PLC控制系统在中大型高炉上的应用

PLC控制系统在中大型高炉上的应用
1 概述
国内某网铁集团公司第二炼铁厂现有1260m3两座，根据该公司的改扩建规划方案，需将其改建成2560m3高炉两座，分两期进行，一其工程先改建一座高炉。

该高炉系统配备有：贮矿、贮焦槽，带式输送机上料，双罐并罐式无料钟装料，炉体为软水密闭循环冷却系统（采用板壁结合型炉体冷却设备），矩型方式出场，3座改进型内燃式热风炉（用高炉煤气作燃料，空气助燃），全底滤式炉前冲渣工艺，富氧鼓风喷煤技术（喷煤系统采用双系列双罐串联总管喷吹炉前分配系统），以及一套完整的自动化系统。

改建后，使该高炉系统整体水平达到国内同类型高炉的装备水平且投资最少。

2 自动化系统构成
从改扩建总体规划方案考虑，该高炉自动化系统按其总体结构划分为三级。

第一级为检测驱动级，由热电偶、热电阻、变送器、电子称、按钮、行程开关、限位开关、电磁阀、调节阀、电动机、信号灯等组成。

该级完成地生产过程中各流体、物料和设备的检测与驱动。

第二级为设备控制级，由7个控制站（每个控制站由2台PLC构成）、5个操作站（每个操作站由2台IPC构成）、1个工程师站、2个通讯网组成。

该级完成对生产过程中各流体、物料和设备状态的显示、操作（台闭环控制）。

第三级为过程控制级，由1台服务器、3台客户机、1台网络打印机、1个通讯网组成。

该级完成对生产过程中生产计划的制定和协调，收集生产过程中各数据，并按一定的方法加以处理后进行数学模型计算，并向设备控制级发出控制指令（即设定值），实现对生产过程的管理与控制。

该高炉系统按其工艺设备又划分为6个子系统，分别为：
（1）原料称量（配料）与上料设备；
（2）炉顶装料设备；
（3）炉体设备（砌砖体和炉体冷却设备）；
（4）热风炉；
（5）煤粉制备；
（6）煤粉喷吹。

但由于资金限制，过程控制级仅对生产过程中的各种数据进行收集、加工处理和制作报表。

其中富氧鼓风喷吹煤粉技术（煤粉制备和喷吹）暂缓设计。

3 PLC控制系统的配置特点及控制功能
在该高炉自动化系统中设备控制级采用了美国A&B公司生产的PLC控制系统。

该PLC控制系统由操作站（工业PC机）、控制站（PLC-5/1771）和通讯网3部分构成。

操作站由6台工业PC机组成3套互备系统，控制站由10台PLC-5/1771处理器组成5套热备系统，通讯网络分为3层，自下而上分别为设备层——设备网DeviceNet网、控制层——控制网ControlNet网、DH+网（DH+网为工业LAN网）和远程I/O网及信息层——以太网EtherNet/IP网。

该设备控制级的通讯网络采用了控制层中的控制网、DH+网和远程I/O网，信息层中的以太网。

其中控制网（CONTROLNET网）为冗余网络，该网完成操作站之间和操作站与控制站之间的数据通讯。

DH+网完成控制站之间的数据通讯。

设备控制级与过程控制级之间的数据通讯通过以太网（ETHERNET/IP）网完成设备控制级中操作站与过程控制级中服务器之间的数据通讯。

主要特点有：
*设备控制级与过程级控制级之间信息交换采用了带碰撞检测的载波侦听多路访问传输协议的以太网；
*在设备控制级中操作站与控制站之间信息交换采用的是基于开放网络技术的生产者/客户模式的控制网，可组成多主、主/从或对等通讯结构模式，数据发送具有确定性和可重复性，在一条链路上信息类型（预定信息和示预定信息）的任一混合；
*控制站采用双PLC处理器热备方式：
*操作站采用双机互备。

PLC控制系统的控制功能有：
*槽下供、配料（物料配方、称量自动补偿）；
*无料钟炉顶控制，即受料漏斗控制、贮料罐均压控制、阀门箱控制（排料流槽、料流调节阀、下密封阀）、驱动装置控制（旋转溜槽布料器、探尺）、气密箱温度控制；
*炉顶温度控制；
*炉顶压力控制；
*炉体料柱差（静压法）、透气性指数、鼓风动能、冷却设备的热负荷及检漏的计算；
*热风温度控制；
*冷风湿度控制；
*热风炉拱顶温度控制；
*烟气含O2量控制；
*助燃风总管压力控制；
*热风炉换炉及送风控制；
*膨胀罐控制。

4 PLC控制系统应用
该控制系统于1997年9月完成控制系统招标书，同年11月确定控制系统集成商并完成系统硬件配置，12月初开始软件培训，应用软件功能规格书于12月完成，应用软件程序于1998年4月初编制完成并进行裸机调试。

调试中时有出现个别控制站死机现象，经与设备集成商负责工程技术支持人员和用户三方共同分析研究并与用户过去的老系统（DCS作为设备控制级）进行比较，最后得出共识为：控制系统硬件配置和系统软件平台的选择不尽合理。

其原因有如下几个方面：
（1）系统集成商在做系统投标时，仅将招标书中的输入、输出点数除以相应I/O模板点数，得到I/O模板数，得到I/O模板数与约15%的总（输入、输出）点数所对应的模板数之和为I/O模板总数，再由I/O模板总数确定PLC处理器的型号和数量。

而未考虑到系统通讯时，模拟量与数字量的区别和物理工位数量（实际输入、输出数量）与逻辑工位数量（除物理工位数量之外还应包括计算过程中的中间变量和结果、模拟量的相关参数等）的区别。

（2）当PLC处理器采用热备方式时，I/O模板只能置于其扩展I/O机架或
远程I/O机架中。

（3）由于系统软件在Win95平台下工作，所以无法保证应用软件运行环境100%的可靠。

（4）未考虑模拟量信号有数字滤波和实时采样对时间的要求。

上述这些原因都影响系统通讯速率和通讯量。

为了不使通讯堵塞而造成死机，我们进行了必要的补救措施。

由于上述（1）、（2）和（3）属于系统硬件配置和系统软件平台问题已无法改变，仅能从应用软件中采取一些弥补措施。

该措施有两方面，其一为降低显示调节系统的性能，即延长实时采样时间，模拟测量信号由原标准采样时间1.0s分别改为湿度2.5s，压力（或差压）1.5s，流量2.0s，液位1.5s，模拟调节信号由原标准采样时间200ms改为800ms；其二为降低系统抑制干扰能力，即取消模拟信号中数字滤波。

修改后系统于5月到现场就位，调试中仍有死机现象，但出现的次数已明显地减少。

死机仅出现在模拟量信号较集中的炉体设备控制站。

该站模拟信号占总信号的98%以上，并且含有大量的模拟计算，这些是高炉系统本身所固有的，无法改变，最后只好又编制一个系统复位程序，用于死机后重新启机。

5 结束语
在大中型高炉自动化系统中基本上都采用三级控制，其中设备控制级可采用DCS或PLC或二者混合的系统。

三种方案从理论上讲，只要系统硬件配置合理，系统软件选择合适，系统都应具备满足高炉系统对控制的要求，即系统是可行的。

而在实际应用中，由于PLC系统在其价格方面远优于DCS系统，所以在方案设计阶段，PLC系统往往成为用户的首选方案。

从目前资料来看：在大中型高炉自动化系统中，设备控制级完全采用PLC 控制系统，在国内、外尚无成功的先例（即没有任何一家PLC设备供货商能给出在高炉上成功的应用范例），采用全PLC系统方案尚处于试验摸索中。

而评价一个系统的好坏，不能只看其价格一具方面，应从以下几个方面全面考虑：
（1）从应用对象的物理空间位置来看，所配置的控制系统硬件结构（可减
少不必要的数据交换）是否合理；
（2）按应用对象对可靠性、时间性的要求看选择的系统软件是否合适；
（3）再看系统集成商对所选系统在某个领域中的应用对象是否有使用经验（至少也要有成功的事例）；
（4）最后看系统价格是否合理（即用户是否能接受）。

依作者的观点：现阶段高炉自动化系统中设备控制级最合理的系统方案为DCS与PLC的组合。

其优点是操作站和通讯网采用一家统一的产品，在控制站上对不同的过程视其模拟量和数字量所占不同比例，分别采用DCS和PLC（即以模拟量为主的采用DCS，以数字量为主的采用PLC）。

这样的组合系统既克服了全DCS控制系统价格昂贵的缺点，又克服了全PLC控制系统在目前的应用中出现的问题，集两种控制系统的优点于一身。

随着PLC控制系统在应用中不断地完善，其低成本投资的特点就越显著，其应用前景取决于其完善程度。

另外一点需要说明的是近年来现场总线在各个领域中已经开始应用。

由于在高炉系统中有大量的模拟量和数字量需要检测和控制，而采用现场总线的形式可大大地降低工程造价，其经济效益非常可观，应用前景十分乐观。