无料钟串罐式炉顶的装料及均压、放散控制。
（3）料流调节阀开度（γ角）、布料溜槽倾动角（α角）、布料溜槽旋转角（β角）的控制。
4.2.2 炉顶装料控制
上次布料结束且下密阀关到位后，程序发出申请装料信号，料车开始装料，受料斗满且料罐空，放散阀打开，在放散过程中，一旦打开放散阀并料罐内压力等于大气压力，则认为放散OK。放散OK后开上密阀，上密阀开到位后开柱塞阀，料车开始下料。延时一定时间后柱塞阀关闭，关放散阀，关上密阀，炉料装入料罐中后开均压阀开始均压。这时受料罐发允许料车上行信号。
4.2.3 炉顶布料控制
料罐满且上密关到位后，程序发出申请布料信号，此时探尺探测到设定料线后提探尺至零位。均压好后关均压阀。探尺提到零位后开始转动α、β。布料溜槽倾动的正常工作角度范围是13-53度。就地操作可以使溜槽倾角达到70度以便于拆卸溜槽。当溜槽倾角小于12度或大于54度时,溜槽停止移动和转动并发出报警,只有在报警清除后才可以继续移动。一旦降下探尺或探尺在高炉中时，溜槽倾角如果大于45度，必须锁定溜槽。为了使溜槽的定位精度达到±0.2度的要求，在程序中对溜槽的倾动速度进行处理，溜槽开始以最大速度倾动，当与目标位置只相差2度时，以最大速度的三分之一倾动，这样可以精确的定位到目标位置。溜槽的旋转由变频器驱动的交流电机驱动。正常情况下溜槽不停的旋转，如果溜槽的倾角位置达到了上限或下限，或者探尺在炉内时溜槽倾角大于45度，溜槽要立即停止旋转并报警。溜槽每4小时改变一次旋转方向，这样可以确保溜槽磨损平衡。PLC根据炉顶料单和槽下传送来的布料代号给出料流调节阀γ的设定开度，控制料流调节阀打开到设定开度开始布料，当接受到料罐清空信号，料流调节阀首先完全打开才能关闭。清空信号由射线检测和PLC的定时器共同完成，如果在料流阀打开后规定的时间后发出清空信号，则认为料罐已经清空，如果在规定的时间之前发出清空信号则认为是料罐堵塞，PLC将发出报警信号，该信号一直保持，只有料流阀完全打开并且确保料罐完全排空后才能解除。料流阀关闭后关下密阀，降下探尺检测料面，布料结束。
5、 结论
本文讨论了基于施耐德昆腾系列PLC的高炉矿槽炉顶上料系统的控制系统的控制情况，本控制系统已经在高炉生产得到了实际应用，满足了现场的生产工艺要求。操作画面简单方便，通过对料单设定画面的修改可以实现对矿石、焦碳配料参数及布料参数的设置与修改，并显示工艺所需要的数据。操作方式灵活，操作方式有自动、画面手动和现场就地操作。在该系统中，PLC充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，给整个系统的稳定给整个高炉生产带来了较大的作用。
参考文献：
[1]马竹梧.炼铁生产自动化技术.北京冶金工业出版社.2005
[2]王 慧.计算机控制系统.化学工业出版社.2000年
[3]马迎驰.PLC控制系统在大中型高炉上的应用.中国仪器仪表,2002
作者简介：
陈明（1982.9-） 男 本科 莱钢集团自动化部助理工程师 从事炼铁、水泥等行业自动化控制的研究与应用工作。
通讯地址 山东省莱钢自动化部钢区车间 邮编 271104
手机 13863459013 电话 （0634）6824216
E-mail chen.ming.chm@gmail.com
司鹏（1976.3-） 男 本科 莱钢集团自动化部工程师 从事炼铁、炼钢等行业自动化控制的研究与应用工作。
通讯地址 山东省莱钢自动化部钢区车间 邮编 271104
电话 （0634）6824216
李红（1971.5-） 女 本科 莱钢集团自动化部工程师 从事炼铁、原料、水泥等行业自动化控制的研究与应用工作。
通讯地址 山东省莱钢自动化部钢区车间 邮编 271104
电话 （0634）6823959 |
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