PDF《过程监控系统在本钢 2 号高炉的应用》

1 过程监控系统在本钢

2 号高炉的应用 张亮 (浙江万里学院智能控制技术研究所,浙江 宁波,315101) 摘要:本文以本钢

2 号高炉大修改造为背景,根据高炉工艺对计算机监控系统的要求,采用 SIEMENS 公司S7-400 系列的 PLC 和控制计算机构成了计算机过程监控系统.

该系统具备了现场过程数据的动态监视 功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能、现场操作的指导功能和对生产过程的控制功能等,系 统投入运行以来,工作正常,控制平稳,为高炉迅速达产创造了良好的环境和条件,具有较强的实用性. 关键词:高炉;

过程控制;

监控系统 中图分类号:TP273+.5 文献标识码:B Application of Process Monitoring System for NO.2 Blast Furnace of Benxi Iron and Steel Co. Zhang Liang (Institue for Intelligence Control Technology of Zhejiang Wanli University,Ningbo,315101) ABSTRACT The article based on rebuilding of NO.2 BF in Benxi Iron and Steel Co.According to the equirement of the computer monitoring system in the crafts of BF, a process computer system has been set up and it adopted control computer and S7-400 series PLC produced by SIEMENS company .At the mean time, Monitoring and control parts are configured and programmed to realize the function of monitoring alarming of abnormal signals, logging of history date, guiding of control .After the system put to use, all the things have proved to be normal work, steadily control and it has practicality for the perfect condition and surrounding for the NO.2 BF achieving its goal in production. KEY WORDS blast furnace;

process control;

monitoring control system

1 引言 本钢集团公司

2 号高炉始建于

1917 年,高炉容量为 380m3 ,配有

4 座热风炉,2 台铸 铁机,2 台75m2 烧结机.本钢

2 号高炉由于连续生产多年,远远超过高炉长寿标准,高炉 四段

26 号、3 号、4 号冷却壁发生破损、炉底温度高,设备老化,控制、监视不全面,故障 率高,直接影响了生产.本钢集团公司决定对

2 号高炉进行拆除性大修.本次大修将仪表盘 全部拆除,过程控制和监控部分全部采用计算机控制.

2 过程监控系统的构成与实现 在对本钢

2 号高炉过程监控系统设计时,借鉴了国内外同类型高炉在自动化仪表方面的 先进技术和经验, 对高炉的过程检测和自动控制系统进行了全新的设计, 除特别重要的工艺 参数及操作器以外,取消了原检测控制系统庞杂的二次仪表,采用计算机过程监控系统,监 控高炉的生产过程,由该系统完成对高炉的过程检测、自动控制,数据处理、数据图形显示 和记录.

一、总体方案设计 充分利用计算机网络的优势,以主操作站为中心实现集中操作、分散控制,尽可能减少 计算机系统外围的布线量. 考虑到高炉系统有大量的顺序控制, 具有较多的过程信号检测与 控制的情况, 选择德国西门子公司的 S7-400 PLC 为过程站的设备, 采用性价比好的 DELL PC 为上位机,编程软件和监控软件均采用西门子公司的产品,该方案集计算机、仪表和电气控 制于一体.

二、系统的构成

2 高炉计算机控制系统是集机械、 电气控制和计算机应用为一体的技术. 计算机过程监控 系统的布局及网络结构如图 1.系统由上料系统、高炉本体、热风炉三个过程站和三个操作 站组成, 每个过程站分别由前端采集控制站和控制站两部份组成. 所用模拟量输入均采用独 立通道模板,以免相互影响;

所有开关量输出均采用无触点输出模板,避免因继电器触点粘 连引起的系统控制失灵等不必要的麻烦;

所有阀位输入均采用光电藕合输入模板, 避免因执 行机构阀位反馈信号窜强电而损坏计算机. 图.1 2号高炉和热风炉系统结构 Fig

1 System Structure of NO.2 BF and Airheater (1) 上料系统过程站 从工艺方面说,上料系统包括卷扬和槽下两部份,它们共用一个过程站,该过程站既包 含电气专业逻辑控制,又包含仪表专业的过程检测和控制,但以电气专业为主,故该站归属 电气专业设计,采用 S7-400 PLC 作控制站.该站除电气专业逻辑控制外,主要完成

12 个原 料斗电子称量及料钟炉顶部分工艺参数的检测控制及各开关检测. (2) 高炉本体过程站 高炉本体过程站主要完成高炉本体工艺的数据采集与控制,包括炉身、炉缸各层温度, 热风温度,热风压力,冷风压力,冷风流量,炉顶压力,料线料位,炉喉十字测温及料钟系 统的各工艺参数的检测,炉顶压力及料罐均压的自动控制等. (3) 热风炉过程站 热风炉过程站主要完成

4 座热风炉、富氧系统及预热器各工艺参数的数据采集和控制, 包括热风炉炉顶温度,烧炉用空气,煤气的流量压力,温度及冷风均压,烟气均压,烟气温 度等参数的检测及燃烧配比自动控制;

富氧系统的流量、压力,温度差压的检测及氧量控制 和安全联锁;

空气、煤气预热器前后温度、压力、差压的检测及冷风压力,流量、温度的检 测和热风温度的控制等. (4) 高炉本体操作站-高炉中央控制操作室 为了适应工艺操作要求, 本操作站设置两个站: 一个为主操作员站用来显示高炉原料监 视操作屏和高炉上料监视操作屏;

另一个站主要用来显示生产操作技术参数、区域图、曲线 图等画面,两者也可互为备用.操作人员通过观察计算机监控屏的显示及工作状态,控制各 种设备.采用一机多屏的方式,用两台

21 寸彩色 CRT 显示高炉原料监视操作屏和高炉上料 监视操作屏,两台 CRT 分别放在主控室和原料操作室.

3 (5) 工程师站 工程师站由一台上位机、 一台 CRT 和一台打印机组成. 工程师站具有对各系统进行组态 权和运行权,可以进行料制的设定,当前料车的车次、周期、程序信息的显示,生产工艺过 程的显示,程序打印等功能. (6) 热风炉操作站 动态显示 5#、6#、7#、8#热风炉送风、闷炉、燃烧工作状态;

冷风、热风、煤气、废 气管道的工作状态监测,各种阀的工作状态显示和调节控制. (7) 高炉计算机网络

2 号高炉三个过程站都可以独立完成各自的任务,根据生产工艺的需要,将原来各自独 立的过程站和操作站连结起来组成工业以太网,做到资源共享,互调数据、画面等,构成完 整的过程监控系统, 因此在 S7-400 中增加了 CP 443-1 通讯模块, 在上位机中增加了 CP

1613 通讯板,利用光链路模块(OLM)将3台PLC 和4台上位机通过光纤电缆进行连接,形成管 理级、单元级和现场级的通讯网络.

3 过程监控系统的实现

一、过程站的编程和组态 采用 SIMATIC STEP

7 软件通过个人电脑进行编程、组态.SIMATIC STEP

7 软件含有全 部所需开发、编辑、打印、文件、程序上装、下装、监视、在线或离线改变,程序保持和组 态等功能.S7-400 PLC 不仅完成集中控制并且还完成多级分布控制. 整个系统共有 AI/AO

200 余点,DI/DO

1200 余点,PID 调节回路两个及若干个内部变 量的运算.

二、监控系统人机界面的实现 通过对 SIEMENS 工业控制软件包进行二次开发, 完成了上位机监控系统的设计, 监控系 统的主要功能模块如下: (1)高炉工艺流程模块 高炉工艺流程模块主要完成料制的设定,当前料车的车次、周期、程序信息的显示;

燃 料由料槽放入称量斗到料车、经斜桥达到炉顶、开小钟、均压、开大钟装入高炉等一系列过 程监控,以动态画面显示高炉工艺流程. (2) 高炉生产操作技术参数模块 高炉生产操作技术参数模块,完成对炉况进行综合判断,同时根据原、燃料理化性能、 风机能力、运输条件、设备运转情况等外界条件的变化,通过对风量、批重、负荷、煤粉喷 吹量、风温、风口面积等及时准确的调整,保持炉况顺利,从而不断提高高炉的技术操作水 平. 该模块除了完成对操作技术参数的监控和东西探尺的位置移动曲线显示外, 还显示对应 的上下限报警. 对于授权用户可在线设定风口面积,冷风风速,可在线计算鼓风动能和理论燃烧温度. (3) 操作参数记录曲线 操作参数记录模块主要记录风温、风压、风量曲线;

焦矿、称重曲线;

压力、压差曲线;

全压差曲线;

炉顶、炉喉温度曲线;

炉缸、炉身温度曲线.记录曲线存档一个月内容,分成 四个区域:数值显示;

风量、风压、风温、顶压;

上、下部压差及炉顶温度曲线图. (4) 称重曲线 称重曲线模块分为两屏,焦炭和烧结称重,各种杂矿称重,画面不仅显示了每批炉料的 重量,而且记录了每个班次所上的各种炉料. (5) 高炉测温显示模块 该模块主要完成炉顶、炉喉温度;

炉身一层、三层温度;

炉缸温度;

炉基温度;

炉底一 层、四层温度;

十字测温.

4 (6) 高炉炉底侵蚀计算与显示 在高炉生产过程中,炉缸不断地被侵蚀,特别是在高炉服役后期,过分的炉缸侵蚀直接 影响到高炉生产的安全.为了测定高炉内衬的侵蚀情况,以传热理论为依据,建立了计算炉 底或炉缸侧墙的剩余厚度.运用了传热学及计算机技术,达到了较高的综合性能,目前运行 稳定,如果进一步的改进,将有更广阔的应用前景.

4 3

2 1

0 692 铁口方向

0 A B C D a b c d

1 2

3 4 炉缸中心、直径3977炉底圆周侵蚀情况 3977mm 色测点直径 5300mm 色测点直径为 , 7294mm 色测点直径为 直径5050mm垂下方向侵蚀情况 A B C D a b c d 炉底圆周侵蚀示意 炉底测点位置示意

2421 φ5300 φ3977

1799 18° 12° Φ5050mm 测量 斜下方向侵蚀量 Φ5050mm 测量 垂下方向侵蚀量 Φ7954 直径5050mm斜下方向侵蚀情况 φ5050

2075 (mm) 单位0-396 -742 -1088 -1434 -1780 -2126 -2472 -2592 (mm) 单位0-346 -692 -1038 -1384 -1730 -2076 -2422 -2542 单位(mm)

0 1

2 3

4 0

0 0

0 a b c d

0 0

0 0 A B C D

0 0

0 0

0 -400 -1200 -800 -1600 -2000

0 图3炉底侵蚀界面 Fig.3 The Interface of Corrosion at the Blast Furnace Bottom (7) 生产操作数据打印 利用历史数据库,可以预览和打印当班或当天生产操作数据报表,包括温度、流量、压 力等系统参数,也可以直接将屏幕打印到打印机上,报表格式和报表打印周期由用户制定. (8) 报警归档记录 报警归档记录主要完成:压力、温度、重量、流量、开关量的上下限报警及记录归档, 便于在线诊断各类故障,查找故障部位并报警. (9) 热风炉监控模块 热风炉操作参数模块主要完成热风炉焦炉煤气流量;

高炉热风温度;

热风炉炉顶温度;

热风炉废气温度;

热风炉高炉煤气流量;

热风炉高炉煤气流量调节控制;

热风炉高炉煤气流 量调节阀位;

热风炉助燃风流量;

热风炉助燃风流量调节控制;

热风炉助燃.风流量调节阀 位;

高炉煤气压力;

冷风总管温度. 5#、6#、7#、8#设计了单炉系统,分别显示 5#~8#热风炉送风、闷炉、燃烧状态;

冷风、热风、煤气、废气管道的状态及各个阀位的工作状态.显示烧嘴温度、拱顶温度、废气 温度、高炉煤气流量、助燃风流量、调节阀位及调节控制. 另外,热风炉生产过程流量趋势、温度趋势、阀位调节趋势、烧嘴温度控制趋势、流量 等六个画面,满足了热风炉操作人员的需要. 各画面调用采用快捷键方式,在各画面上设置快捷键,做到只用鼠标点击,即可完成画 面调用及手动切换等操作.

4 结语 本钢

2 号高炉过程监控系统一次试车成功.投入运行以来,

图表清楚,数据准确,工作 正常,为高炉生产创造了良好的条件,投产一周后高炉利用系数就达到 3.0,达到了预期的

5 效果. 独特的计算高炉炉底侵蚀模型, 为高炉安全生产提供直观参考, 具有实用性、 创新性. 实践证明系统的设计开发是成功的,创造了良好的经济价值. 参考文献 1.徐坚.DCS 控制系统在大型高炉中的应用[J],微计算机信息,2003,(1):16-17 2.毕学工.高炉过程数学模型及计算机控制[M],北京:冶金工业出版社,1996 3.战红仁等.自动控制在冶金工业中应用新动向[J],北京:冶金自动化,2002(5) 4.John A.Tanski,The development of advance simulation mod................