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1、西门子PLC在高炉上料自动控制系统中的应用高炉上料是炼铁生产的重要环节，将原料系统配好的物料按预先设定的上料程序装入炉内，以保证高炉的连续生产。重钢新建2500m3高炉的上料系统采用SIMATIC S7-400 PLC控制系统以及IM460/IM461近程扩展，PROFIBUS过程现场总线技术的分散型I/O子系统，上位机操作监控，完成了对上料系统工艺设备的控制及各工艺参数的检测、调节。1 工艺简介高炉上料系统由炉顶装料设备、料罐均压设施、炉顶液压站及润滑站、炉顶水冷站、炉顶探尺、炉顶喷雾设备、检修设施和炉顶框架所组成。其中装料设备采用了串罐无料钟设备，主要由固定料罐、称量料罐、阀箱、传动齿轮箱
2、及布料溜槽等组成，如图1所示：整个上料系统采用的胶带机上料，其上料控制流程为胶带机运输原料到固定料罐，对称量料罐进行排压，使其内部压力等同于大气压力，再打开上料闸门、上密封阀由固定料罐装料到称量料罐，然后关闭上密封阀、上料闸门对称量料罐进行两次均压使其内部压力等同于高炉内部压力，最后打开下密封阀及下料闸、料流阀通过布料溜槽对高炉进行布料。2 系统设计由于上料系统在高压高温环境下对信号的可靠性、准确性要求很高，如果信号不准确将直接导致高炉慢风或休风，给生产造成巨大损失。同时上料系统是通过布料溜槽的旋转、倾动和料流调节阀的控制，可实现炉喉料面上的多种布料方式，适应各种炉况的上部调节要求，使得对控制
3、的精度要求也很高，因此重钢新区2500m3高炉上料系统选用了SIMATIC S7-400 PLC。2.1 硬件配置本系统选用CPU414，电源模板PS407，DI模板SM421，DO模板SM422，AI模板SM431，AO模板SM432，计数模板FM450，通讯模板CP443以及接口模板IM460/461。通过继电器和隔离器连接现场机械设备和仪器仪表，并通过西门子OSM交换机连接上位机操作监控系统。2.2 软件设计整个软件设计使用西门子STEP7编程工具来完成对硬件的组态、控制程序的编写、信号的处理以及文档报表的处理。由3个OB组织块、49个FC功能、1个FB功能块、28个DB数据块组成。通过
4、CPU循环扫描OB组织块来完成对FC、FB块中子程序的逻辑控制及信号处理。2.3 操作监控系统上位机操作监控系统通过西门子WINCC对上料系统进行过程控制及参数设定，并给操作人员提供多幅显示和操作画面。该系统既包括了所有主要工艺流程、检测参数、设备状态的显示，也集中了监控系统的所有主要操作、参数设定，主要含有装料设备操作监视画面、探尺操作及炉喉料面跟踪画面、齿轮箱冷却系统操作监视画面、液压站及润滑站系统操作监视画面、料线选择及布料参数设定画面、布料模式预约画面、装料制度预约及装入周期修改画面、空焦装入操作设定画面、炉顶主控制选择画面、转入系统运转程序实行画面、装入数据跟踪画面等。操作人员可以及
5、时准确地了解系统的当前状态，并方便、迅速、可靠地对设备做出相应的调整，既简化了操作人员的工作，又使系统随时处于监控状态，在一定程度上保证了系统的安全性和可靠性。3 实现功能3.1 主要功能第一，炉顶系统设备的运转控制包括无料钟炉顶上料设备，一、二次均排压设备，探尺，炉顶安装起重机，炉顶液压站，集中润滑站及冷却系统设备等。第二，上料系统设备的时序控制。第三，炉顶布料方式控制，包括布料模式设定、排料控制方式等。第四，炉顶料罐的均压、称量及压力补偿控制。第五，炉顶料罐压力、装料设备温度、冷却系统温度、流量、水位的监测及控制。第六，炉顶探尺对炉内物料的跟踪、记录与监视。第七，上料系统装料制度、料线设定
6、、装料循环周期的处理。第八，空焦装入方式及运转控制。第九，上料操作参数的设定、实际装入操作的数据收集、处理。第十，上料系统设备的操作与监视。3.2 基本控制功能第一，炉顶压力选择：设有高压操作和常压操作选择。第二，控制选择：全自动→1批料（Charge）自动→1小批料（Dump）自动→手动→停止→现场。第三，布料溜槽旋转方向选择：布料溜槽设有正转与反转方向选择。第四，炉顶装料制度及装入时序控制：炉顶装入操作设有两种基本操作制度：C↓O↓和C↓OL↓OS↓，其中C↓OL↓OS&
7、darr;为预留装料制度。炉顶装料设备和装入操作，应根据装料制度的时序图，由时间计数器进行控制。装料循环周期为14个，可预先设置14批料的装入方式（最多）。第五，料罐的称量与压力补偿：称量系统由三个荷重传感器和一个电子装置组成，并和炉顶PLC进行数据传输。应具备如下功能：称量皮重，校核料重，超载校验，称量值的压力补偿，消除压力波动对称量值的影响，进行排料控制及发出料空料满信号。第六，料流调节阀的开度控制及自学习：料流调节阀的开度由PLC通过液压比例阀进行控制，PLC根据料批重量、布料时间及料流调节阀的排料特性曲线给出开度指令。对于焦炭和矿石，有两组与之相对应的排料特性曲线系数。第七，布料方式选
8、择及布料控制方式选择：布料方式分别为多环布料（自动控制）、单环布料（自动控制）、扇形布料（手动控制）、点布料（手动控制）;布料控制分为时间控制方式以控制布料溜槽在每一环上的停留时间来控制每一环上的布料量、重量控制方式根据每一环上的实际布料重量来控制溜槽的倾动。第八，上料主胶带机向炉顶固定料罐装料：当上料主胶带机上来料的料头到达炉顶设备准备点检OK点时，如果固定料罐料空且上料闸关闭，则具备受料条件主胶带机继续运行，否则主胶带机应停止运行。固定料罐中设有两个料位计，当到达最高料位时，则发出报警，此时如主胶带机上的物料料尾仍未过OK点，则主胶带机停止运转。第九，固定料罐向称量料罐排料：当确认物料已装
9、入固定料罐后，则发出允许排料的信号。当称量料罐也已准备好受料时，则发出开启上料闸的指令，开始排料。完成排料并得到料空信号后延时，发出关上料闸、关上密封阀的指令，料罐准备均压。第十，上密封阀开启条件：称量料罐已排料结束，下密封阀关，放散阀开。上密封阀应在上料闸关闭后才能关闭。第十一，上料闸的运转：开启条件为上密封阀开到位，料流调节阀关，称量料罐内料空。开启后，应在得到固定料罐料空信号后延时3s再关闭。固定料罐料空信号由射线料位仪来发出。第十二，一次均压阀的运转：开启条件为选择高压操作，排压阀已闭并且上密封阀关到位，二次均压阀闭。关闭条件为关闭指令及一次均压完信号。第十三，二次均压阀的运转：设有二
10、次均压选择开关。当选择二次均压时，二次均压设备才投入运行。其开启条件为选择高压及二次均压操作，放散阀已闭，一次均压完毕且一次均压阀已关。关闭条件为称量料罐内压力达到设定值。第十四，布料溜槽的运转：启动条件为探尺全部提升到位，布料溜槽到达开始布料倾角位置，无溜槽更换选择。多环与单环布料以高速方式旋转，扇形和点布料时以低速方式旋转。旋转设有6个起始位置，间隔60。倾动上升应在无负荷状态下进行，即上倾的条件为料流调节阀关。下倾动作应根据布料模式的设定进行控制，倾动由VVVF调速电机驱动，倾动速度应根据与目标角度的距离来进行调节。溜槽倾动停止后，当设定角度与实际角度的差值0.2或-0.2时，溜槽将据此
11、判断相应地自动增加或减小倾动角度。布料溜槽停止位置设有11个，其角度应预先设置，并可通过操作画面进行修改。第十五，探尺的运转：炉顶共设3台探尺，正常情况下同时工作;特殊情况下，可任意停止1或2台探尺工作。当探尺均到达料线后，解除装入，待发出中间漏斗闸门可开启的指令，探尺提升全部到位后，启动布料溜槽准备布料。探尺提升应快速，下降则应慢速。布料完毕，布料溜槽停止旋转，探尺即可下降至料面。探尺可以连续测定料面，也可以点测料面。在正常情况下采用连续测定料面，并显示料面位置;需点测料面时采用手动操作，接触料面时立即提起探尺，也应显示料面位置。4 结语高炉上料自动控制系统自生产以来，其控制精度高、布料效果
12、好，监控系统直观明了、数据准确、操作简单方便，丰富了高炉上部的调节手段，改变了煤气的分布，从而有效地提高了高炉煤气利用率，降低了焦比，减少了焦炭消耗，既节约了资源，又减少了对环境的污染，同时入炉焦比下降，提高了高炉利用系数，实现了高炉稳定、顺行、高产、低耗，有利于提高企业经济效益。参考文献dYLw.nET【1】 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆：重庆大学出版社，2001.【2】 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2008.【3】 漆汉宏.PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社，2006.【4】 西门子公司.S7-300/400 PLC编程手册.1998.