（控制理论与控制工程专业论文）高炉自动控制系统应用研究.pdf

摘要 本课题来源于合肥钢铁公司炼铁厂3 # 高炉控制系统自动化改造， 原有的3 捍高炉控制系统在生产工艺和控制模式上都存在着很多问题， 因而在一定程度上影响了整个系统的自动化水平，而且人工耗费量大， 制约了产量和质量的提高。该项目的3 号高炉控制系统设计采用最新 设计思想，即i e 设备( 仪表与电控设备) 一体化( 全p l c ) 以使维护 方便、设备最少，以及低成本自动化的思想，即基础自动化级采用全 p l c 方法；过程自动化级采用工业p c 机，监控软件设计采用功能强大 的组态软件设计。 本课题主要研究高炉本体监控和高炉槽下的控制系统设计，在设 计该控制系统时，我们结合了国内外现代化高炉的先进技术和发展趋 势，以及企业的工程实际和用户的要求来设计合理的控制监控系统方 案。同时，考虑到国内钢铁企业的实际情况，在跟踪国际先进技术的 前提下，保持了符合国情的的适度先进性，从而获得最佳的性能价格 比。 整个控制系统的基本特征如下： 主工艺线的电控设备、仪表设备与控制计算机构成信息集中、 控制分散的一体化系统： 控制系统采用计算机分级控制，除基础自动化级( 设备级的自 动化控制) 外，还设有过程自动化级( 监控级) ，并建立了生产过程实 时数据库和历史数据库，为提高生产技术创造条件； 监控系统设计了更多易懂、易看、易解析、易操作的画面为有 效操作高炉创造条件； 整个控制系统由二级控制系统和二层通讯网络构成。保证系统 的完整性、合理性，确保系统自动运行。 关键词：高炉控制系统“p l cw i n c c网络通讯 a b s t r a c t t h ep r o j e c tc o m e sf r o mh e f e ii r o na n ds t e e lc o m p a n y sn o 3 b l a s tf u r n a c ec o n t r o ls y s t e m i n t r i n s i cc o n t r o lp a t t e r no fn o 3b l a s t f u r n a c ec o n t r o ls y s t e mh a dm o r ep r o b l e m s ，a sar e s u l t ，t h e yi n f e c t e dt h e c o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n s i tu s e dm u c hm o r em a n p o w e ra n dr e s t r i c t e dt h e i m p r o v e m e n to fo u t p u ta n dq u a l i t y t h ep r o j e c to fn o ，3b l a s tf u r n a c e s c o n t r o ls y s t e mu s e su pt ot h em i n u t ed e s i g n e di d e a n a m e l yi ee q u i p m e n t i n t e g r a t i o n ，i tm a k e sm a i n t e n a n c ee a s i e ra n dl e s se q u i p m e n t s a sw e l la s t h el o w n e s sc o s ta u t o m a t e di d e a n a m e l yt h el e v e lo fb a s i ca u t o m a t i o n u s ep l cm e t h o d ，t h el e v e lo fp r o c e s sa u t o m a t i o nu s ei p c ，t h ed e s i g no f m o n i t o rs o , w a r eu s ei n d u s t r yc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h et a s kr e s e a r c h e sb l a s tf u r n a c e sm o n i t o rs y s t e ma n db l a s t f u r n a c e sc o n t r o ls y s t e md e s i g n i nt h et i m eo fd e s i g n e dt h ec o n t r o l s y s t e m ，w ec o m b i n e m o d e r nb l a s tf u r n a c e sc o n t r o lt e c h n i c a la n d d e v e l o p i n gt r e n d ，a s w e l la st h e e n t e r p r i s e s a c t u a ls t a t u s i nt h e p r e c o n d i t i o no ft r a i l i n gt h ei n t e r n a t i o n a lm o d e r nt e c h n i c a l ，w ep r e s e r v e d m o d e r a t ea d v a n c e dt e c h n i q u ea n df i to u r c o u n t r ys t a t u s t h e r e b y i t o b t a i n st h eb e s tp e r c e n to fp e r f o r m a n c ea n dp r i c e ， a l lb a s i cc h a r a c t e ro ft h ec o n t r o ls y s t e ma sf o l l o w s ： t h em a i nt e c h n i c a le l e c t r i c a le q u i p m e n t ，t h ei n s t r u m e n te q u i p m e n t a n dc o m p u t e rc o n s t i t u t et h es y s t e mo fi n f o r m a t i o nu n i f ya n dc o n t r o l d i s p e r s e a u t o m a t i o ns y s t e mu s et h ec l a s sc o n t r o l ，e x c e p tt h el e v e lo fb a s i c a u t o m a t e d ，i th a st h el e v e lo fp r o c e s sa u t o m a t i o n w eb u i l dt h er e a lt i m e d a t a b a s ea n dh i s t o r yd a t a b a s eo fp r o d u c e a u t o m a t i o ns y s t e mc r e a t e st h e c o n d i t i o nf o ri m p r o v i n gp r o d u c et e c h n i q u e ， 。w ed e s i g n e dt h em o n i t o ri n t e r f a c e t h ei n t e r f a c ec a nb ee a s i l y u n d e r s t a n d ，w a t c h e d ， r e s o l v e da n dm a n i p u l a t e d 。t h ec o n t r o l s y s t e mh a s t w ol e v e lc o n t r o l s y s t e m a n dt w o c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h em e t h o da s s u r e st h e s y s t e mi n t e g r a l i t y , r a t i o n a l i t y k e yw o r d s ：b l a s tf u r n a c e a u t o m a t i o ns y s t e mp l cw i n c c n e t w a r ec o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。捌我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成粜 也不包含为获得金月三业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的院明并表示埘意。 学位论文储签名锄斥 签字嗍饵l ，月厢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向l 目 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒脞：些盘堂 f 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 工作单位：绯亥 荜卅幺 通讯地址宅徽衅事州蓓确 导师签名 签字日期：2 一悔多月j 多e 1 电话： 邮编：z 3 3 。f 强 彳 1 翌 蜘加力阳 名 年 槛 叶 作 哆 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 本文是在我的导师王华强副教授的悉心指导下完成的。两年多来，王老师 给我提供了良好的实验条件和动手的机会，并在学习和生活上给予充分的指导 和帮助。在和王老师讨论问题的过程中，他严谨、求实的治学态度、对科学持 之以恒的钻研精神和正直、宽厚的为人之道对我产生了非常深刻的影响。在此 我向他表示最诚挚的敬意和深深的感谢。 另外我在进行论文工作期间，得到了我的同学们的无私帮助。在此向他们 表示诚挚的谢意。 最后感谢我的家人多年来对我的理解、支持与鼓励，并把此文献给他们。 李少东 2 0 0 4 年4 月于合肥工业大学工业自动化所 第一章文献综述 高炉炼铁过程十分复杂，它涉及到气、固、液三相的交互作用， 因此，全面而正确的理解高炉内发生的各种现象很困难。长期以来， 工长操作高炉基本上依赖自身的经验。正是这些特点使的高炉的过程 控制成为计算机的最佳应用领域。 计算机控制是高炉现代化的一个重要标志，它在提高高炉生产率 和生铁的质量、降低燃料消耗、延长高炉的寿命等方面可以发挥巨大 的作用。高炉自动化的目的主要保证高炉操作的4 个主要问题：即正 确的配料并以一定的顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节料 柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触；保持合理的热状态。现代 高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管 理用的计算机。如芬兰罗塔鲁基公司拉赫厂的高炉是6 0 年代由前苏联 设计和建造的，当时的各项指标都比较落后。而最近十几年来，这些 高炉已经跻身于世界最先进高炉的行列。他们的经验主要有两条，一 是提高烧结矿和焦炭的质量，二是建立了性能优良、工作可靠的计算 机控制系统。现在，世界各国主要产钢国都采用了计算机控制高炉， 其中水平最高的当属日本。 1 1 高炉三电自动化系统发展趋势 目前高炉三电自动化系统有下列趋势：( 1 ) 系统结构都是e i c 一 体化系统，计算机控制，有些还设有管控一体化，并作为全厂c i m s 的 一部分。( 2 ) 在设备选用上，基础自动化级过去是仪表采用d c s ，电 控采用p l c ，现在趋向于采用i e 一体化设备，即全d c s 或全p l c 以 使联网容易，备品减少。近年来无论d c s 或p l c 的网络都加强了其性 能以及和异种机的连接，近年来不少新建或改建的高炉又在仪表上采 用d c s 而电控上采用p l c 如我国的宝钢1 号高炉、昆钢新高炉、武钢 新高炉等。( 3 ) 专用仪表增加，包括炉顶热成像和微波料面计等。( 4 ) 显示画面的革新，如三维化，。多媒体报警以及可视化，可视化即利用 传感器和数学模型以及动态显示，使不可见的高炉内部变为可视。 有关国内新建或改建的部分高炉的自动化情况见表1 1 厂名高炉 容积m 点火日期仪表系统电控系统 宝钢1 号高炉4 0 6 31 9 9 7 ，5横河c e n t a r e c s安川c p 一3 5 0 h 2 号高炉4 0 6 31 9 9 1 ，6横河c e n t u m安川m b f 5 0 0 3 号高炉4 3 5 01 9 9 4 ，9西屋w d p f西屋w d p f 武铜新3 号 3 2 0 0 霍尼维尔t d c 3 0 0话门于s 5 1 5 0 u 鞍钢1 0 号高炉 2 5 7 0 1 9 9 5 ，2m o d i c o n 公司的p l c 9 8 4 马钢新1 号2 5 0 01 9 9 4 ，4西屋w d p f 上钢一厂 2 5 0 01 9 9 9 ，6西屋w d p f 包钢4 号高炉 2 2 0 01 9 9 5 ，1 1m o d i c o n 公司的p l c 9 5 4 本钢5 号高炉2 0 0 0m o d i c o n 公司的p l c 9 8 4 昆钢6 号高炉2 0 0 0霍尼维尔t d c 3 0 0g e 9 0 7 0 型p l c 表l l 1 1 1 国内三电自动化系统发展状况 国内近年来新建和改建的高炉所采用的三电自动化系统主要有以 下几种： ( 一) 、宝钢的1 号高炉，原三电自动化系统在基础自动化方面， 仪表使用日本横河公司的i 系列模拟仪表，电控使用目本安川电机的 p l c ，过程计算机采用横河公司的y o d i c 一1 0 0 0 型计算机，该高炉大修 时自动化系统进行了更换，其配置如图1 1 所示 田l i 鸯蛹l 粤高炉兰电自动忱 系统特点如下： ( 1 ) 满足工艺要求，包括新增喷煤和脱硅等控制； ( 2 ) 实现新的一代e i c 一体化。采用高功能、大容量的人机接口 ( m m i ) 装置及统一的e i c 网络v - n e t 并将m m i 和计算机接在同一以 太网上，已进行画面和数据的高速传送，提高了集成度减少了m m i 的 台数。 ( 3 ) 全c r t 操作。多窗口显示，采用1 7 7 8 c m 大屏幕显示装置； 2 ( 4 ) 二重化( 热冗余) 结构。v - n e t 网络二重化，过程计算机双 机系统m m i 可互为备用； l 号高炉的自动化系统过程级功能为：( 1 ) 料仓数据管理；( 2 ) 装 入数据管理；( 3 ) 热风炉数据管理；( 4 ) 铁渣数据管理；( 5 ) 数学模 型；( 6 ) 工艺设备管理；( 7 ) 高炉本体数据处理；( 8 ) 数据显示；( 9 ) 数据记录；( 1 0 ) 通讯管理。 ( 二) 、本钢5 号高炉三电自动化系统如图1 2 所示 使袭系统设备电控系统设备 w t 2 本钢5 号高炉三电自动化系翁 其系统仪表、电控均采用p l c 来执行，采用美国m o d i c o n 公司 的9 8 4 b 型的p l c 作为基础自动化级控制，监控级采用工业计算机。基 础自动化的功能主要有：( 1 ) 按照值班室要求实现周期料批指挥程序； ( 2 ) 主卷扬料车控制；( 3 ) 炉顶液压站大小钟控制；( 4 ) 探尺、均压、 放散、布料器控制、料线显示；( 5 ) 矿焦闸门、碎焦卷扬、焦筛、碎 焦筛控制；( 6 ) 振动筛、板式给料机、翻板机、矿粉卷扬机等控制；( 7 ) 炉顶压力、热风温度控制；( 8 ) 热冷风温度、压力、冷风流量、炉基 炉喉温度、炉身下部温度、等数据的采集和传输等。上位机的主要功 能有：( 1 ) 与p l c 通讯，定时采集电气仪表系统的开关量及模拟数据， 采集p l c 的健康状况：( 2 ) 定时向p l c 和图形工作站发送时钟；( 3 ) 各种参数的采集处理、存储数据及报警判断，定时向图形工作站传送 最新参数；( 4 ) 接受图形工作站的各种控制指令，并在处理后送p l c ； ( 5 ) 参数初始数据的组态；( 6 ) 打印报表。 1 1 2 、国外高炉三电自动化系统发展 国外高炉三电自动化系统发展很快，如芬兰罗德洛基拉赫钢厂有 两座高炉，原有效容积为8 9 3 m3 ，经几次改造，现容积为1 2 8 0m3 ，其 自动化系统见图1 3 所示 田1 3 拉赫锕厂高炉自动化系纹 包括基础自动化级和过程自动化级。基础自动化由数字过程自动化 系统( d p a s ) 和p l c 组成，其功能包括料仓配料制度、自动称量、自 动装料、自动布料、自动取样、热风炉控制、煤气净化和除尘系统以 及冷却水系统和数据采集等。基础自动化级与现场相连的输入输出有 5 0 0 0 多点，包括炉顶装料数据、炉料质量、炉料水分测量、炉顶煤气 温度和压力以及成分、活动炉喉板数据、炉喉半径温度、炉身探测器 探测的参数、炉身温度、炉身静压力分布、炉身冷却水温度和流量、 鼓风流量和温度、压力及湿度、鼓风富氧量、喷吹油量、炉缸与炉底 温度、铁水称量和温度以及成分、渣重量与成分等，所有必须传送给 过程机的过程数据经过一个接口单元，该单元内有关键数据缓冲器， 以防计算机故障时丢失数据。并且可利用监控系统提供的模型、专门 显示、趋势曲线及报告，对工艺参数实时修改，以便操作员和工长正 确地作出短期和长期决定。拉赫钢厂的高炉经过现代化改造后，炉况 非常稳定，并大大降低了燃料比( 达到每吨铁4 3 0 4 3 5 k g ) ，提高了生 产率( 达每天每m3 产铁3 4 3 5 t ) 和作业率。 日本近年来没有新建高炉，主要是维持和大修，但其三电系统无 论硬件、软件都有很大进步，主要表现为：( 1 ) 三电一体化表现为人 机接口( m m i ) 一体化，即同一操作站c r t 可任意调用仪表和电控数 4 据。( 2 ) 过去仪表由d c s 执行，电控由p l c 执行，各操作室有各自的 终端，现在各制造厂家都加强了本身产品的功能，使自动化系统由过 去的按专业分改为以工艺设备和工艺流程来分，如鹿岛2 号高炉采用 富士的m i c r e x ，鹿岛3 号高炉采用横河的c e n t u m x l 控制热风炉的 燃烧和换炉，后者过去是用p l c 控制的。( 3 ) 全面c r t 操作，采用高 分辨率，切换时间1s 的、能显示表格、曲线和动态实时系列推移图以 及多窗口显示的c r t 。取消模拟盘，采用大屏幕c r t 。( 4 ) 各高炉均 采用多个数学模型，且不断发展，大都带有人工智能，模型都很有效 果，使高炉操作稳定，炉况顺行，改善了铁水的质量并降低了成本。 1 2 可编程控制技术在工业控制中的应用 现代钢铁生产中，传统的手动操作已远远不能获得好的控制品质。 目前，在电气控制领域，国内外普遍采用p l c 。特别是最近几年的冶金 行业中，p l c 以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力 强的特点而获得更为广泛的使用。p l c 将电控( 逻辑控制) 、电仪( 过 程控制) 和电结( 运动控制) 这三电集于一体，可以方便、灵活地组 合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。 由于p l c 是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧， 是实现机电一体化的理想控制设备。随着微电子技术的快速发展，p l c 的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。在先进工业国家中p l c 己成为工业控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业，曰益跃 居现代工业自动化三大支柱( p l c 、r o b o t 、c a d c a m ) 的主导地位。 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术控制技 术通信技术等高新技术，而在近年发展极为迅速，应用面极广的一类 工业控制装置。大量的实践证明，可编程序控制器不仅可以作为单一 的机电控制设备，而且，作为通用的自动控制装置，它也被用于过程 工业的自动控制。 可编程序控制器自诞生后，就受到工业界的欢迎。目前在世界先 进工业国家，可编程序控制器已成为工业控制的标准设备，它的应用 几乎覆盖了所有的工业企业。显然，可编程序控制器已成为当今世界 的潮流。作为工业自动化三大支柱( 可编程序控制器技术，机器人， 计算机辅助设计与制造) 之一的可编程序控制器技术将会跃居主导地 位。 1 2 1 可编程序控制器发展的特征 可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技 术、数字技术、通信技术、网络技术等高新技术的发展息息相关。可 编程序控制器发展的特征表现在下列几方面。 ( 1 ) 功能的发展。可编程序控制器从简单的逻辑运算功能，发展 到数据传送、数据比较、数据运算，直到通信功能；从l 位处理器， 发展到8 位，直到1 6 位、3 2 位，存储容量也有相应的扩展。 ( 2 ) 适应控制要求。随着控制要求的提高，对控制的精度和功能 的要求也有了提高，采用简单的逻辑运算己不能满足过程控制的要求， 从而开发了运算功能较强的数字运算等功能。随着对运算速度的要求 提高，对处理器的运算速度和存储器容量也提出了更高的要求，推动 了计算机技术的发展，同时又得益于计算机技术的发展，使可编程序 控制器上了一个等级。因此，可编程序控制器的发展是适应了过程发 展的要求而发展的。它的发展是其他高新科学技术发展的产物，同时， 推动了其他科学技术的发展。 ( 3 ) 适应工业环境的要求。可编程序控制器与通用计算机的一个 重要区别就是可编程序控制器能应用在恶劣的工业环境。也正是由于 它的环境适应性强，才使它得到广泛的工业运用。 1 2 2 可编程序控制器的特点和优势 可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存 储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系 统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 可编程序控制器的特点： p l c 的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足工 业生产用户的实际需要，因此它具有下述各种对用户至关重要的特点： 一、极高的可靠性 由于工业生产的环境条件远比通用计算机所处的环境差，因此要求 p l c 具有很强的抗干扰能力，并且应能在比较恶劣的运行环境中( 如 高温过电压强电磁干扰和高湿度等) 长期可靠地运行。 一般来说，为了提高p e c 的可靠性，可以从硬件和软件两个方面同 时采取必要的措施来实现。目前，p l c 的硬件方面主要采取下述措施： 1 、屏蔽屏蔽有两类，一类是如对变压器采取磁场和电场的双重 屏蔽，此时要用既导缀又导电的材料作屏蔽层。另一类是如对c p u 和 编程器等模块只作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。 2 、滤波在p l c 系统的i o 接口处，常会引入现场或空间的高频 干扰信号，因此在p l c 的i o 模板上多采用型l c 滤波器，它不仅可 6 滤去源自外界的高频干扰，同时也可以消弱各模块之间不必要的信号 耦合。 3 、隔离 在p l c 系统中，c p u 与各i o 回路之间( 主要指数字接 口) 几乎无一例外都设有光电耦合器作隔离，以防止外界的地线和其 它干扰信号影响c p u 的正常工作，或导致c p u 损坏。 4 、电源p l c 中的电源都具有很强的抗电网电压波动和高频扰动 的能力，同时还具有过电压、过电流等保护措施，以防止p l c 的损毁 可能导制的系统的混乱。 5 、模块式结构p l c 通常采用积木式的模块结构，这样做的目的 之一是便于用户检修。同时，在各模块上都设有故障检测电路，并用 相应的指示灯标志它的工作状态，使用户可迅速确定故障模块的位置。 6 、环境的检测和诊断电路这部分电路负责对p l c 的运行环境( 如 电网电压，工作温度环境的湿度等) 作检测，同时也完成对p l c 中各 模块的工作状况的监测。 7 、联锁功能p l c 中的输出模块都设有“使能”控制端，用以实 现各输出通道之间的联锁和互锁作用，防止各被控对象之间误动作可 能造成的事故。 8 、w a t c h d o g 电路 p l c 中的“看门狗”电路是专门监视p l c 运 行进程是否按预定的顺序进行的。如过p l c 中发生故障，或用户程序 区受损，则因c p u 不能按预定顺序( 预定时间间隔) 工作而报警。 在软件方面，p l c 中采取的主要措施有： 1 、与硬件配合：定时对外界的工作环境作状态检测( 如电网上掉 电，负压或过压，强电磁干扰等) ，以便在有异常情况下可及时处理。 2 、工作信号的保护：p l c 在受到强干扰时，迅速将当前的工作 状况和有关信息存储到磁性的，或由其它电源( 如电池) 供电的存储 器中去j 以便在强电干扰消失后，p l c 可自动从这种存储器中取出这 些信息，从而继续完成因强干扰而中断的工作。 3 、p l c 是以扫描方式进行工作的，即p l c 对信号的输入数据的处 理和控制信号的输出分别在_ 个扫描周期的不同时间间隔里以批处理 方式进行。 二、使用方便 l 、操作方便：对p l c 的操作包括程序输入的操作和程序更改的操 作。 大多数p l c 采用编程器进行程序输入和更改的操作。更改程序的操 作也可直接根据所需的地址编号继电器编号或接点号进行搜索或顺序 寻找，然后，进行更改。 2 、编程方便：p l c 有梯形图、布尔助记符、功能表图多种程序控 制设计语言可供使用。 3 、维修方便：当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维 修人员可根据有关故障信号灯的指示和故障代码的显示，或通过编程 器和c r t 屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障 和修复节省了时间。 三、灵活性 p l c 的灵活性表现在下列三方面。 1 、编程的灵活性：p l c 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、 功能表图、功能模块图等，只要掌握其中一种语言就可进行编程。 2 、扩展的灵活性：p l c 根据应用的规模的不断扩展，它不仅可以 通过增加输入、输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能， 也可通过多台p l c 的通信来扩大容量和功能。 3 、操作的灵活性：操作的灵活性指设计的工作量大大减少，编程 的工作量和安装施工的工作量大大减少。操作十分灵活方便，监视和 控制变得容易。 四、机电一体化 p l c 是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减 小，功能不断完善，抗干扰性能增强，机械和电气部件被有机地结合 在一个设备内，把仪表电子和计算机的功能综合在一起。 1 2 3 可编程序控制器的主要功能和应用 p l c 的主要功能和应用如下： 开关逻辑和顺序控制：p l c 最广泛的应用场合是在开关逻辑和顺 序控制领域。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制。 模拟控制：在过程控制点数不多，开关量控制较多时，p l c 也用 于作为模拟量控制的控制装置。 信号联锁系统：信号联锁是安全生产所需的。在信号联锁系统中， 采用高可靠性的p l c 是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采 用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余 的p l c 实现。 通信：把p l c 作为下位机，与上位机或同级的p l c 进行通信， 完成数据的处理和信息的交换。实现对整个生产过程的信息控制和管 理。 1 2 4 与其他顺序逻辑控制系统的比较 1 、与继电器顺序逻辑控制系统的比较： 8 继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中 任一部件或触点故障，将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较 大，维修的工作量也较大。 与此比较，由可编程序控制器组成的控制系统，采用软接线的方 式实现程序所需的功能，通过在线或离线的编程，方便地实施所需的 控制要求。由于采用可靠性的设计，其故障率和维修时间都大大降低。 2 、与计算机控制系统的比较： 计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系 统。在可编程序控制器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制 系统对顺序逻辑控制系统的发展发挥了较大的作用。但可编程序控制 器对此进行了改造。它变通用为专用，降低了成本，缩小了体积。采 用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施。功能分散、危险分散， 并适应恶劣工业应用环境。 3 、与集散控制系统的比较 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是专门为工业过程控 制设计的过程控制装置。它主要应用场合是连续量的模拟控制。而可 编程序控制器的主要应用场合是开关量的逻辑控制。 可编程序控制器是按扫描方式工作的。集散控制系统是按用户的 程序指令工作的。在集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置， 而可编程序控制器通常不采用中断方式。 在存储器的容量上，由于可编程序控制器所需的运算多是逻辑运 算，因此所需的容量较小，而集散控制系统需进行大量的数字运算， 所需容量较大。在可靠性方面，两者都是有较高要求的。 为了扩大应用的范围，可编程序控制器正在向分散控制系统靠拢， 扩展模拟量的控制功能。同样，集散控制系统也正在扩展逻辑控制功 能，出现综合集成趋势。 1 3 网络技术在控制系统中的应用 网络技术在现代控制系统中的应用越来越普遍，所谓控制网络一 般指以控制“事务对象”为特征的计算机网络系统它主要面向企业或 某个系统的底层，控制网络来源于计算机网络技术，与一般的计算机 网络有许多共同点，但又有不同和独特之处，主要表现在以下几个方 面：( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是其基本 要求；( 2 ) 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性和可靠性；( 3 ) 通讯方式多采用广播或组播方式：( 4 ) 控制网络必须解决多家产品和 系统在同一网络中相互兼容，及互操作性问题。现场总线是近几年来 备受关注并得到迅速发展的控制网络新技术，它以具备数字计算与数 9 字通讯能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节点实现数字通信 的联系纽带，构成开放式、数字化的控制网络，因而又被誉为自动化 领域的通讯与网络技术。建设以现场总线控制网路为基础的实现企业 管理、经营、控制一体化的信息系统，是许多现代企业正努力实现的 目标。通过企业网络将管理、经营、控制协调为一个整体，实现产品 开发、生产加工、原料供应与产品储运、市场信息、企业管理、决策 过程等的一体化解决方案。就现场总线系统雨言由于各种现场总线采 用的通讯协议和介质不同，不同标准的总线设备之间的互连和互操作 存在许多障碍。 控制系统第一层通讯网络操作室主机与p l c 之间采用西门子的 p r o f i b u s 现场总线通讯协议构成现场总线工业控制网络，实现彼此的 信息交换。通过网络把高炉系统的工艺参数设定值和对电气设备的操 作从人机接口传送到p l c ，把各个设备的状态和工艺、电气参数及故 障由p l c 收集送到人机接口的c r t 显示。p r o f i b u s 是一种国际性的 开放式现场中线标准，p r o f i b u s 可使分散数字化控制器从现场的底层 到车间级网络化。p r o f i b u s 采用r s 4 8 5 传输方式，r s 4 8 5 是p r o f i b u s 最常用的一种传输方式。 控制系统第二层通讯网络操作室主机、调度室和值班室的工控机 之间采用t c p i p 网络通讯协议互相连接成e t h e rn e t 网，e t h e rn e t 网是i e e e 8 0 2 3 所支持的局域网标准。按照国际标准化组织开放系统互 连参考模型的7 层结构，e t h e rn e t 网标准只定义了链路层和物理层， 作为一个完整的通讯系统，它需要高层协议的支持。a p a r n t 在制定 了t c p i p 高层通讯协议并把e t h e rn e t 网作为其数据链路和物理层的 协议之后，e t h e rn e t 网便和t c p i p 紧密的捆绑在一起了。以后，由 于国际互联网采用了e t h e rn e t 网和t c p i p 协议，人们甚至把超文本 连接h t t p 等与t c p i p 协议组放在一起，俗称为e t h e rn e t 网技术； e t h e r n e t 采用由i e e e 8 0 2 3 定义的数据传输协议c d m a c d ( 带有冲突 检测的载波侦听多路访问协议) ，该协议虽然简单，但它由碰撞而引起 的信息传输时间的随机性是一切争论和反对e t h e r n e t 的根源。随着技 术的发展这些问题都已经基本得到了解决。 e t h e rn e t 进入工业自动化领域首先是从i o 开始的，这类产品最 初用在基于p c 机的开放式控制系统，由于绝大多数商用p c 均提供 e t h e rn e t 接口，操作系统也配备了t c p i p 协议，使几乎所有的1 1 0 的供应商均提供了支持t c p i p 协议的e t h e r n e t 接口。另外，控制器、 p l c 和d c s 厂商也开始提供e t h e r n e t 接口。现场总线及f c s 的高层 大都能与e t h e rn e t 相连接。由于工业控制的方向是与i n t e r i a e t 集成， i o 所以各大现场总线大多与e t h e rn e t 相连接，成为e t h e rn e t f i e l db u s 的典型网络结构。现场总线组织则准备开发基于e t h e rn e t 网的现场总 线协议。以太控制网络最典型的应用是以交换式集线器或网络交换机 为中心，采用星型结构，连接各种控制设备，如图1 4 所示 田卜t 阻= i ：控制同格鼻墨配置 以太网控制网络以网络交换机为中心，包括数据库服务器、文件 服务器。有1 0 m b i t s ，2 5m b i t s 和1 0 0m b i t s 等带宽接口，一般通过 1 0 0m b i t s 网络交换机端口连接到服务器，以满足工业嵌入式控制器、 工作站等频繁访问时对网络带宽的要求。控制设备可以是一般工业计 算机系统。现场总线控制网络、p l c 及嵌入式控制系统等。一般的工 业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；现 场总线控制网络通过数据网关与以太网控制网络互连；p l c 的接入有 两种情况，带有以太网卡的p l c 可通过以太网卡接入网络交换机或交 换式集线器，普通不带以太网卡的p l c 要通过4 8 5 2 3 2 转换及工业控 制计算机接入网络交换机或交换式集线器；嵌入式控制系统可通过嵌 入式控制器自带的以太网卡接入网络交换机或交换式集线器。当控制 网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络，每一个交换式 集线器及控制设备构成相对独立的控制子网，若干个控制子网互连组 成规模较大的控制网络。 1 4 课题的主要研究方向 本课题研究的是3 号高炉槽下和高炉本体控制系统，该系统设计 采用最新设计思想，即i e 设备( 仪表与电控设备) 一体化( 全p l c ) 阱使维护方便、设备最少，以及低成本自动化的思想，即基础自动化 级采用全p l c 方法；过程自动化级采用工业p c 机，监控软件设计采用 功能强大的工控组态软件设计。在该项目中本人主要从事的是控制系 统的分析设计和部分程序的编制。 本课题的研究目的是：结合国内外现代化高炉的先进技术和发展 趋势以及企业的工程实际和所提要求来设计合理的控制系统方案。同 时，考虑到国内钢铁企业的实际情况，在跟踪国际先进技术的前提下 保持了符合国情的的适度先进性，从而获得最优的性能价格比。 整个控制系统的基本特征如下： 主工艺线的电控设备、仪表设备与控制计算机构成统一信息集 中、控制分散的一体化系统； 控制系统采用计算机分级控制，除基础自动化级( 设各级的自动 化控制) 外，还设有过程自动化级( 监控级) ，并建立了生产过程实时 数据库和历史数据库，为提高生产技术创造条件； 监控系统包括对槽下配料和高炉炉体的监控，监控系统设计了更 多易懂、易看、易解析、易操作的画面为有效操作高炉创造条件； 整个控制系统由二级控制系统和二层通讯网络构成。保证系统 的完整性、合理性、确保系统自动运行。 第二章控制系统硬件设计方案 2 1 工艺过程概述 2 1 1 高炉本体监控的工艺概述 高炉本体参数主要包括高炉本体的温度，冷却水、冲渣水、蒸汽 总管压力，入炉风温、掺入冷风的压力、流量、和温度，炉顶压力和 钟问压力等2 0 0 多个数据的采集和调节。 高炉本体的温度监控是为了了解高炉炉壁和炉底各部分耐火砖的 侵蚀情况，为此在高炉的炉壁各部安装大量的热电偶，炉底各部安装 约8 0 点热电偶。高炉炉体的温度采样周期炉壁各点为0 5 m ir l ，炉底为 1 m i n ，控制系统对各点温度周期采样，并记下越限温度及其次数，同 时报警。此外，还按下式检查各点温度的瞬时值t 和班内平均值的温 度上升变换率t ，当t 越限时，即报警： t = t 。一t 。一1 ：at - t 。一t 。一1 式中n 一采样时刻 m 一班号 此外，将采样得到的温度数据分别建立1 0 m in 、1 h 、8 h 、每日的平 均值和每班、每目、每旬最大值时序文件，以供c r t 显示和编制高炉 炉体管理日报。 高炉的冷却水、冲渣水蒸汽总管压力进行检测和调节，以保证高 炉炉体的温度正常和炼铁产生的矿渣的顺利冲出；高炉的入炉风温、 掺入冷风的压力、流量、和温度的采集和调节，以确保入炉风温和掺 入冷风的流量和温度满足生产工艺要求：同时包括炉顶压力和钟问压 力的采集和调节，确保能正常布料。当高炉炉体的参数超过正常生产 的最大允许值时提供报警，使得操作工能及时采取措施确保生产正常 进行和防止危险发生。 2 1 2 槽下控制系统生产工艺概述 合钢3 # 高炉所用原料包括块矿、烧结矿、杂矿和焦炭，原槽下控 制系统情况如下：原料经给料机直接进入料仓，1 # 一1 l # 料仓所下矿石 的运输直接由装料车完成。其中1 # 一8 # 料仓共用一辆装料车，9 # 一1 1 # 料仓共用一辆装料车。装料车由操作工在操作室中通过按钮手动操纵 来控制其在轨道上的运动。装料车底座上安装有称重传感器，装入料 车的矿石经称重传感器称量，其重量信号通过重量变送器传输到操作 室并显示在操作室中的l e d 上。生产所需的烧结矿和生矿未经任何工 艺处理，直接被投入相应的矿仓。当需要某种配科时，装料车运行到 该料仓的下方，操作工通过手动操纵按钮控制矿门的开关。料仓门打 开下料时，操作工根据重量变送器的l e d 显示值，手动操纵按钮关闭 料仓门。受操作工的操作经验的影响，料仓门关闭后的实际下料值与 所要求的矿石重量值偏差很大，并且采用装料车运送矿石，配料不准 而且速度也慢，影赡了高炉产量和质量的提高。另外，未经工艺处理 的烧结矿投入高炉中后，带有的大量粉尘降低了高炉的透气性，阻碍 了高炉内焦炭的充分燃烧和产生的热煤气流由下而上运动，从而影响 了炉内还原反应发生，很大程度上影响到铁水的产量和质量。 新控制系统的工序如下：原料在由给料机装入料仓前先经过振动筛 筛选，把细小粉尘筛除，然后再进入料仓，矿石的配料运输由皮带机 完成，l # 一1 1 # 料仓的矿石运输由1 # 、2 # 主皮带完成。并增添了烧结矿 振动筛这一设备。经过振动筛的筛选，烧结矿中的粉矿被筛掉，最后 进入高炉的是块状烧结矿。筛出的粉矿由3 # 一7 # 返矿皮带运送到粉矿 斗，以留作后用。另外，l # 一11 # 仓、中间仓( 左、右) 和焦仓( 左、 右) 都各自带有三个称重传感器，经过重量变送器将重量值传送给p l c ， 再由p l c 上传给上位机。p l c 根据程序设定，控制仓门的开关。另外， 输送皮带、振动筛和称量斗等设备由于机械惯性和滞后的原因会引起 高炉上料量的误差。因此，p l c 的编程过程中，加入了称量补偿部分， 实现了精确配料，提高了产品的质量。经过改造，3 # 高炉的产量有了 很大提高，由原先的6 0 0 吨天，提高到9 0 0 一1 0 0 0 吨天，产量几乎翻 一番。本项目中的主要现场设备包括：传输皮带( 1 # 、2 # 为主皮带， 3 # 一7 并为粉矿皮带) ，矿斗( 1 # 一1 1 # ) ，矿筛( 1 # 一1 l # ) ，给料机( 1 # 一7 # ，l o # 11 # ) ，焦筛( 左、右) ，小车( 用于装碎焦) ，装料车( 左、 右) ，给料翻板斗，十五台重量变送器，一套驱动仓门开关的液压站系 统。 2 。2 硬件系统设计与选型 我们在对合钢公司的3 # 高炉槽下和高炉本体监控系统进行了设计 时，采用了以p l c 为主的控制方案。该控制方案具有数据自动采集快 速而准确、控制系统自动选料、自动配料、配料自动补偿和上料控制； 对高炉的工艺参数如温度、压力、流量等进行检测，高炉透气性进行 分析，实现热风温度、炉顶压力的调节；高炉冷却水压力、气体流量 等参数监控报警；对炉体数据进行记录，生成实时和历史趋势曲线； 工长值班室在主操作站实现对热风温度、炉顶压力、煤气总管和空气 总管压力的调节，设定值的修改；显示系统采用大屏幕c r t 显示，能 显示数据表格、曲线和动态实时系列推移图，并具有强大的数据管理 1 4 和远程监控功能。 该控制系统的硬件包括上位机监控部分、下位机数据采集与控制 部分及重量、温度、压力和流量的检测部分组成。控制系统的构成框 图2 一l 所示 ithr搬托n协议 2 。2 1 上位机硬件配置设计 本系统上位机选用研华i p c 一6 1 0 工控机，2 5 6 m 内存，6 0 g 硬盘， 内插西门子网卡、1 9 寸p h i l i p 彩色显示器，可清晰地显示各种图形和 文字，运行w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统；外接打印机，打印报表。工控机 由一台1 k v a 的不间断电源u p