一、系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)

本系統(tǒng)依據(jù)某公司新建10M²豎爐工程的總體圖紙資料對電氣、儀表、自動化控制系統(tǒng)的要求，經(jīng)過與甲方相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行交流，并在我公司同類系統(tǒng)的成功經(jīng)驗及豎爐生產(chǎn)的工藝要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要功能基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的。

系統(tǒng)包括高壓、低壓、儀表及自動化四個部分。在此，我們主要介紹豎爐自動化控制系統(tǒng)。

二、 系統(tǒng)概述

2. 1 　主要功能說明及設(shè)備

工藝中采用了大量的儀表、傳感器，用于采集溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，我公司將多種信號集成于計算機(jī)自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的實時監(jiān)測及控制。

 豎爐自動化系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)、全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，采用西門子S7-300PLC和億維UNIMAT的I/O模塊構(gòu)成、研華ADAM模塊與上位機(jī)組成電控、儀控、計算機(jī)控制的“三電”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

豎爐生產(chǎn)工藝主要設(shè)備有：配料、烘干、造球、生篩、布料、焙燃、卸料、成品卷揚(yáng)機(jī)等。輔助設(shè)備有：鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、軟水泵、煤氣加壓、汽包冷卻、電除塵、稀油潤滑、電氣自動化系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)等。

2. 2 　工藝概述

豎爐球團(tuán)生產(chǎn)是一個集制氣、潤磨、配料、烘干、造球、布料、燒結(jié)、卸料等于一體的復(fù)雜過程。首先,來自原料廠粉末狀鐵精礦與膨潤土,按照一定的配比,經(jīng)過配料系統(tǒng)后形成混合物料,由皮帶機(jī)運至烘干機(jī)，經(jīng)過烘干機(jī)除濕并混合均勻后送入圓盤造球機(jī)，使原料形成一定大小的圓球(生球)。然后,生球經(jīng)過布料車布料后進(jìn)入豎爐,對生球按照一定的規(guī)律進(jìn)行燒結(jié),形成的成品球輸出到成品球料場,作為煉鐵的爐料。

生產(chǎn)中最主要的控制環(huán)節(jié)為豎爐本體工段，其工藝流程如圖1 所示。從造球工段來的生球通過布料車送到烘干床上;烘干后的生球送入豎爐后,要經(jīng)過預(yù)熱、培燒和均熱帶,生球在這三個溫度帶中進(jìn)行熱交換，所需要的熱量均來自于豎爐本體的兩個燃燒室;高溫熟球經(jīng)冷卻后,通過齒輥的轉(zhuǎn)動,排出到電磁振動給料機(jī)上;最后振動給料機(jī)將熟球送至出料小車運至料場。

圖1 　豎爐工藝流程圖

三、　系統(tǒng)要求

從功能上看,豎爐系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成,各環(huán)節(jié)工藝過程和影響因素如下:

⑴溫度控制環(huán)節(jié):

豎爐內(nèi)溫度分布是球團(tuán)礦質(zhì)量的決定因素之一,一般認(rèn)為豎爐焙燒球團(tuán)礦存在五個帶,分別為干燥帶、預(yù)熱帶、焙燒帶、均熱帶和冷卻帶,理想的溫度分布曲線大致如圖2 所示

實際上,豎爐溫度分布往往很難形成明顯的溫度帶,因此想要直接精確地控制其溫度是不可取的。通常采用控制燃燒室的溫度來間接控制豎爐中的溫度。影響燃燒室溫度的主要因素是煤氣和助燃風(fēng)的流量,所以在溫度控制環(huán)節(jié)中,主要是控制煤氣和助燃風(fēng)的流量。

⑵空氣控制環(huán)節(jié):

它是非常重要的,不僅是溫度控制環(huán)節(jié)中的助燃風(fēng),而且研究和應(yīng)用表明,改變氣流成分和分布(主要是冷卻風(fēng)) ,可以一定程度上改變爐內(nèi)部溫度分布。

⑶布料控制環(huán)節(jié):

布料均勻?qū)?yōu)化焙燒和爐況是非常重要的。造成布料不均勻的因素主要有:生球來料不均勻、布料車的工作機(jī)制等。在此系統(tǒng)中假定生球來料均勻,針對布料車的工作機(jī)制,我公司通過引入PLC邏輯控制，以達(dá)到料車的動作要求。

⑷卸料控制環(huán)節(jié):

影響均勻卸料和保持物料平衡的主要因素有:爐內(nèi)物料的結(jié)塊狀況和卸料機(jī)制等。如果在卸料機(jī)制方面做到勤排或連續(xù)排料,對改善爐況是比較有利的。卸料口的物料檢測非常重要,一方面可用于物料平衡控制,另一方面可用于預(yù)警和報警,如果爐內(nèi)有燒結(jié)現(xiàn)象,在卸料過程中會有反映,預(yù)警功能會提醒崗位工人馬上處理,把故障消滅在萌芽狀態(tài)。

四、系統(tǒng)配置與功能實現(xiàn)

根據(jù)以上對豎爐系統(tǒng)設(shè)計思想、工藝通過分析, 采取控制方案如下:

4.2.1、自動化系統(tǒng)組成

   自動化控制系統(tǒng)根據(jù)功能設(shè)置為：原料系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、造球系統(tǒng)、生篩布料系統(tǒng)、豎爐本體系統(tǒng)，分別對本系統(tǒng)內(nèi)的電氣、儀表參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制.原料配料部分主要由單片機(jī)構(gòu)成的皮帶秤控制系統(tǒng)、生篩布料系統(tǒng)分別由PLC進(jìn)行工藝控制；豎爐本體系統(tǒng)由研華數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行工藝控制，以上各系統(tǒng)配用網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，保證上位機(jī)與PLC的正常通訊及便于在線監(jiān)視及在線修改，由上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和發(fā)布指令，完成對豎爐的整個工藝生產(chǎn)過程的控制。

4.2.2  控制功能

該系統(tǒng)主要完成以下四種功能:

⑴數(shù)據(jù)采集

ADAM數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集煤氣、助燃風(fēng)、冷卻風(fēng)的流量、壓力及豎爐各部位的溫度,經(jīng)過處理后,把對應(yīng)的有效工藝參數(shù)通過通訊模塊傳給豎爐工段工控機(jī)，由上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的算法來進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

例：壓力測量的變換單元均采用精度0.2級的電容式壓力變送器，變送器產(chǎn)生一個與實際壓力相對應(yīng)的4～20mA信號再由研華模擬量采集模塊接收，在組態(tài)畫面上顯示實時的壓力值。

⑵閥門控制

閥門控制主要是對各個電動調(diào)節(jié)閥的開度量大小進(jìn)行控制。閥門控制器的輸入控制信號為4～20mA 電流信號,電動調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生4～20mA的閥位反饋信號輸出。閥門控制系統(tǒng)由伺服調(diào)節(jié)器和ADAM模塊構(gòu)成,控制信號通過工控機(jī)發(fā)送給控制模塊，控制模塊輸出控制信號給操作器,操作器輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)使電動調(diào)節(jié)閥達(dá)到指定開度,并反饋閥位開度信號,通過數(shù)據(jù)采集模塊傳給工控機(jī)。

⑶生產(chǎn)過程控制

控制的主要對象是布料車和卸料機(jī)、造球工段圓盤給料機(jī)、造球工段圓盤造球機(jī)、皮帶等?？紤]到生產(chǎn)過程中各設(shè)備之間的配合與聯(lián)鎖,及控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠性要求,采用西門子300CPU和億維的分布式I/O系列模塊進(jìn)行控制

⑷用戶界面

用戶界面功能主要包括:處理來自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝參數(shù),形成生產(chǎn)中的用戶界面;根據(jù)工藝參數(shù),采用相應(yīng)的控制策略和算法,形成合理的控制量輸出給閥門控制系統(tǒng)或生產(chǎn)過程控制系統(tǒng);各生產(chǎn)過程工藝流程圖顯示;重要工藝參數(shù)的實時顯示、歷史趨勢圖顯示;故障報警和事件記錄顯示、煤氣用量報表顯示等。

4.2.3、控制系統(tǒng)的組成

1.1 豎爐系統(tǒng)的控制

豎爐系統(tǒng)的控制主要包括：原料控制系統(tǒng)、造球室系統(tǒng)、烘干控制系統(tǒng)、生篩布料、焙燒系統(tǒng)、成品系統(tǒng)；輔助系統(tǒng)：循環(huán)水泵房、軟水站系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)站系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、煤氣加壓系統(tǒng)等幾大系統(tǒng). 以下將對各部分分別予以闡述

1.2 原料控制系統(tǒng)

原料系統(tǒng)主要由圓盤給料機(jī)、皮帶秤組成，設(shè)備采用變頻調(diào)速對圓盤進(jìn)行控制，可以根據(jù)需要的料流隨時進(jìn)行調(diào)節(jié)。控制方式：集中控制和機(jī)旁手動相結(jié)合的方式，機(jī)旁時可以根據(jù)需要進(jìn)行手動調(diào)速，并與機(jī)旁箱上的速度顯示表進(jìn)行對照達(dá)到速度要求，集中時可在上位機(jī)通過組態(tài)畫面進(jìn)行料流速度設(shè)定，在畫面中輸入相應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動調(diào)整圓盤給料機(jī)與皮帶秤之間的匹配速度，配好的原料由1#皮帶送至烘干機(jī)。此系統(tǒng)主要由單片機(jī)自動控制的邏輯過程來完成。

1.3 烘干機(jī)控制系統(tǒng)

由1#皮帶機(jī)送進(jìn)的原料，經(jīng)振動給料斗送入烘干機(jī)。烘干機(jī)系統(tǒng)由烘干機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、加料皮帶、倉壁振動器、儀表組成，用于原料廠粉末狀鐵精礦與膨潤土按照一定比例混合的原料,經(jīng)過烘干機(jī)去除多余的水份并使原料混合均勻。烘干機(jī)采用軟啟動進(jìn)行控制，減少電流沖擊。

烘干機(jī)控制的聯(lián)鎖條件為：2#皮帶運轉(zhuǎn)     烘干機(jī)      1#皮帶

儀表監(jiān)測點如下

溫度測量：共有兩點，燃燒爐出口溫度1點、烘干機(jī)尾罩溫度1點。

壓力測量：共有兩點，分別為助燃風(fēng)總管壓力、煤氣總管壓力。

流量測量：共有1點，煤氣總管流量。

儀表柜上配有手動/自動調(diào)節(jié)儀，進(jìn)行對煤氣總管壓力和燃燒爐出口溫度的調(diào)節(jié)。

1.4 造球系統(tǒng)

圓盤造球機(jī)把烘干混合均勻后的生料制成一定大小的圓球(生球)。系統(tǒng)中的圓盤給料機(jī)均由變頻控制，造球機(jī)由軟啟動控制，因生產(chǎn)中對原料中的水份難以控制且要求球的大小均勻，需操作工對此進(jìn)行實時觀察并采取相應(yīng)的措施，因此控制方式采用自動的PID不太適用而多為手動，在每臺圓盤造球機(jī)處配有機(jī)旁操作箱，通過調(diào)節(jié)電位器來控制圓盤給料機(jī)的速度及電振、造球機(jī)的啟動停止。造好的生球由4#皮帶運至生篩機(jī)。

1.5篩分焙燒系統(tǒng)：

從造球機(jī)出來的生球經(jīng)過篩分、布料車布料后進(jìn)入豎爐,對生球進(jìn)行燒制，各設(shè)備之間的聯(lián)鎖如下：

1.6本體焙燒系統(tǒng):

需要控制的對象主要包括:煤氣總管、支管電動調(diào)節(jié)閥,助燃風(fēng)總管、支管電動調(diào)節(jié)閥,冷卻風(fēng)總管流量電動調(diào)節(jié)閥,布料車和卸料機(jī)。為了充分發(fā)揮設(shè)備的性能,保證整個生產(chǎn)過程安全可靠,自動控制系統(tǒng)采用兩級計算機(jī)控制方案,上位機(jī)采用工控機(jī),下位機(jī)采用西門子PLC 和億維的UNIMAT的I/O模塊。

對于自動布料系統(tǒng),主要是開環(huán)控制,控制布料車來回行駛的速度,以實現(xiàn)布料均勻。對豎爐溫度控制環(huán)節(jié),采用PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制方法。

豎爐溫度控制環(huán)節(jié)主要是控制燃燒室的溫度在工藝要求范圍內(nèi),可運用兩個閉環(huán)PID 調(diào)節(jié)回路構(gòu)成煤氣、助燃風(fēng)比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)以控制燃燒室的溫度。其系統(tǒng)控制框圖如圖3 所示。

圖3 　豎爐溫度控制框圖

其中PID 控制器設(shè)計為單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器,可動態(tài)地調(diào)整PID 控制器的3 個參數(shù),以滿足實時控制的要求。

4.2.4各控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面如下

1.1焙燒系統(tǒng)畫面中如下圖：

通過此畫面可以對焙燒各點溫度、壓力、流量、閥門開度進(jìn)行監(jiān)控，并可以對各調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。畫面還包括汽包液位、軟水泵的啟停、運行狀態(tài)等。

1.2 生產(chǎn)中對煤氣的用量要進(jìn)行報表記錄，以方便對煤氣的使用情況進(jìn)行定時統(tǒng)計，給生產(chǎn)調(diào)度帶來方便。煤氣累計流量報表畫面如下

1.3 溫度曲線有兩部分：<溫度曲線一>主要為燃燒室各點溫度、焙燒帶溫度、均熱帶溫度。<溫度曲線二>主要為烘干床、排料、煙罩溫度。通過此曲線可以分析生產(chǎn)中各段溫度。使各點溫度與工藝要求對比，給生產(chǎn)操作帶來依據(jù)。

1.4 報警畫面：包括主畫面中所有的點，通過設(shè)置上限、下限或狀態(tài)可對采集的參數(shù)進(jìn)行有效的報警，提醒操作人員及早發(fā)現(xiàn)以便對問題及時進(jìn)行處理。也可在發(fā)生故障后通過報警記錄對問題進(jìn)行分析，防止以后類似問題再次發(fā)生。

1.5 煤氣流量曲線：可觀察不同時刻點的流量，實時進(jìn)行監(jiān)控。

4.3   高壓系統(tǒng)在此不作說明

五、使用效果分析

本自控系統(tǒng)在滿足技術(shù)要求的情況下，根據(jù)各設(shè)備的工作要求，選擇了西門子（SIEMENS）公司的PLC-300系列CPU和億維的I/O模塊構(gòu)成，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，又在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)在投入運行后狀態(tài)良好。