双福矿业氧化球团项目自动化控制系统的开发设计

孙智慧

摘 要本文主要介绍了承德双福矿业氧化球团项目链篦机-回转窑生产工艺自动化控制系统的功能与实现。

【关键词】自动化控制 PLC 变频器

球团矿是高炉炼铁的原料，其品质直接影响到高炉的操作，而自动化控制对球团矿的质量有很大的影响。本文以承德双福矿业氧化球团项目的开发为例，主要从电气仪表自动化的角度去诠释球团的生产工艺过程及控制要求、控制模式及功能实现。

1 工艺简介

承德双福矿业氧化球团项目采用链篦机-回转窑进行球团生产。工艺主要包括：原料准备及配料系统、造球系统、焙烧冷却系统、煤粉制备系统、水系统、原料除尘与环境除尘系统、轻柴油系统等。本文主要介绍其中的原料准备及配料、造球、焙烧冷却以及煤粉制备这四大部分工艺及控制功能的实现。

2 自动化控制系统的组成

2.1 硬件系统组成

系统网络采用环形以太网通讯，采用多模光纤及网络交换机的方式来链接。在这五个系统中，其中原料准备与混配料、造球系统、喷煤系统和水系统采用西门子S7300热插拔控制系统，焙烧冷却系统采用S7400热插拔控制系统。每个系统自身采用PROFIBUS-DP网通讯，主站下挂若干ET200 I/O远程分站和变频器，以及与厂家成套设备的通讯。

2.2 软件系统组成

操作系统为WIN7系统，操作员站采用WINCC7.0；

3 软件控制

3.1 原料及配料系统控制

原料系统原料主要有铁精粉、皂土、除尘灰，根据原料进行相应量的配比后通过皮带进入混合机内进行混合搅拌。主要设备是圆盘给料机和定量给料机，均采用变频控制。控制思路是根据皮带秤检测料量调节圆盘给料机的速度使之与设定值趋于一致。难点在于因为料湿，皮带秤给PLC的数据不稳定，因此程序中通过计算移动平均值的方法，将皮带秤瞬时料量处理后再做自动配料的调节。这样得到了较稳定的检测值，为自动配料打下了良好的基础。

3.1.1 配料控制是通过PID调节变频器的速度

操作员站上设定总下料量，每个料仓设定值取决于料仓的配比，根据配比计算出料仓的下料量做为PID调节的设定值。皮带秤检测数据作为料量的实际值，调用STEP7软件本身的PID调节块，在开始的上料阶段调试比例、积分以及调节死区等这些系数，达到调节速度适中、跟随性好、调节的误差达到配比所要求的精度。PID调节与模拟量输出限幅功能相结合，达到更好效果。

3.1.2 强力混合机控制

混合机除了与上下游设备的联锁关系外，自身的保护比较多：有料位检测，混合机准备启动及已进料等信号，当上游进料皮带停止运行后，混合机也要将自身的料混合好并排空后才会延时停止运行。

3.2 造球系统自动化控制

3.2.1 造球主工艺控制

混合料仓下的圆盘给料机，下料到定量给料机上（上装有皮带秤）后进入造球圆盘，加入适当的水份，通过控制造球圆盘的速度即可出生球。圆盘给料和造球圆盘实现变频控制。

3.2.2 高压系统控制

整个系统所有高压设备的开关量检测与控制都进到造球系统，而高压设备本身的各种保护及仪表数据进其所在的自动化系统，所以在高压设备控制中，与每个系统都有数据通讯，通过建立以太网连接，与其他系统进行数据交换。

3.3 焙烧冷却系统

焙烧冷却系统分为：返料系统、链篦机控制、回转窑本体系统控制、环冷机控制等。

3.3.1 返料系统控制

该系统主要是设备启停顺序控制。操作员站上设有一键启动按钮，当湿返一皮带运行时，这些设备即可自动顺序启动，当中间设备有故障时，其上游设备可顺序延时停止。

3.3.2 链篦机控制

链篦机炉篦速度主要是通过控制炉篦上的球团厚度实现。由过程计算机把炉篦料位即层厚数据及数学模型提供给PLC过程控制级作为速度设定值，加上前馈环节，即供到炉篦的生球量作为扰动补偿。

3.3.3 回转窑本体控制

回转窑本体控制是给液压马达启动信号，设定回转窑的转速。还包括窑头罩、窑尾罩的温度、压力、窑位及助燃风机的流量、压力检测。

3.3.4 环冷机系统控制

主要有二冷段、三冷段回风温度与压力控制。根据排矿温度信号自动控制环冷机的速度，改变风量，以调节排矿温度。

3.4 喷煤系统的控制

主要包括煤粉制备、煤粉收集及煤粉送至回转窑三大部分。在喷煤系统中，有多个成套设备，中速磨、煤粉收集、环状天平、沸腾炉以及罗茨风机等，与这些成套设备的数据通迅是自动化控制的一个重点与难点。

3.4.1 煤粉制备控制

煤粉制备密封皮带秤和中速磨为厂家成套设备。与密封皮带秤的数据通过电缆直连通讯，与中速磨通过以太网通讯来实现数据交换。原煤仓料位低时可自动启动圆盘给原煤仓上料；密封皮带秤根据HMI上设定的下料量，自动调节皮带秤本身的速度，进而达到设定的给料速度。中速磨随设备带有稀油润滑系统，液压系统、冷却水系统等。为了保护本体设备，HMI上有加压泵的运行状态、液压站的油箱温度、供油压力、主电机前后轴承温度、主电机定子绕组温度、冷却水进出口压力及温度等。根据工艺要求设定中速磨的磨煤速度及辊的压力，中速磨本身有液压系统，用抬辊、落辊来控制磨煤的精细度。

3.4.2 煤粉收集系统控制

煤粉收集系统是厂家自带S7300控制系统，通过以太网与其进行数据通讯。

3.4.3 煤粉喷吹系统控制

煤粉喷吹量控制采用厂家成套设备环状天平，与PLC系统采用以太网通讯进行数据通讯。根据工艺的要求，在操作员站上设定喷煤量及罗茨风机的速度来调节回转窑的燃烧情况。喷吹量的计算包括喷吹量和喷吹速度的计算，喷吹量是通过环状天平来检测，喷吹速度是通过控制罗茨风机的速度来调节。

3.4.4 各种累计报表功能

通过程序，实现了对原料以及生球、成品球、喷煤等数据小时、班、日、上小时、上班、上日的累计。

4 自动化控制系统的特点

整个自动化系统采用PLC为核心的EIC系统控制，融合仪表、电气及信息为一体的自动化控制，PLC与变频器的通讯全部采用PROFIBUS-DP网，系统硬件系统采用热插拔方式，保障了生产的连续性。

承德双福矿业150万吨球团项目自2014年投产以来，从这一阶段的实际生产运行情况看，该系统的硬件和软件均安全可靠，性能稳定性好，故障率极低，而且也便于维护。监视画面形象直观，操作也比较简单和容易掌握，取得了良好的经济效益，满足了生产和工艺的需要。

作者单位

河北钢铁集团承钢公司自动化中心 河北省承德市 067000