自动化控制在高炉上料系统中的应用

李文峰

摘 要：河钢集团唐钢公司炼铁厂，通过多年发展扩容，陆续建成1 250 m3高炉到3 200 m3高炉，并配套建设了高炉自动化控制系统。从高炉上料系统工艺流程，设备配置，主要控制方式和系统软硬件配置角度系统阐述了自动化控制在高炉上料系统中的应用，其中涉及装料程序设定，矿石，焦炭的称量，排出，以及炉顶装料设备的控制等。

关键词：自动化控制；高炉上料；罗克韦尔

APPLICATION OF AUTOMATIC CONTROL IN BLAST FURNACE CHARGING SYSTEM

Li Wenfeng

（Tangsteel International Engineering Technology Co.， Ltd. Tangshan 063000，China）

Abstract：Through the development and expansion in these years， the iron making plant of Tangshan Iron and Steel Co.， Ltd. of Hegang Group has successively built blast furnaces with a volume from 1250 cubic meters to 3200 cubic meters， and has built a supporting blast furnace automation control system. This paper systematically expounds the application of automatic control in the blast furnace charging system from the perspective of the process flow， equipment configuration， main control mode， and system software and hardware configuration. It involves the setting of the charging procedure， the weighing and discharging of ore and coke， and the control of the top charging equipment.

Key words：automatic control；blast furnace charging system；rockwell

1 系统概述

高炉上料系统的作用是把贮存在矿槽，焦槽中的各种原料，燃料运送至高炉炉顶装料设备中。高炉的上料方式主要有斜桥料车和胶带运输机两种。目前新建的大型高炉大多采用胶带运输机上料工艺。高炉上料控制系统包括炉顶和槽下两个部分，其中槽下的主要功能是按高炉冶炼需求，实现各种原料的称量，配比，并按特定的时序通过上料皮带输送到炉顶。槽下的控制又分成两部分，焦炭系统和矿石系统。炉顶系统的主要功能是实现料批的装入[1]。

2 主要工艺流程及设备配置

矿石上料流程：烧结矿、球团矿、块矿、杂矿入炉前在槽下过筛，筛除小于5 mm的碎矿，粒度合格的烧结矿、球团矿、块矿、杂矿分别进入矿石称量斗。待得到矿石中斗申请装入命令后，按预先设定的排料方式，将称量斗中的炉料排放到槽下矿石中斗。待得到高炉装矿指令后，中斗排料，并经上料主胶带机送入炉顶料罐。

筛下的碎矿由碎矿胶带机送至碎矿仓贮存，通过外部胶带机返回烧结车间，并预留汽车外运口。

焦炭上料流程：焦炭在槽下分别筛分，筛除小于25 mm的碎焦，粒度合格的焦炭进入焦炭称量漏斗中。焦炭中斗的称量指令时，将称量斗中的焦炭排放到槽下焦炭中斗。待得到高炉装料指令，并且本次上料料种应该是焦炭时，打开焦炭中斗闸门，并通过上料主胶带机将焦炭送入高炉炉顶料罐。

筛下的碎焦由碎焦胶带机运至碎焦仓上方进行二次筛分。筛分后的碎焦（<10 mm）落入碎焦仓贮存，通过外部胶带机返回烧结车间，并预留汽车外运口。

主要设备配置如下：

焦炭系统主要设备包括：5个焦炭振动筛，焦中斗转换溜槽，2个焦炭中间秤（包括间闸门），一条运焦皮带，4条返焦皮带，两个返焦料仓。

矿石系统主要设备包括：8个烧结矿槽振动筛，8个烧结矿秤斗，8个上给料机，8个下给料机。3个杂矿槽振动筛，3个杂矿秤斗，3个上给料机，3个下给料机。1个小矿仓振动筛，1个小矿中间秤斗，1个上给料机，1个下给料机。3个焦丁槽振动筛，3个焦丁中间秤斗，3个上给料机，3个下给料机。1条运矿皮带，3条小矿皮带，2条碎矿皮带，1个矿石中间秤（包括间闸门）。

炉顶控制设备包括：炉顶有两个料罐组成，每个料罐有受料斗闸门，上密封阀，事故放散阀，均压放散阀，一次均压阀，料流控制阀，下密封阀。料罐下部为布料装置，包括倾动和旋转，探测部分为两个探尺，在布料完成时，探测料面高度。

3 控制系统总体设计

3.1 矿槽控制方式

矿槽配料系统包括两个主要子系统，即矿石系统和焦炭系统，矿石、焦炭系统可分别选择全自动操作方式，CRT手动操作方式和非常手动操作方式[2]。矿石系统主干选择至少1个矿中斗，1个杂矿称斗，1个烧结矿称斗，焦炭系统主干至少1个焦中斗，1个焦筛。

全自动方式为主要工作方式，投入全自动后，程序按照装料周期设定表，按照设备动作时序进行自动上焦、上矿，无需人工干预，设备按连锁条件自动启动、停止。

CRT手动方式主要用于调试设备和设备出现故障时使用，各设备有必要的连锁条件由人工操作键盘上的设备操作键或鼠标键来启、停设备。

非常手动主要用于高炉休风和调试设备时使用，设备之间没有任何连锁，由人工操作键盘上的社保操作键或鼠标键来启动，停止设备。

三种操作方式通过操作键盘进行选择并确认。

3.1.1 装料程序设定

装料周期设定表见装料周期设定表画面。装料一个周期正常情况为12个料批组成，每个料批对应可设定料种、结束标志、布料代号、料线设定。

装焦配料如下：正常工作时，4个焦槽都投入工作，配料设计有4种配料方式（j1～j4），组合成J1～J4四种焦炭料批，当某一焦槽故障则切除该焦槽，至少有一个焦槽工作，可以设定二个焦批重量和插焦重量，见焦炭配料参数设定表。

装矿配料如下：可以设定6种配料方式（k1～k6）组合成6种矿批，见矿石配料设定表，根据工艺要求，1～4号烧结矿称斗，可以只装烧结矿和球团矿，也可以按先后不同次序同时装入烧结矿和球团矿。不同料批可以设定相同或不同的卸料方式。

3.1.2 特殊功能

称斗、中斗模拟满、空运矿皮带、碎焦、碎矿皮带，主皮带在全自动和CRT手动方式下都可以进行启、停操作，称斗、中斗模拟满、空信号可以自动解除，也可以操作键盘或鼠标选择满、空解除。

装焦禁止、装矿禁止：在两个中斗都投入工作时，要转换为一个斗工作，则可以分别操作“装焦禁止”、“装矿禁止”，以使要切掉的中斗卸完料后，不再装料。此时可以在“设备选择画面”切掉该中斗主干，然后再分别操作“装焦继续”、“装矿继续”键恢复装焦、装矿。单个焦（矿）中斗工作时，选择装焦（矿）禁止，则该中斗空后不再装料，只有选择装焦（矿）继续后方可正常装料。选择装焦禁止、装矿可正常工作，反之亦然。

3.1.3 系统复位，故障复位

操作系统复位，则系统重新开始，称斗、中斗原有称量设定数据清零，料批代号清零，解除模拟满、空。

矿槽各个设备均设有开（启）、关超时，当出现启动、开关故障则停止设备动作，发出报警信号，待故障处理后，操作故障“复位”键复位故障信号，称斗、中斗应设有装料（称量）、卸料（排出）超时，发出该故障并不停止设备工作仅发出报警信号，处理正常后，用故障复位键复位故障信号。

3.1.4 主皮带机控制

主皮带机正常工作时，4台电机全部投入工作。当一台故障允许其它三台电机工作，这时三台电机需重新确定启动顺序，才可启动主皮带机。

主皮带机正常启动顺序及延时时间：启动顺序为1号→2号→3号→4号，若一台电机故障，则该电机切除，启动顺序不变，为2号→3号→4号，或者3号→4号→1号， 或者2号→ 4号→1号，或者1号→2号→3号。电动机启动时间间隔为3秒。

3.1.5 小焦，小矿控制

矿石称量画面（K1～K6）加入小焦、小矿称量设定值。根据读入周期设定表的料种代号，判断小焦、小矿在本批内是否称量，如果小焦小矿系统主干λ且设定值不为0则每当小焦、小矿称斗空则开始称量。根据设定值计算目标值、减速值、停车值及累计误差，计算公式同矿石称斗称量公式。

3.1.6 振筛控制

在画面上有5%设定及振筛的空振时间设定。5%设定为提前停止给料器的值。当实际称量值大于等于目标值-5%值时停止给料器的运行，振筛的空振时间由操作工设定，设定无限值。当振筛运行达到空振设定时间时启动给料器，也可以设成0。

3.1.7 焦炭称量和排出

当炉顶发出上料允许信号，当焦中斗满时，焦中斗闸门自动开，直到焦中斗空信号发出，自动关焦中斗闸门，结束料流。当焦中斗有空信号且闸门有关限位、焦中斗溜槽到位条件满足后，取出周期设定表本焦Batch的料种11～14 对应J1～J4，读取焦炭称量设定表，包括本料种对应的焦仓和称量设定值，先启动运焦皮带，然后启动所选焦仓的振筛，开始称量。在启动运焦皮带同时，计算称量目标值、减速值、停车值，并作水份补偿。

焦炭称量值（温）=

100

设定值（干）×———————————

100-上次测量水分值%

焦炭称量目标值=焦炭称量值（湿）+焦炭误差（湿上次）

焦炭称量停车值=目标值-惯性余量

焦炭称量减速值=停车值-5%值

当焦炭累计误差大于最大设定误差，则按最大误差补正，累计误差-最大误差为剩余误差，下次继续累计、补正。

当焦炭中斗满延时后，开始计算焦炭累计误差：

焦炭误差（湿）=焦炭目标值（湿）-本次实际称量值

焦炭误差（干）=

100-当次测量水分值

焦炭误差（湿）×——————————

100

3.1.8 矿石称量排出

当炉顶发出上料允许信号，当矿中斗装满时，矿中斗闸门自动开，直到矿中斗发出空信号，延时关矿中斗闸门，结束料流。

关于矿石称斗称量，当矿石称斗有一个排空时，根据周期设定表，读取本料批料种，读取料种为1～6对应矿石称量设定表K1～K6，从矿石称量设定表读取称量设定值，设定值为0则该斗不工作。读完数据后开始启动工作称斗的振动筛，然后启动给料器。启动振筛同时计算称量目标值、减速值、停车值。以A+B方式为例：首先启动烧结矿振动筛，然后启动烧结矿给料机，当烧结矿装满后，停给料机、停振筛，启动球团给料机，当球团矿装满时，停球团矿给料机。在每一个称斗每一种料装满后，都必须计算累计误差。

3.1.9 矿石称斗排出

当所有矿石称斗（工作）都称满后，且矿中斗发出装料申请信号，中间转换溜槽到位，则称斗根据本Batch所读取的排出方式（1～4）开始排料（排料前确认运矿皮带、碎矿皮带运行）以排出方式1为例：首先自动开1SWH称斗闸门，直到1SWH称斗发出空信号自动关称斗闸门。程序控制读取下一个要排料的称斗为2SWH，当1SWH料尾过2SWH称斗闸门时，自动开2SWH称斗闸门，直到2SWH称斗发出空信号自动关2SWH称斗闸门。

程序控制接着读取下一个要排料的称斗3SWH，以此类推，直到1φWH排出完成。当所有工作的矿石称斗都排出完成，且运矿皮带上无料流跟踪信号延时后，矿石中斗发出满信号，中斗装料完成。

矿石称斗称量补正，当矿石称量Batch步进，开始启动工作称斗的振动筛时，计算每个称斗称量目标值、停车值、减速值。

称量目标值=称量设定值+累计误差

称量停车值=目标值-惯性余量

称量减速值=停车值-5%值

当累计误差最大设定误差，补正按累计误差计算，当累计误差大于最大误差时，补正按最大误差补正，累计误差-最大误差=剩余误差

工作的矿石称斗称量完成时，开始计算累计误差

累计误差=目标值-本次称量实际值+剩余误差

3.2 炉顶控制方式

炉顶系统的运行方式共分四种。

3.2.1 全自动方式

系统运行在全自动方式，在外部设备正常的情况下，不需要人为干预，只需将所需参数设定正确，系统自动按照工艺流程运行，在运行过程中，外部设备出现故障，系统提示设备故障，自动方式暂停，全自动方式控制内容有：

1）环形布料（单环，多环）控制

2）装料控制

3）赶料控制

4）卡料控制

5）故障处理

全自动控制是高炉炉顶最高级的控制方式，要求设备均处于良好状态。

3.2.2 半自动方式

半自动方式是根据工艺设备配置图，将炉顶系统分为左右罐两个子系统，系统自动按周期设定表进行布料，半自动操作方式控制内容有：

1）环形布料（单环／多环）控制

2）装料控制

3）卡料保护控制

4）故障处理

3.2.3 CRT手动操作方式

CRT手动布料方式可进行“手动环布”，“扇布”，“点布”。

手动环布将系统确定的料罐中的料批用环布设定的数据布入炉内，布料完成自动清除。

扇布在料面出现倾斜时，用于对某一区域进行补料，操作人员只需设定β起始角，终止角，α起始角，料流阀设定角即可。

点布时，操作人员只需设定β角度，α布料角度即可，CRT手动只用于在外部设备不正常或非常情况下的操作方式，联锁条件与半自动相同，需要人为干预，正常生产中不宜采用。

3.2.4 非常手动操作方式

非常手动操作方式只在系统设备出现故障时才投入，可对任一设备进行操作，设备之间没有联锁条件，单个设备自身保留安全连锁。非常手动投入后对原运行方式没有影响，可随时入切。

4 控制系统硬件设计

系统硬件以电仪一体化的PLC控制装置为核心，根据控制功能区域划分为分散式的控制单元，采用典型的远程I/O，远程I/O与主站采用环网连接，组成环网的两条光纤必须敷设在不同层桥架，如只有一条路由，需分层敷设。通过软件组态编程实现过程控制所必要的全部监控功能。基础自动化级系统选用罗克韦尔公司的AB PLC系统、电源和网络设备，具有高速网络传输技术和硬件热插拔功能，确保系统具有高效数据交换和I/O处理能力。矿槽、炉顶、选用冗余控制器，主机架电源、CPU、网络等采用冗余配置，I/O模块配15%～20%余量。现场信号直接进DI、DO模块，不设中间继电器，DI模块通道采用220 V供电。两线制模拟量信号加配电器。直流24 V电源冗余配置，模块供电和外部供电分开设置。所有现场设备需与PLC设备、电脑、服务器分开供电，所有电气开关阀（无论220 V还是24 V）均由MCC柜内提供电源，所有现场仪表（CO报警除外）设备（无论220 V还是24 V）均由仪表电源柜内提供电源。PLC UPS只给PLC机架、柜内交换机、柜内配电隔离器、一二级服务器、操作电脑供电，除上述5种设备以外的设备，均不能采用PLC UPS电源供电。

本项目的控制系统要求采用网络控制技术，基础自动化网络采用千兆冗余环网，光纤采用锴装单模8芯。高炉矿槽、炉顶控制系统接入到环网内。

5 控制系统软件设计

软件采用RSLogix 5000 编写。使用Logix5000可以完成硬件组态和软件编程工作。AB编程软件的特点就是可以在线修改，这一点是区别于其他自动化产品的一大优势。高炉上料系统控制程序大部分是用梯形图语言编写。梯形图语言的特点易于阅读，便于自动化维护人员在线调试程序。一旦出现故障，也便于分析事故原因，简单明了。其中一些偏重于计算的程序用结构化文本编写。结构化文本更贴近于高级程序设计语言，可以实现比较复杂的计算功能。

Logix5000编程软件可以组态连续性任务和周期性任务等。高炉上料系统控制程序采用面向过程的设计方式，具体分为系统主程序，由主程序调用焦炭称量，矿石称量，称量重量计算，误差累计，与其他系统通信等子程序。这些都作为连续性任务，CPU以200 ms为周期连续性的扫描执行。把PID程序作为周期性任务，以固定的周期执行[3]。

6 结束语

上料系统在整个高炉炼铁冶炼过程中是至关重要的环节，在实际生产过程中，上料系统出现故障的概率最大，对事故处理的时间要求也最高。上料系统故障超过10分钟就会造成高炉减风甚至引发休风事故。本控制系统投入使用后，稳定可靠，保证了高炉冶炼对原料的需求。发生事故后，对故障原因的分析也是方便快捷。相信随着PLC、DCS等设备的技术进步和自动化维护人员的经验积累未来会做出更加优秀的控制系统，服务于现代化的生产过程。

参考文献

[1] 张君霞.基于PLC的高炉上料控制系统设计[J].工业控制计算机，2019，（12）：150-152.

[2] 熊家慧，唐卫平.高炉上料控制系统的设计与研究[J].自动化应用，2019，（4）：146-148.

[3] 罗克韦尔公司.Allen-Bradiey系统用户手册[M].美国：罗克韦尔公司，2018年.