高炉上料先进控制系统设计及应用

冯 磊，王学胜，亓俊海

（山钢股份莱芜分公司炼铁厂，山东济南 250000）

自1961年以来，我国生产的钢铁量已经超过1亿t，2020年全国生铁、粗钢和钢材产量分别为8.88亿t、10.53亿t 和13.25亿t，相较于2019年分别增长4.3 %、5.2 %和7.7 %，位居世界第一，成为名副其实的钢铁生产大国。工业自动化是推动生产力发展的重要动力，从第一次工业革命开始，人们就不断将各式各样的机器应用到工业生产中[1]。经过上百年的发展，工业自动化水平已经成为一个国家综合国力的重要依据。自动化生产线是工业自动化重要的组成部分，它将各个独立工序串联起来，让生产加工效率得到了极大提升。随着电子信息技术的不断发展，工业自动化生产线的功能越来越强大，集成了越来越多的传感器、微型计算机等设备，朝着无人化、智能化方向发展。在这样的科技发展背景下，企业必须抓住技术创新，特别是正处于转型阶段的制造加工类企业，只有不断改进生产线，才能在高昂成本下形成大规模的经济效益[2-4]。现代自动化生产线应该满足以下功能：

（1）能够提高生产效率与产品质量，增大产出。

（2）能够自动完成对生产过程中各项数据的收集，对系统本身参数进行管理和监控，并通过数据的收集，为生产线各项测试提供可靠数据参考。

（3）系统呈模块化分布，功能耦合性低，能够快速完成与新设备或新工序的对接，以适应不断更新变化的产品需求。实现自动上下料具有重大意义。

1 PLC基本介绍

PLC 全称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC），是一种以微处理器为基础综合计算机技术、自动控制技术和网络通信技术等发展起来的一种工业自动化的装置，由开关式稳压电源、CPU、指令和数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟装换等功能单元组成。拥有逻辑控制、时序控制、和模拟控制、多机通信等各种功能，已经是一台紧凑的微型主机。自1969年美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器开始，经过这几十年的发展，PLC 日渐成熟，广泛应用于电气、机械、采矿、冶金、化工和制药等各种工业控制领域。

PLC 推出后逐渐取代继电器，到现在技术已经更加成熟，得到了全球范围内技术人员的青睐。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机、信号处理、控制等技术推陈出新、生产过程的复杂度和工艺要求的提高，PLC 也开始支持模拟量读取运算和运动控制功能，在运动控制、过程控制等领域的应用也越来越多。PLC 的核心是CPU，它扮演着控制中心的作用，支持用户通过相关的指令让PLC 实现读取、发送数据和命令等功能；还支持对存储器、I/O 以及相关定时器状态的检测，识别该命令语句中的问题。在过程控制中，PLC 能为工业生产开发PID、模糊控制等算法来实现闭环控制[5]。

2 高炉上料控制系统设计

2.1 自动控制系统硬件设计

高炉上料控制系统主要的硬件组成系统由3部分组成，分别是输入部分、控制部分和输出部分。控制部分的核心是PLC 控制器。在控制部分，将输入部分收集到的高炉上料控制系统相关的数据信息进行整合处理，以PLC 控制器为核心，分析处理高炉上料系统相关数据，然后再将信号通过输出部分进行传输，实现高炉上料系统的运行，控制高炉上料系统的相关设备，并采用隔离栅将PLC 控制系统传输的信号进行隔离，以便于高炉上料系统的安全运行，同时利用人机交互界面，观察整个系统的运行状况，配置手动和自动两种控制方式，实现更好的高炉上料系统的应用。

2.1.1 上位机选型

高炉上料控制系统中的最重要的控制中心，上位机对高炉上料控制系统的运行和使用有着重要的影响。上位机控制系统的机型选择是高炉上料控制系统的主要控制过程，以高炉上料控制系统的中控机为例，严重影响相关人员的使用效果，同时显示屏的选择，也会影响数据信息的显示和操作人员对系统的掌握。

（1）研华IPC-610H 的CPU 处理器为i5，能够支持多个操作系统，包容兼并性强，选择研华IPC-610H 作为上位机中控机型，可满足高炉上料控制系统的高负荷运行，研华IPC-610H 中控机配备了两个前置风扇，能够承受的设备运行温度为0-60℃，设备的电源为300W，待机时间长，使用电量充足，可满足长时间设备运行管理，同时配置了4个PCI 总线接口，更好的满足高炉上料控制系统运行，通讯接口为2个，该型号中控的使用性能好，不受工作环境的影响，具有较高的稳定性，远程监控方便，系统运行更加稳定[6]。

（2）中控屏影响操作人员的操作效率，为提升操作人员的操作舒适度，全方位的对现场进行监督，本文系统采用飞利浦271I8，可实现多角度查看监督界面，高清还原现场情况，屏幕为低蓝光屏，保护操作人员的眼睛同时还能在IPS 宽视角技术的辅助下，深化现场监督。

（3）研华EKI 交换机具有X-Ring 冗余网络协议，以太网接口传输速度快，高达8000Mb，能够保证高炉上料控制系统的安全运行，网络协议的自愈时间为10ms，大大提升了高炉上料控制系统的网络安全性。

2.1.2 下位机选型

下位机作为高炉上料控制系统的主要组成部分，控制系统的选择非常重要。PLC 型号选择西门子S7-300，根据现场情况，安装下位机相关设备和模块，合理设定，便于下位机的控制与使用，同时下位机的核心CPU 模块可处理和扩展模块达到了32个，方便下位机进行多种设备之间的数据交换，并可以新增接口，不受插槽限制，能更好的进行PLC 调试，满足下位机控制系统的需求。

（1）下位机的电源需要满足下位机的高负荷使用需求，并且保证自身在高负荷工作模式下持续供电并保证安全，因此，选择的电源为PS307型号，该型号具有3个模块为下位机共同提供供电，且安全性高。

（2）下位机的主要CPU 模块，需要满足下位机高负荷需求，实现高速运行的目的，因此选择CPU315-2DP 型号，可以控制多个数字量和模拟量，数字量高达1024个。

（3）扩展PLC 模块，需要满足下位机的稳定运行，发挥下位机的最大作用，因此选择型号IM365的PLC 模块，可实现一体化供电，无需另外配置电源。

（4）数字量输出模块利用的是直流电压，最低直流电压为24V DC，因此选择用型号为SM32164PLC模块，可以达到16个输入点和隔离点。

（5）数字量输出模块需要控制电机的启动和停止，在高炉上料控制系统中比较重要，因此在选择的时候，选择交流电压为120/230V 的SM32216xRel，满足高炉上料控制系统的需要。

（6）模拟输入模块的通道和输入点都为8，12位+字符位的可编程分辨率，能更好地为中控机运行提供保护，因此型号为SM3318x13位，对中控机的自动化程序监控度提升，核心控制能力提升。

（7）模拟输出模块为整个高炉上料控制系统运行服务的，选择性能高的SM3324x12型号，具有12位可分辨率，所含通道可以独立选择电压或电流的输出形式。

2.2 人机交互界面

管理系统由PLC 编程软件结合Wincc 组态编程软件共同组成，可实现自动控制和手动控制自由交替，为便于人机交互系统操作简洁，操作界面直观，操作系统能够及时反馈，根据工况现场，利用Wincc 实现高炉上料控制系统的自动化监控与数据采集，自动在操作界面中，生成现场情况，根据高炉现场相关数据，自动编制历史数据曲线图，便于操作人员更好的进行查看，同时界面清晰度可随着参数的设定发生改变，能更好的实现现场的监控[7]。上位机软件创建了原料仓、磨料机、干燥炉、布袋除尘收集器、氮气罐、空气罐、料仓、喷吹罐等控制过程的监控画面，实现了对阀、料位、重量、温度、压力、电机、喷料量等数据的检测[8]。

3 高炉上料系统阻塞预防

3.1 原煤筒仓

在上料生产中，若生产区域空间有限，无法直接建造原料堆场。而筒仓占地面积小，储料大，环境污染小，可以建造原料筒仓来存储一定量的原料来保证生产需要。然而，使用原料筒仓，会在筒仓内下料锥段出现原料板结、挂壁等问题。若不采取措施，时间一长，板结、挂壁越来越严重，会导致下料口越来越小，造成下料不畅甚至堵塞下料口而影响生产。针对此种情况可采取如下措施来解决。

（1）从设计角度考虑，加大筒仓下料锥段与水平面的角度，一是可以减小原料下料时与锥段的摩擦阻力，可以使落料更顺畅；二是可以增大原料在垂直方向的分力，原料也更容易下来。此处设计原料筒仓锥段壁与水平面的夹角不应小于65°，最好在70°以上[9]。

（2）增加空气炮。针对原料板结挂壁问题，可以在原料筒仓锥段适当位置安装一定数量的空气炮。简单来说，可以通过设计电磁脉冲阀门，每隔一定的时间向锥段内壁通入一定压力的氮气，通过气体来使仓壁周围的原料流化、松动，增加原料的流动性，从而原料不容易产生板结、挂壁。另外，设计时可考虑分层安装空气炮，可以使流化效果更佳。当筒仓锥段比较大时，为了增加流化的效果和稳定性，可以在筒仓锥段设计一个专用气包，来保证原料流化压力和气量。值得注意的是，流化气包的体积不宜太大，否则须按照特种设备压力容器考虑。流化气包的体积不应大于30L。

（3）设计预留入孔人工疏通。在实际的生产中，会有各种情况发生。各种类型的原料、长时间的工作振动电机损坏、空气炮气量不足或者损坏等，都有可能造成原料筒仓下料口堵塞。因此在设计时，可以考虑在下料口上方预留一定大小的人孔（建议尺寸200mm×200mm～300mm×300mm），当原料下料不畅或者下料口堵塞时，可通过人工使用工具来疏通落料口。生产条件允许的话，可定期通过入孔进行防堵检查和疏通[10]。

3.2 上料皮带机

原料中会含有很多杂质，包括一些铁块、铁丝、石块、料矸石、编织袋等，这些大的杂质如果不经处理，进入原料仓，则会造成堵塞下料口、磨机吐渣严重、堵塞喷吹管道等情况发生。因此，上料皮带机设计时可考虑采取下述措施来减轻堵塞情况。

（1）在上料皮带机受料口设计除铁器。原料从受料斗落到皮带上后，可在皮带落料点前设置一个除铁器，使皮带上的原料先经过除铁器，将原料中的铁丝、铁块等吸附到除铁器上。一方面，可防止铁块、铁丝等堵塞原料仓落料口；另一方面，可减小铁器进入磨机研磨时产生火花引发事故的风险。除铁器建议使用电磁除铁器，在不需要上料时可断电清理除铁器上面吸附的铁器。

（2）在皮带机落料口设置一定大小的网格篦子。原料中通常含有很多杂质，这些杂质的大小、类型是很难确定的。若大块杂质，料矸石等进入原料仓，则会很大程度的增加后面系统堵塞的风险。因此，可在皮带机落料口设置一定大小的网格篦子，可有效的防止大块儿杂质进入原料仓。篦子的网格大小一般为100 mm×100 mm，网格太大，起不到防堵作用，网格太小，则可能会影响原料的上料量，堵塞篦子。网格篦子要定期进行清理。