刍议PLC 在钢铁冶金企业电气自动化控制中的应用

袁世鹏

（新余钢铁集团有限公司数智化部，江西 新余 338000）

0 引言

作为国民经济支柱产业，钢铁冶金生产工序烦琐、复杂，涉及的人员、机械等要素十分多样，现阶段自动化控制技术优化发展，给冶金企业的生产管理提供了极大助力，员工劳动强度降低，工艺顺序控制、精度控制都更有保障。但由于现有的自动化技术开放性较差，无法实现自发逻辑编程控制，设备性能、参数设置等很可能不符合企业实际需求，因此造成的能源浪费、效率下降等问题也普遍存在，有必要引进灵活性更高的PLC 技术进行优化改造。

1 PLC 特点及优势

PLC 技术最早于20 世纪中后期出现在国内钢铁企业的生产经营中，宝钢是最先引进该技术的企业，初代引进的设备数量高达200 余台，由于采用成套购置和安装方式，因此支出费用非常高昂。至20 世纪90 年代以后，PLC 技术应用范围更加广泛，设计、编程方案也更加完善，在降低费用支出的同时实现了高效的自动化控制，其优势主要体现在以下3 个方面。

（1）体积小且安装方便。PLC 编程语言较为丰富，其中梯形图、流程图语言简单易懂，能够满足多数生产控制需求，装置体积较小且非常轻便，只需将现场设备与PLC 对应的I/O 接口联通即可，用其替代PID 控制方法[1]，可以显著提升动静态属性，参数监控的处理能力也比传统的监控设备要强大，因此得到了诸多企业的青睐。

（2）满足差异化生产需求。钢铁冶金工艺较为烦琐和复杂，钢铁原料称量、流量计算、集料比例配置等均存在较大差异，而PLC 采用可编程设计方式，内部配备有丰富的输出输入接口，钢铁冶金企业完全可以根据实际情况设置控制逻辑，对参数阈限、控制阀等进行灵活改进，有助于提升自动控制差异性，保障工业生产效率和质量。

（3）降低故障发生概率。钢铁冶金生产设备多样、现场环境复杂，因此仪表系统、控制系统等很容易发生故障，而PLC 技术提供了大量的软触点，可以显著降低磨损概率，且PLC 硬件架构采用模块化设计方案，电源、CPU、编程器等模块相互独立，设置有配套的故障指示装置，能够明显缩减故障停机时间。

2 PLC 硬件结构及应用要点分析

PLC 技术全称为可程序化逻辑控制器（programmable logic controller），是一种内嵌微处理器的高端装置，能够在指令存储的基础上对各模块进行控制协调，其硬件结构主要分为7 个模块，电源模块负责能源转化和供应，中央处理器模块负责指令下发、接收以及识别，另设输入输出（I/O）模块、编程模块、通信模块等，可以为装置的平稳运行提供助力（图1）。现有的PLC 经过长时间的发展和变革，已经具备了较为完善的技术体系，可以支持多种语言的编程需求，常见的有控制系统流程图、梯形图等，前者主要用于工序过程控制场景，后者则用于离散控制系统DCS（distributed control system）的设计中，配合基础的语句表编程语言类型，能够为钢铁冶金产业提供更加完善的管理流程。实践中要结合工序情况对PLC 硬件进行合理选用，根据传感器、智能仪表型号确定PLC 端口，对控制器反应需求、输出信号需求等进行深入分析，并选择适配的PLC 机型，同时对各种语言进行搭配使用，比如步进电机控制中可以采用PLC 顺序控制语言，多级分布式控制系统中则更推荐DCS 方式，最大限度保障自动化系统优越性。

图1 PLC 硬件模块构成

3 PLC 在钢铁冶金企业中的应用思路及方案

3.1 高炉控制自动化

高炉是钢铁冶金企业重要的生产设备，外部以钢板作炉壳，内部衬砌耐火砖进行防护，按照功能种类的不同，基本可以分为高炉本体、热风炉、喷煤系统、水处理系统以及上料系统等，子系统之间关联十分紧密，任何疏漏均有可能影响冶金生产质量。PLC 技术融合使用过程中，需要处理好各模块之间的通信连接关系，推荐采用小型TCP/IP 以太网通信方式，以微机联网方式在各数据服务器、工程师站、调度室之间建立沟通桥梁。其中上料系统选用的PLC 控制器要足够灵敏，能够连接和控制槽下运料皮带、振动筛、液压油泵等设备，对于称量斗误差情况还能够进行为微波检测和补偿控制。炉顶装料系统同样内嵌PLC 装置，可以控制密封阀、节流阀等，高炉本体采用仪表控制方式，配额传感器实时采集炉内压力、流量计温度信号，所有数据实时传送回PLC 装置，内部CPU 判别比较后控制炉顶压力变更，参数记录还能拷贝、传送回数据服务器，按照实际需求生成历史报表和变化曲线，为生产管理的统筹协调提供依据。热风炉系统采用两烧一送方式，内嵌PLC 装置对热风阀、烟道阀、冷风调节阀等进行管控，所有控制指令建立在参数分析基础上，管理效率和质量更有保障（图2）。

3.2 电机变频调速与降耗增效

高炉鼓风机是冶金生产系统中极为关键的动力设备，其运行稳定性、高效性直接影响冶金生产效率，若鼓风机出现故障、停机问题，将会给企业带来不可估量的损失。与此同时，该部分也是整个高炉系统中功率载荷最大的部分，据相关数据统计，2019 年我国单位钢耗电量基本可以达到474kWh/t[2]，其中有多数能耗都来源于鼓风机，因此强化电机变频调控势在必行。分析能耗问题时，可以发现无功功率在其中扮演了极其重要的角色，无功功率的增大不仅会影响电压，还会导致严重的线损、变压器损耗问题，加剧资源浪费问题，因此设计过程中完全可以借助PLC 装置对无功功率情况进行实时监测，数据返回计算后生成相应的优化方案，并将指令馈回PLC 装置，实现电机的变频调速与降耗增效。

此外，钢铁冶金生产工艺中，热轧工艺也是导致能耗急剧上升的重要诱因，借助PLC 技术对其进行优化改造时应当做好流程把控和针对性分析，第一道加热炉均热工序中，可以设置PLC 自动调温控温程序，通过电热偶、电控烧嘴的参数调控保障均热处理质量，减少危险因素。第二道的高压水除鳞系统中，可以借助HMD 探测板坯位置，并依托PLC 装置控制喷射阀组启闭，最大限度保障精准性。第三道压机系统运行环节，同样可以借助PLC 技术对AGC 厚度、HGC 辊缝[3]等进行调整控制，保证板坯加工塑性质量，在最后的冷却、卷曲工艺中，需要通过快冷、层流等方式对板材进行优化处理，可以借助PLC 技术对侧导板、助卷辊踏步等进行控制，简化工艺的同时提升轧钢质量。

3.3 配比计算与配料调控

铁矿粉、焦炭等是钢铁冶金生产链中不可或缺的原料物资，其供应速度、配比均会影响生产效率和质量，传统进料场控制多依赖继电器、接触器装置完成，其中包含的元器件种类非常多样，接线也十分复杂，单个部位的故障问题很容易扩散、蔓延，造成大规模的停机隐患。PLC 技术与传统的控制装置相比，稳定性、高效性都要更加明显，开关动作由无触点半导体电路完成，设备接线显著简化，限位开关、传感器等直接与PLC 端子连接，即可满足联通控制需求，内部配备的故障指示装置还能实时检测和警报，大幅简化了故障检修工作量（图3）。融合设计时注意做好控制需求分析，作业流程应当具备自由选择、取消功能，支持人为远程输入指令，流程之间也要建立起互锁关系，凡是含有一个或一个以上相同设备的流水线，绝对不能同时启动，避免现场出现不同原料混合输送的情况，减少多来源原料同时汇聚可能造成的堆料、压带问题。单条流水线之中则要处理好上下游设备的联锁启动关系，防止原料已经进入但胶带机却静止的状况，减少现场堆料造成的不良影响，同时配备现场急停功能，若生产线中出现打滑、堆料等情况时，要能够及时停车并发出提示，待到上游空出并排除故障隐患后方可重新启动。

图3 钢铁冶金企业PLC 自动供配料系统结构

3.4 烧结除尘与炼铁除尘

粉尘污染是钢铁企业烧结、冶金生产中较为常见的污染类型，原料运输、装卸过程中会产生大量含尘废气，生产中涉及的多种化学反应还会加剧废气产生量，部分气体成分较为复杂，含有大量的氧化铁烟尘，粒度比常规粉尘小且吸附力极强，治理净化难度较高。PLC技术的出现可以较好地解决这些问题，将之内嵌于原料准备系统中，原料从破碎、混合至筛分、运输均在监控范围之内，通过逻辑设计定时喷洒水雾实现水利除尘，筛分环节则设置密闭抽风除尘系统，传感器感应到原料运送到位后，由PLC 负责指令下达和远程控制，另配备分散式除尘系统，可以根据实际情况选取泡沫式或脉冲式设备，与PLC 互为配合最大限度保障除尘效果。烧结机系统内同样可以装设PLC 装置，对烧结过程中的二氧化硫浓度进行检测，当其达到一定浓度后启动脱硫引入开关，二氧化硫经过专门的石灰石膏处理或钢渣石膏处理后，浓缩和凝练成硫酸铵，方便后期回收使用。球团竖炉、炉前矿槽等处同样可以采用类似的除尘优化技术，为企业经济效益、环保效益的提升奠定基础。

3.5 故障响应与自动停车

冶金生产现场环境较为复杂，设备连续运行时间长且工作强度大，很容易出现各种各样的故障，常见的比如松动故障，多发于振动筛、球磨机等设备中，基础松动是其中较为典型的类别，表现为机械底部支座、承座的紧固螺栓松动[4]、轴承外套松动等。再比如变形故障，多是由于安装、制作不当，致使轴类零件长期承受偏心应力，进而出现变形弯曲现象。此外磨损性故障也是非常多见的种类，多发于齿轮、链轮等对转零件中，其中的元部件相互接触，在长期的运行过程中发生损耗。钢铁冶金企业现场粉尘较大，酸碱环境较为复杂，设备长时间投产运营后外部密封壳很容易发生损坏裂缝情况，粉尘随间隙进入设备内部，也会进一步加剧磨损问题。故障发生后不仅会干扰正常生产秩序，造成停工降产等问题，还会带来严重的安全隐患，PLC 技术引进后，可以根据实际需求设定故障检测参数和阈值，比如动作超时判定、过动作判定等，一旦超过预设值上限即可发出警报，提醒现场人员检查定位，对于严重故障问题还可以及时停车，防止故障扩大造成高额损失或滋生安全问题。实践中也可以与人工智能技术、专家系统[5]等联用，发生故障后PLC 直接返回相关数据，系统后台计算分析，并得出相应的定位和检修解决方案，供检修人员查看参考，加快检修速度的同时保障流水线正常运行。

4 结语

综上所述，钢铁冶金工艺具有鲜明的烦琐性、复杂性特征，冶炼温度、压力、送料速度等均会影响冶金成效，实践中务必要给予充分重视，利用PLC 技术对高炉装料系统、仪表控制系统等进行优化，结合高效感应、控制器改进料场供应链，同时借助PLC 技术高端性能提升除尘系统、故障响应系统性能，完善热轧工序生产线，降低能耗的同时保障生产安全性和高效性，为钢铁企业的可持续发展奠定坚实基础。