壹、系統設計的指導思想
煉鐵生產過程是高爐內壹系列復雜的還原反應。爐料(礦石、燃料和熔劑)從爐頂裝入，鼓風機出來的冷空氣被熱風爐加熱形成高溫熱風從高爐風口吹入，焦炭燃燒產生的熱氣流自下而上運動，而爐料自上而下運動相互接觸進行熱交換而逐漸減少，最後在爐下部還原成生鐵和爐渣。積聚在爐膛中的鐵水和爐渣分別從出鐵口和出渣口排出。
高爐自動化過程主要包括高爐爐體控制、加料配料控制、熱風爐控制和除塵系統控制。高爐自動化的目的主要是保證高爐操作的四個主要問題:正確配料，按壹定順序及時裝爐；控制負荷的均勻下降；調整爐料分布，使其與熱氣流保持良好接觸；保持整個高爐處於合適的熱狀態。高爐自動化系統主要包括儀表檢測與控制系統、電氣控制系統和過程與管理計算機。儀表控制系統和電氣控制系統通常由DCS或PLC完成。
高爐生產必須要求計算機控制系統保證生產過程的連續性和實時監控，要求數據量最大，所有設備自動化程度高。計算機系統要求數據采集周期短，刷新率快，特別是對於通信網絡，數據傳輸速率、網絡穩定性和正確性尤為重要。
對於測試儀表，即測試溫度、壓力、差壓、流量、料位和重量，要求數據采集精度≤0.2%，采集速率≤ 0.8s..
高爐自動控制方案首先要著眼於系統的可靠性、實用性和先進性，在此基礎上提高系統的性價比。
1.可靠性
高爐在鋼鐵廠的生產中處於非常重要的地位。它不僅要及時穩定地向煉鋼過程提供合格的鐵水，還要向軋鋼加熱爐提供煤氣。高爐生產的短期中斷會給整個生產過程帶來不可估量的損失。
因此，在高爐控制系統的設計中，必須把系統的可靠性，即安全性放在首位。在設備控制方面，要滿足煉鐵設備和工藝的具體要求，完善必要的軟硬件鏈，實現最可靠的啟停順序控制，以及應對突發事件的可靠應急處理方案，確保整個高爐生產系統的安全。
為了保證這些設備的安全可靠運行，除了系統硬件外，還必須在軟件編程中加入各種保護功能，進壹步提高系統的安全性和可靠性。
2.實際
為滿足中型鋼鐵廠對生產管理逐步提高的要求，高爐生產過程控制有手動和自動兩種操作狀態，並可在兩種操作狀態之間實現無擾切換。
在線計算機應用系統由工業微機、PLC系統、計算機網絡和控制軟件組成。下位機通過各種檢測儀表采集上料配料運行數據、爐溫、風溫、風壓、除塵系統等工藝參數。
在人工操作模式下，上述工藝參數由上位機進行處理，使其成為清晰準確的“軟件儀器”，充分利用過去人們來不及分析的各種無關信息，揭示其內在聯系，從而在判斷高爐生產過程和指導操作中發揮更多的作用。
在自動運行模式下，我們在常規PID調節的基礎上增加了非線性變參數調節、自適應調節和智能控制。
通過計算機綜合分析，建立數學模型，作為人工操作或自動調節的依據，充分利用計算機存儲信息量大的優勢，為高爐操作提供更加準確合理的控制策略。
3.先進性
采用智能控制技術改變控制策略，以適應對象的復雜性和不確定性。它具有更好的適應性、容錯性、魯棒性、自組織功能、自學習能力、更強的實時性和人機協作功能。不僅依靠簡單的數學模型，還可以基於知識和經驗的積累，進行在線推理，做出非線性、多因素的判斷，從而優化出能夠跟隨實時變化的最佳控制策略。
通過對高爐歷史生產數據的記錄和分析，采用“優化圖法”指導操作人員，使其確定的每壹步更準確、更科學。在這種情況下，與傳統的人工操作方式相比，高爐操作參數的分散程度將顯著降低，向最優區間甚至最優點靠攏的趨勢將非常明顯。
系統進壹步優化後，可以實現多種“趨勢分析”，計算機可以進行趨勢預測，及時為操作人員提供更多的手段，相當於實現了流程管理中“早調、勤調、少調”的要求。應用該系統後，高爐生產過程將更加穩定。
二、控制系統實施計劃
1.系統硬件
本系統的PLC硬件全部采用施耐德公司的Modicon TSX Quantum 140系列產品。網絡連接采用Modbus TCP/IP以太網，數據傳輸速率高達100MBPS。采用信息產業事實上的標準TCP/IP，應用層使用Modbus協議，所以幾乎不會有數據傳輸沖突，交換式以太網技術的使用避免了沖突的可能。網絡組態包括兩部分:PLC和PC。
系統中各PLC系統通過插在主背板上的140NOE77100 TCP/IP以太網模塊連接到100M快速以太網，位置集中的可以采用雙絞線連接。上位機采用雙絞線連接快速以太網。1塊3C905C 100M以太網卡插在每個上位監視器上。
通過Quantum 140NOE77100模塊，可以定義I/O數據表，通過Internet Explorer查看以太網狀態信息和現場I/O數據，以及其他嵌入式功能，如基於Web的BOOTP服務器配置和SNMP協議支持，可以使網絡建立、調試和管理變得簡單。
3.組態軟件
軟件系統設計包括PLC組態和參數組態、系統監控程序設計、網絡通信組態、操作員站和工程師站人機界面設計。
PLC組態和參數組態以及下位機監控系統的編程均在Concept XL V2.6環境下完成，使用方便，功能豐富，具有符合IEC1131-3標準的五種編程模式。尤其是軟件模擬測試功能最受用戶歡迎，大大縮短了在線調試時間。根據不同的控制過程，高爐和熱風爐可以采用LD和FBD編程方法。程序功能包括系統初始化、參數範圍轉換、參數監測和異常處理、各種聯鎖和控制。
這個系統涉及到很多工藝參數，如壓力、溫度、壓差、流量、質量、料位、閥位、液位等等。高爐爐體和熱風爐控制技術復雜，設計並配備了必要的調節電路。靈活的概念編程軟件為實現各種控制過程提供了豐富的功能，可以根據生產實際編寫各種功能。
上位監控工作站由8臺研華工業控制計算機組成，完成整個系統的過程數據采集、運行狀態監控、系統設備控制、生產報表生成和打印、數據備份等工作。上位機監控軟件人機界面設計采用GE Fanuc iFIX 4.0軟件，可實現實時、歷史趨勢、數據報表、數據采集、報警記錄、動態顯示等豐富功能。工業現場實時數據采集好，可以完成監控畫面設計、建立過程數據庫、編寫監控軟件各種功能塊等功能。它的重點是保證系統的可靠性，以及如何方便操作。
4.系統總圖
高爐自動化控制系統的硬件和網絡總平面布置見圖1。
圖中:整個PLC系統包括5個CPU主站、6個PLC I/O站和Profibus-DP現場總線。CRT1 ~ CRT 4為爐頂及絞車操作站、高爐爐體操作站、裝料操作站、熱風爐操作站，CRT5為工程師站，CRT6為布袋除塵操作站，CRT7為出鋼場、原料場除塵系統操作站。
其中網絡連接:24口以太網交換機設置在高爐主控室，2臺8口以太網交換機分別設置在布袋除塵和礦槽控制室。高爐主控室連接布袋除塵，高爐主控室通過光纖連接礦槽控制室。使用帶光纜接口的交換機，或者使用光電轉換器連接以太網和光纖。
5.主要功能描述
該系統將是壹個集順序控制、過程控制、數據采集、工況監測和數據管理於壹體的計算機控制管理系統。主要功能如下:
？電機、閥門和成套機電設備的通斷控制，包括成組聯鎖啟動、成組聯鎖停機、成組自動聯鎖控制、成組單步聯鎖控制和系統單步調試。
？過程控制數據(包括開關量和模擬量)的采集和處理。
？完善的報警功能。開關和模擬報警的顯示、確認、記錄和打印。可以自動記錄報警開始時間、確認時間和恢復時間。
？動態顯示工藝流程圖畫面，畫面間自由切換。
？顯示和打印歷史圖表、實時圖表、電氣儀表圖表和條形圖。
圖1高爐自動化控制系統硬件及網絡配置圖
？定期或即時打印生產班次報告、生產日報表和生產月報。可以修改常規打印的時間間隔，即可以通過操作設置換班時間。
？面向目標的操作模式和友好的人機界面。對於某壹設備的操作，只需將光標移動到對應目標(如電機、閥門)的圖形位置即可完成操作。如果可以選擇目標，則允許操作，否則操作無效。
？系統時間和模擬報警上下限的設定和修正。
？強大的系統自診斷功能，包括PLC模塊錯誤顯示，在線查看開關和模擬條件表。
？自動記錄、顯示和打印運行記錄、開關報警清單和模擬報警清單。
為了加強系統的可靠性，對系統的壹些重要操作設置了密碼，防止無關人員隨意進入操作。
6.PLC控制功能
(1)頂層系統
爐頂布料程序控制和爐頂設備順序控制；
？物流控制閥的開度控制；
？斜槽傾斜和旋轉控制；
？材料線測量和塞尺控制；
？爐頂壓力均衡控制；
？爐頂溫度監測和壓力控制。
⑵槽下系統
？焦炭和礦石的備料系統；
？原材料的稱重補償和水分控制；
？高爐加料程序控制。
(3)高爐爐體
？檢測爐體各點的溫度、壓力和流量；
？爐喉溫度和氣體成分的數據處理；
？熱風溫度調節；
？爐膛冷卻水的壓力和流量測量；
？風口平臺蒸汽、壓縮空氣和氧氣的流量和壓力測量；
？爐膛參數的監控和報警；
？加熱爐系統的數據處理。
(4)熱風爐系統
熱風爐燃燒調節閥的遙控操作:
煤氣總管壓力的自動調節；
熱風爐拱頂溫度記錄；
？熱風爐出口溫度記錄；
？熱風爐燃燒室溫度記錄；
？熱風爐廢氣溫度記錄；
？熱風爐總管壓力記錄；
？冷風總管壓力和流量記錄；
？冷風總管溫度指示；
？凈氣總管的溫度和壓力指示；
？凈氣體主流和溫度的指示；
？助燃空氣總管壓力和溫度指示；
？燃燒空氣，主要流量記錄；
？冷卻水壓力指示；
？冷卻水流量指示和累積；
？冷空氣壓力均衡信號；
？廢氣壓力信號；
？生產聯系信號。
⑸布袋除塵系統
？原料氣總管的溫度指示、記錄、報警和聯鎖；
？原料氣總管的壓力指示；
？原料氣總管壓差的指示、響應和聯鎖；
？凈氣體溫度指示；
？凈氣體流量指示和累積；
？潔凈氣體中粉塵含量的檢測和報警。
[6]其他系統
？除塵系統的氣體溫度和壓力測量；
？沖渣水壓力和流量的采集。
三。系統啟動和運行
打開系統主電源後，先打開PLC系統和網絡系統的電源，進入正常運行狀態後再打開操作站的彩顯和工控機的電源，系統開機後直接進入主菜單。主菜單有四個選項:
運行操作-進入系統概述，根據系統概述中的功能按鈕進入相應的各種操作。
歷史曲線-顯示和打印記錄在硬盤上的模擬數據。
報表打印-查看和打印生產班次報表、生產日報表和生產月報。
系統維護-輸入與系統設置和維護相關的各種操作。
1.系統屏幕
為了使畫面整潔美觀，每個系統監控畫面由壹個系統主進程畫面和若幹個子畫面組成，系統主進程上只顯示重要的目標和數據。如果想了解更多細節，可以切換到分屏，可以看到進入PLC系統的所有測點和數據的動態實時顯示，都是漢字提示。按下主菜單運行操作按鈕，進入系統主流程畫面。
主屏幕下方有壹個按鈕式子菜單，將包括爐頂及絞車、高爐爐體、熱風爐、布袋除塵、轉運站、系統組操作、報警列表、實時數據顯示、參數列表等按鈕。按前面的按鈕在屏幕之間切換。接下來的四個按鈕用於選擇其他功能操作。
在每個監控畫面上，用不同的圖形表示電機、閥門等設備；在分組操作中，由漢字設備名稱指示框指示。用不同的顏色表示電機是否準備好，運行是否正常，報警和警報是否已經確認。可以從運行目標是否有邊界來區分設備是以集中模式啟動還是在現場機器旁邊啟動。
2.運行操作
系統的正常運行主要基於分組操作。按下成組運行按鈕，將彈出由標有設備名稱的流程圖組成的成組運行畫面，每組電機將按啟動順序分別啟動。在分組操作區，有四個操作按鈕可供選擇:分組打開、分組關閉、暫停和退出。每個按鈕前面的綠色指示燈表示正在執行操作。將光標直接對準組中的電機，或在組中執行單步聯鎖操作。
圖2高爐立面設計實例
圖3高爐爐頂裝料示例
進入系統單步調試狀態後，除了在組操作畫面上操作，還可以直接在各個子畫面上進行面向目標的單步調試操作。如果選中時目標為黃色，則開始操作；如果目標是綠色的，關閉它。
針對高爐生產中的幾個關鍵工序，在相關圖片中設計了簡潔醒目的動態顯示。比如在高爐上料過程中，我們充分利用安裝在減速機輸出軸上的絕對位置編碼器信號，在分屏中動態顯示上料車的位置。在高爐布料過程中，我們將根據布料器和探頭相關設備的返回信號，動態模擬和顯示高爐料層的實時位置。同時，變頻器與PLC通過Modbus總線連接，實時監控變頻器的運行狀態。如此直觀的畫面，加上工藝參數的監控和報警狀態的顯示，使操作人員對高爐的主要實時操作狀況壹目了然，為提高系統的安全性和可靠性提供了堅實的保障，也非常有利於工人的操作。
3.過程控制
從實用的角度來看，該系統的模擬輸出主要用於閥門調節和閥位控制。根據工藝要求，必要的單回路PID自動調節回路必須是目前為止公認的成熟可靠的。高爐各系統的生產過程檢測和控制項目如下:
(1)礦槽料位
每個槽都配有壹個液位計。礦槽料位信號用於給料控制。礦槽三樓控制室有監控儀表盤，礦槽的料位信號也傳到高爐主控樓的計算機。
⑵罐下稱重
槽下的每個稱量鬥都裝有電子秤，其信號送到高爐主控樓的計算機，對稱量結果進行補償。
(3)高爐爐體、無料鐘爐頂和荒煤氣系統。
高爐爐體的檢查項目主要有:爐底、爐底、爐身、爐喉、爐頂溫度、渣風口出水溫度、冷熱風溫；爐底和爐喉鋼磚冷卻水的流量和壓力，爐體冷卻工業水的流量和壓力，爐渣風口高壓水的流量和壓力，沖渣水的流量和壓力，壓縮空氣、氮氣和蒸汽的流量和壓力；高爐總壓差、爐內靜壓和爐身透氣性的測量。
檢測頂部儲罐的壓力和溫度。料罐的空信號液位計測量；測量高爐爐料線、爐頂密閉箱溫度、密閉箱內冷卻水溫度和流量。
粗煤氣系統在除塵器上部有氣體壓力和溫度測量；除塵器下錐體的溫度測量。
自動調節爐頂煤氣壓力；熱風溫度自動調節；頂部氮封氮氣壓力自動調節等。
(4)熱風爐
熱風爐系統的拱頂溫度、煤氣溫度、氧氣含量、熱風爐煤氣量、助燃空氣量、熱風爐冷風閥前後壓差、煙道閥前後壓差的均壓信號可送至電氣聯鎖；冷風總管的壓力、溫度和流量；氣體主管的溫度、壓力和流量。空氣預熱器前後的煙氣溫度、壓力和空氣溫度。預熱器前後的煙氣、煤氣和空氣的溫度和壓力。冷卻水溫度、壓力、流量和出口水溫。
燃燒過程中，可根據拱頂溫度控制燃氣調節閥，按比例調節助燃空氣和燃氣。助燃空氣總管壓力自動調節等。
⑸布袋除塵系統
袋式除塵器系統每箱出口支管設有氣體流量測量:袋式除塵器的下錐體和中間灰鬥設有料位檢測。
除塵器的人口總管裝有氣體壓力和溫度測量裝置；潔凈氣體主管道配有氣體壓力、溫度、流量和含塵量測量。
[6]礦槽和出鋼場除塵。
礦槽和出鐵場除塵器前的溫度檢測。除塵器進出口壓差測量。灰鬥高低料位聯鎖及報警。除塵風機的運行參數和報警等。
以高爐布料為例:高爐冶煉過程是連續的，爐內有壓力並產生大量氣體，整個過程與大氣隔絕。如何在隔絕狀態下連續向爐內添加爐料，對保證高爐正常冶煉至關重要。
目前廣泛使用的無料鐘爐頂如圖4所示。成套設備為串聯罐式，用於高爐爐頂接收、進料和布料。布放工藝性能好，可實現多環或任意點布放。通常采用料流調節閥和布料溜槽的控制方式來保證礦石和焦炭在爐內的準確分配。工作過程簡述如下:
(1)當料鬥為空時，閉鎖閥關閉，上部密封閥關閉。餵養；
⑵料罐排空後，關閉料流調節閥，滾筒停止，關閉下密封閥。打開泄壓閥，料罐壓力降至大氣壓；
(3)打開上密封閥，打開擋料閥，將受料鬥中的物料卸到料罐中，排空後關閉擋料閥和上密封閥；
(4)關閉泄壓閥，打開壹級均壓閥，給料罐充氣，關閉壹級均壓，打開二級均壓，直到料罐壓力等於或略高於高爐壓力，關閉二級均壓，打開密封閥。
5]進料線達到設定值，開始布料過程:
a、升降尺將溜槽移動到設定位置，進料流量調節閥打開到設定的γ角度，啟動進料輥將物料分配到高爐。圖4調整下料閥示意圖。
B.料罐排空後，停止轉鼓，關閉料流調節閥，關閉下密封閥，放入塞尺。這塊布用完了。然後進行步驟(2)，以此類推。
利用物料流量調節閥和布料槽控制布料的原理如圖5和圖6所示:
圖5下料閥調整示意圖圖6布料溜槽示意圖。
高爐爐料經過礦槽配料過程後，首先進入上料鬥和下料鬥。高爐接到配料指令後，必須根據工藝要求將底料鬥的料流控制閥打開到給定的開度(即γ角)，爐料以壹定的流量通過布料滾筒後流向布料溜槽，布料溜槽也根據工藝要求上升到壹定的傾斜角度(即α角)。同時，布料槽在水平方向(即β角)勻速旋轉。這樣，爐料可以均勻地分布在高爐的料面上。
圖7料鬥調節閥開度控制流程圖
從以上基本控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三個角度，爐料就可以以任何形式分布到爐內。高爐布料方式有幾種，圓形布料、扇形布料、螺旋形布料、定點布料等。最常用的是圓形布料，即將壹批物料以不同的傾斜角度分布到爐內，形成以高爐中心為中心的幾個圓環，使爐料在爐內均勻分布。如果冶煉時爐內料位不均勻，可用扇形布料或定點布料來彌補。或者爐長需要根據爐況提高透氣性，保護爐墻不至於過熱等原因，還需要采用扇形或定點布料的方法來改善爐料在爐內的分布。
在布料控制過程中，控制下料鬥控制閥的開度(即控制γ角)是非常重要的。只有精確控制γ角，才能有效控制出料流量，進而更精確地控制每批料的厚度、圈數以及起點和終點。
返回爐頂料流控制閥的實際開度值(通過同步機或光電編碼器檢測轉換為實際角度)，接收爐頂控制系統的γ角度開度和動作指令。經過分析處理後，轉換成4 ~ 20mA的電信號，控制DC驅動裝置。為了使系統既具有快速響應特性，又能達到理想的精度，將PID調節和邏輯控制相結合。程序流程如圖7所示。
PLC控制系統首先檢測γ角度的給定值和實際返回值，並計算它們的差值δ。當δ值大於某壹角度(如2度)時，DC驅動裝置被給予較大的步長，使系統快速反應。當δ值小於某壹角度，即γ角接近給定值時，系統自動進入PID調節控制狀態，即隨著δ值的減小，控制系統的給定調節幅度也按比例減小，直至為零。
PID調節的參數(比例、微分、積分系數、延遲時間、偏移量等。)必須反復調試才能達到最佳效果，保證高控制精度。
根據用戶需要，可采用高爐冷風閥和爐頂壓力的自動調節。
4.開關報警
當電機在運行中準備消失，或者啟動後沒有及時得到運行響應信號，或者運行中出現過電流，或者出現綜合故障時，系統都會發出報警。壹旦檢測到開關報警，屏幕上相應的目標變成紅色，閃爍並發出聲音。如果報警目標不在當前屏幕上，系統屏幕切換按鈕上將顯示紅色閃爍邊框，提示您在該屏幕中尋找報警目標。警報可以通過操作來確認。確認後，紅色不閃，聲音消失。直到警報狀態完全解除，目標的紅色才會消失。
在開關量報警列表中，計算機自動記錄報警目標名稱、報警產生時間、確認時間、發布時間等。，用不同的顏色表示。
5.模擬警報
模擬值可以在系統的主過程畫面和各種子畫面中動態實時顯示。該值通常以綠色顯示；如果超過設定的上限和下限，並且系統處於正常運行狀態，將出現模擬報警。此時數值會閃爍紅色並發出聲音，屏幕上方會出現報警窗口，提示模擬量名稱、報警發生時間、越限和確認按鈕。確認後，報警窗口消失。模擬報警列表與開關報警列表相同。
6.實時趨勢
實時數據顯示包括三個子功能按鈕:實時曲線、條形圖和電氣儀表圖。按下功能按鈕進入不同的圖形顯示。實時曲線窗口屏幕分為四個小顯示窗口，可以同時顯示四條實時曲線。按下設置按鈕後，屏幕上彈出壹個選擇窗口，列出所有可用的模擬量。
7.歷史曲線
按下系統主菜單中的歷史曲線按鈕，進入歷史曲線和趨勢的查詢和打印功能。在屏幕上，您可以顯示單幅畫面或使用四個歷史曲線窗口分別顯示四條不同的歷史曲線。在選擇顯示或打印之前，可以設置歷史曲線的日期、開始時間和時間間隔，並且可以左右移動曲線。
8.報告打印
從系統菜單中選擇報表打印，進入報表打印功能。屏幕首先顯示當前時刻的生產班次報告，右下角有壹個報告選擇按鈕。報表打印有兩種方式:常規打印和即時打印。選擇打印功能後，打印機會自動打開電源。
9.系統維護
在主菜單中選擇系統維護，即彈出系統維護功能子菜單。對於可以改變系統運行狀態的維護功能，您必須從鍵盤輸入密碼。選項如下:
系統單步調試:用於將系統設置為單步調試狀態。
系統操作記錄:記錄上位機的權限轉換、狀態變化和操作。它可以詳細記錄值班人員的每壹次操作，包括分組操作、啟動和停止、響應報警以及調用的其他功能。可以翻看500條記錄，硬盤上記錄了500條之前的操作，最多可以記錄壹周甚至更長時間。
系統打印設置:用於設置系統的生產班報表、生產日報表、生產月報的定時打印和即時打印。設置按鈕前面有壹個指示燈，指示當前的打印狀態。
系統健康圖:用於顯示下位機各模塊的運行狀態。當下位機某個模塊出現故障時，圖中對應的模塊會閃爍紅色並報警，直到故障排除。
圖8 PLC系統健康圖表
開關和模擬控制條件表:尋呼顯示系統開關和模擬控制條件表。表中詳細列出了設備名稱、PLC接點號、櫃內進出端子號、儀表位號和量程、系統分布圖。維護人員不需要查閱圖紙就可以掌握現場信號的來龍去脈，非常方便，壹目了然。模擬控制條件表中的上限和下限報警參數也可以通過鍵盤修改。
上課工作時間設置:可通過鍵盤或軌跡球設置早、中、晚三節課的開始時間，每八小時自動分配壹節課。
系統時間校正:可以通過鍵盤或軌跡球校正系統時鐘的小時、分鐘和秒。
系統密碼設置:用於設置系統各級密碼。