高炉喷煤自动控制系统设计

梅小龙，梁海龙，白峭峰

（中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 030051）

0 引言

高炉喷煤就是将煤磨成细小的无烟煤粉或者烟煤粉，然后将其或者两者的混合物从高炉风口用风机吹进炉内，为炉内物质提供热量和还原剂［1］。

高炉喷煤缩小了炉内的呆滞区，降低了理论上的喷吹风口的燃烧温度，扩展风口前的回旋区，这样能提高风温和改善炉内的理化环境，为高炉的稳定运行提供可靠的环境［2］，因此高炉喷煤是目前关于高炉冶炼系统优化的核心。

喷煤量是高炉喷煤的影响因素，高炉喷煤的稳定性是其喷煤技术水平评判的重要影响因素。高炉喷煤的喷煤装备、喷煤工艺、自动控制系统和喷煤系统的测控手段是影响喷煤量的重要因素［3］。因此，分析喷煤工艺，设计合理的自动控制系统和控制方式，能够很好地提高高炉喷煤的技术水平［4］。

1 喷煤工艺简介

高炉喷煤由原煤储运、制粉、喷吹和供气等工艺环节组成。原煤储运环节包括储存运输、煤场等；制粉包括引风机、给煤机、原煤仓、中速磨、布袋收粉器、布袋收粉器等；喷吹包括煤粉仓喷吹罐、喷枪、分配器、布袋收粉器（煤粉筛）等；供气环节由高低压空气系统组成，主要是为了维持系统的正常运行和稳定工作［5］。整个高炉喷煤系统工艺流程如图1所示。

2 自控系统的设计

2.1 系统综述

为提高煤粉喷吹的效率、改善劳动环境及合理安排生产管理，且基于喷煤设备控制复杂、设备分散的原因，本文设计了集中控制、分散采集数据、汇总处理控制的控制系统。本控制系统由上位机、PLC 和现场控制的各控制单元组成。上位机由两台安装有WinCC软件的计算机组成，其可同时完成制粉和喷吹等工艺的操作，并相互备份，提高系统的控制可靠性，且能监控系统的运行状况、工艺执行情况及故障等。PLC 可编程控制器采用西门子S7－300PLC，整个系统由以太网连接，实现各连接部分的数据传输交换和共享。系统的总体结构设计如图2所示。

图1 高炉喷煤系统工艺流程图

图2 系统总体结构设计框图

系统工作时，当上位机发出停机指令，系统按照流程图指向，每隔一段系统设定时间，停止一个机组，当最后一个机组设备停止工作后，系统发出的停机指令完毕。系统运行中，当所设置的报警指令触发时，上位机弹出报警提示界面，给出要求停车信号，如果没有得到响应，系统会按照事前设定的工艺要求自动运行，保证设备的安全和系统的稳定。

系统停止时停止一切工作，系统运行时，默认为手动工作方式，需人工设定选择自动工作方式方能自动控制。

2.2 喷煤系统硬件结构

系统硬件网络由上位机计算机、S7－300PLC 和远程控制模块ET200M 通过PORFIBUS－DP 连接组成。远程控制模块ET200M 与PORFIBUS－DP之间通过通信接口模块IM153－1 连接。其中ET200M 主从站之间的数据交换采用周期1／0方式。即按照主从式数据交换方式周期地将数据从从站发回主站，主站计算后将响应传回从站，实现数据的传输。在各自的PLC运算周期内，从站的布尔处理器与通信处理器进行数据交换，主站CPU 通过内部数据总线与接口模块IM153－1进行数据交换。

2.3 喷煤系统的程序设计

PLC程 序 块 有1 个OB 块，5 个FC 块，分 别 为FC10块（高炉喷吹罐阀门的手动控制程序）、FC11（制粉过程手动控制程序）、FC12（系统整体手动和自动调节）、FC13（制粉过程的自动控制程序）、FC14（喷吹过程自动控制程序）。OB 块是主程序块，在运行过程中通过调用5个FC块来完成设计的功能。

OB块作为程序的组织块，是执行程序的入口，然后再上位手动选择执行自动或手动。选择自动时系统会自动执行FC13和FC14两个功能块内的程序；选择手动时，操作员可根据工艺流程在上位执行操作并运用FC11和FC10两个功能块内的程序。

在人机界面上点击自动，然后点击自动运行，系统将按图3中的步骤自动完成喷吹过程。

在喷吹过程中有泄压过程、加料过程、加压过程、喷吹过程4个过程，需要注意的是在不同的动作条件下不同的阀有不同的开闭状态。

2.4 上位监控界面设计

通过分析该高炉喷吹自动控制系统流程图可知，上位机人机界面应包括以下内容：登录界面、制粉界面、喷吹界面、喷吹趋势界面、退出系统界面。其中喷吹界面如图4所示。

上位机操作界面由WinCC 组态软件设计，通过该界面，工作人员能实时地监控整个喷煤过程的实时数据，并做出相关的响应操作，从而有效地利用资源，提高生产效率。

3 总结

本文设计的高炉喷煤自动控制系统能有效地实现高炉喷煤的各项工艺流程的自动控制，且使喷煤实现了均匀、稳定、大喷吹。

图3 喷吹过程运行流程图

图4 喷吹界面

［1］ 金艳娟.高炉喷煤技术［M］.北京：冶金工业出版社，2005.

［2］ 谢建民.安钢1号高炉喷煤自动控制系统研究［D］.北京：北京科技大学，2005：20－23.

［3］ 王国雄，王铁，沈峰满，等.现代高炉煤粉喷吹［J］.北京：冶金工业出版社，1997.

［4］ 郭术义，陈举华，王潍，等.高炉喷煤的数值模拟与应用［J］.济南大学学报，2003（4）：337－339.

［5］ 杨婷，王时胜，杨剑.系统工程理论在企业经济模型中的应用及其计算机仿真［J］.南昌航空工业学院学报（社会科学版），2002（4）：59－61.

［6］ 梁福臣.模糊控制理论在高炉喷煤控制中的应用［D］.昆明：昆明理工大学，2005：31－32.

［7］ 杨天钧，刘应书.高炉富氧喷煤－氧煤混合与燃烧［M］.北京：科学出版社，1998.