施耐德PLC在攀钢钒新一号360m^2烧结机自动控制系统中的应用.pdf

第3 2卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四川 I 冶金 Si c h u a n Me t a l l u r g y Vo 1 ． 3 2 N o ． 3 J u n ． ， 2 0 1 0 施耐德 P L C在攀钢钒新一号 3 6 0 m 2烧结机 自动控 制系统 中的应用 唐炜 杜斯宏于天齐 攀枝花钢钒有限公司炼铁厂 ， 四川 攀枝花6 1 7 0 2 4 【 摘要】 攀钢钒烧结技术改造， 拆除落后的1 3 0 m 烧结机， 新建工艺技术先进的3 6 0 m 烧结机， 本文介绍 了Q u a n t u m P L C在 3 6 0 m 烧结机 自动控制系统中的应用及 自动控制系统的组成、 系统特点和 系统的功能， 并着重 介绍了该系统在配料、 点火炉温度控制、 B T P 、 三机速度联动等 自动控制功能的实现。 【 关键词】 烧结机 自动控制P L C 施耐德Q u a n t u m APPLI CATI oN oF SCHNEI DER PLC I N PANS TEEL AND VANADI UM NEW 1 3 6 0 i n 2 S I NTER M ACHI NE AUToCONTRoL S YS TEM Ta n g W e i Du S i h o n g Yu Ti a n q i P a n z h i h u a V a n a d i u m＆S t e e l C o ．I r o n Ma k i n g P l a n t ， P a n z h i h u a ， S i c h u a n 6 1 7 0 2 2， C h i n a 『 A b s t r a c t ] P a n s t e e l a n d v a n a d i u m C O ． ma d e s i n t e r t e c h n o l o g i c a l a n s f o r ma t i o n ， d i s m a n t l e o r i g i n a l 1 3 0 m s i n t e r ma c h i n e s ． Th e n e w 3 6 0 m s i n t e r ma c h i n e wa s b u i l t ． I t h a d a d v a n c e d t e c hn o l o g y a n d c o n t r o 1 ． T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e a p p l i c a t i o n o f Q u a n t u m P L C i n 3 6 0 m s i n t e r ma c h i n e a u t o c o n t r o l s y s t e m． I t i n 一 o d u c e d the c o mp o s i t i o n， c h a r a c t e r s a n d f u n c t i o n o f t he s y s t e m ． I t s p e c i a l l y i n t r o d u c e d the a c h i e v e me n t s o f t h e a u t o e o n t r o l s y s t e m i n b u r d e n， BT P， s p e e d s l i nk a g e o f thr e e ma c h i n e s ． [ Ke y w o r d s ] s i n t e r m a c h i n e ， a u t o c o n t r o l ， P L C， S c h n e i d e r ， Q u a n t u n 1 前 言 攀钢钒为 了促进技术进步 ， 同时响应国家环保 政策 ， 对上世纪七十年代先后建设的一期 1 3 0 m 烧 结机分期分批进行全面升级技术改造 ， 以提高烧结 系统整体装备和环保水平 ， 其总体改造方针是 区分 缓急、 分步实施 、 保证炉料 、 解决环保。改造第一步 是易地建设一台 3 6 0 m 烧结机 ； 第二步是拆除 2台 1 3 0 m 烧结机 ， 原地建设一台 3 6 0 m 烧结机 ； 第三 步是拆除余下的 3台 1 3 0 m 烧结机， 原地建设一台 3 0 0 m 左右 的烧结机 。攀钢钒第一台 3 6 0 m 烧结 机于 2 0 0 8年4月 1 5日动工， 2 0 0 9年 6月 1日投料 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 0 作者简介 唐炜 ， 男 ， 高级工程师 。 点火 ， 并很快达产 ， 为高炉提供优质烧结矿。该烧结 机是国内最大的钒钛磁铁矿烧结机之一 ， 其 自动化 控制系统采用先进的网络结构和 P L C软硬件设备， 并应用先进的烧结工艺优化控制软件技术， 实现烧 结生产过程 自动控制、 监控及管理 ， 为攀钢钒钒钛磁 铁矿烧结生产走 向大型化迈 出了一大步。 2工艺概 述 攀钢烧结是钒钛磁铁矿烧结 ， 是将含铁粉状料 或细粒料进行高温加热 ， 在不完全熔化的条件下烧 结成块的过程 ， 作为炼铁原料。烧结机是炼铁原料 准备的中间过程。烧结 的过程是根据炼铁的要求 ， 第 3期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 将细粒 的含铁原料、 熔剂 、 燃料进行配料、 混合造球、 铺料点火、 抽 风烧结， 而后再 降温固结 ， 经破碎 、 筛 分、 冷却、 整粒后把成品运往高炉。返矿重新参加配 料 、 铺底 和烧结。烧结过程 的基本原理就是把准备 好的混合料在烧结机上进行点火并通过抽风的作 用 ， 使混合料中的固定碳燃烧 ， 产生高温混合物局部 软化或者熔化 ， 发生一系列的化学反应 ， 生成一定数 量 的液相 ， 随后 由于 温度降低 ， 液相冷却而凝 固成 块 。 3 自动控制系统构成 根据新一号 3 6 0 m 烧结机工艺流程特点及工 艺 ， 为满足烧结工艺 生产要求 ， 提高 自动化控制 水 平 ， 提高烧结矿质量、 节能降耗 、 改善工人劳动环境 ， 设置了完善的过程检测和控制项 目。自动控制系统 实现对整个新一号 3 6 0 m 烧结机生产设 备的联 锁 控制 ， 实时数据的采集与分析 ， 过程与设备状态的监 控与报警 ， 过程趋 势数据 的采集与处理 ， 报表打印， 画面显示。完成 了生产设备的基础 自动化及过程计 算机控制 。各个 P L C站 、 上位监控机、 工程师站之 间采用冗余配置 的 T C P ／ I P工业 以太网连接 ， 构成 了新一号 3 6 0 m 烧结机生产 的综合监控网络。 根据烧结 工艺对 自动 化 系统 的要 求， 新 一号 3 6 0 m 烧结 机 计算 机 自动控 制 系统 采用施 耐德 Q u a n t u m 1 4 0系列 P L C C P U模 板 1 4 0 C P U 6 5 1 5 0 ， 1 4 0 C P U 6 5 1 6 0 ； 通讯 模 板 1 4 0 C R P 9 3 2 0 0， 1 40 C R A 9 3 2 0 0 ， 1 4 0 N O E 7 7 1 0 1 ，P T Q P D P MV 1 ； 输入 模板 1 4 0 DM 7 5 3 0 0， 1 40 AT1 0 3 0 0 0， 1 4 0 A R1 0 3 01 0， 1 40 AC1 0 40 0 0； 输出模板 1 40 D D 0 3 5 3 0 0 ， 1 40 A C X E X 0 可实现原燃 料接收系统 、 配混系统 、 烧冷系统、 成品整粒系统、 铺 底料系统、 冷返矿系统 、 主粉尘系统及电除尘卸灰系 统 的电控逻辑顺序控 制。对原燃 料接受及贮存系 统 ； 配混 系统 ； 燃料二次分加 ； 生石 灰配加 ； 烧冷系 统 ； 成品筛分系统 ； 主抽风机 系统 ； 全厂物料及能源 介质计量 ； 除尘器系统 ； 余热利用系统及其它辅助设 施的仪控过程检测与 自动控制。系统网络配置简图 如 图 1示 。 攀钢钒新一号烧结机 自控 系统网络结构简图 图 1 攀钢钒新一号 3 6 0 m 烧结机 自控 系统 网络结构 简图 控制系统中 C S 1负责原料进料系统、 配料系统 器 ， C S 4负责烧冷系统、 机头、 机尾除尘 、 外围仪控部 及烧冷系统的 电控部分 ， 连接有 1 4台变频器 ， C S 2 分 ， C S 5为余热回收控制站 ， C S 6为主抽控制站。 站负责整粒筛分 、 铺底料 、 返 矿系统 的电控部分 ， 连 参加集 中控制的主工艺设备均采用以三电一体 接有 l 2台变频器 ， C S 3负责配料 系统 、 一混、 生石 化系统为核心的可编程序控制 P L C 构成的计算机 灰、 一次配加 、 外配煤仪控部分 ， 连接有 3 8台变频 系统进行控制 ， 并应用国内先进 、 成熟的烧结控制软 四川冶金 第 3 2卷 件技术实现新一号 3 6 0 n f 烧结机生产过程 自动控 制。所有过程检测 、 控制参数均纳入到中控室计算 机控制系统进行生产过程集中监视、 控制、 数据处理 及生产 管理。系统 还应 用 P r o fi b u s ． D P通 过 P T Q P D P M V1 与各变频器相连。 在电气楼设置中控室对整个烧结主工艺系统进 行操作、 监视、 控制、 报警和管理。主控室设置 了计 算机控制系统操作站 含模型操作站 、 打印机 ； 工 程师站、 服务器、 计算机控制系统的控制柜、 网络柜、 及其辅助设备设置于二级机房 ； 配混系统、 烧冷系统 远程 I ／ O柜、 仪表盘等就近设置在 电气楼低压配电 室 内。 在配料值班室设置计算机操作站 ， 以便调校配 料秤， 并可对配料系统进行监控及管理。 在主抽风机控制室设置计算机操作站、 控制柜 成套设备 ， 完成 主抽风机 系统监控 ， 并将一些重 要参数通讯送至主控室操作站进行监视。 在原料变电所、 成品变电所设置远程 ／ ／ 0站 ， 就 近接收过程检测控制信号 ， 经通讯 网络将数据传到 主控室进行监视 、 控制、 操作和管理 。 计算机系统配有以太网通讯接 口与厂级计算机 进行数据通讯 。仪表和计算机控制系统的信号交接 在 I ／ O柜的端子排上完成。 4系统 功能 4 ． 1 电气控制 电气控制根据烧结工艺流程 可分如下控制系 统 原燃料接收系统、 配料混合系统 、 烧结冷却系统、 成品整粒系统 、 铺底料系统 、 冷返矿系统、 主粉尘系 统 包括机头电除尘 、 环境除尘系统 、 相关辅助系 统等主工艺流程系统控制与监视等。 计算机控制系统采用多 P L C的网络结构。根 据工艺要求和现场实际情况 ， 控制方式 主要分系统 集中控制和机旁操作两种方式 。正常生产时 通过 P L C系统的操作站 O S 进行新一号 3 6 0 m 烧结机 集中联锁控制和监视。非正常生产时 在机旁可进 行单机控制 ， 一般用于检修试车。设备的集 中控制 和机旁操作选择在中央控制室操作站上进行。参加 集中联锁的工艺设备联动及单机联动运转的设备都 在该中央控制室控制内。参加集中联锁的工艺设备 相关保护信号如电源 、 热继电器 、 事故开关 、 轻重跑 偏 、 打滑开关等都进行采集。操作员通过设置在中 央控制室内操作站 C R T画面以键盘或鼠标操作方 式对全厂主工艺系统设备进行操作及监控。各控制 站、 远程站和操作站通过网络线相连 ， 以网络数据通 讯方式交换信息。 1 以配料系统为例 ， 在配料系统 中， 给料量主 要 由配料秤的速度决定 ， 并且与速度成线性 比例关 系。处于机旁手动操作方式时， 操作工可手动调节 操作箱上电位器来控制变频器频率 ， 从而控制配料 秤给料机的转速。处于 自动运行方式时 ， 中控室操 作工可从上位监控机设定流量给 P L C， 同时电子皮 带秤测出一个实际流量信号反馈 回 P L C参加 P I D 运算 ， 最后 ， 得到一控制量 ， 通过 P r o fi b u s D P控制 变频器 ， 从而控制配料秤的转速， 达到控制物料流量 的目的 ， 最终使几种煤料的瞬时下料流量与阶段累 计量都保持在用户要求的范围内， 第 i 号给料机 的 控制方框图模型如图 2所示。 图 2 第 i 号 给料机控制方图 2 三机速度联动控制在正 常生产时 ， 烧结 机、 圆辊、 环冷机三者之间的速度应满足一定的比例 关系 ， 为此， 需对烧结机、 圆辊、 环冷机的速度进行三 机速度联动控制。当调节烧结机速度时， 圆辊给料 机和环冷机的速度也要按一定的比例关系进行 自动 变化，否则会影响生产的正常运行。烧结机、 圆辊 给料机、 环冷机三者之间的速度既可保持联动关系 ， 也可根据具体情况单独对烧结机、 圆辊给料机 、 环冷 机 的速度进行手动控制 ， 以满足生产要求 。 4 ． 2 仪表控制 仪表控制包括 原燃料接受及贮存系统 ； 配混系 统 ； 燃料二次分加 ； 生石灰配加 ； 烧冷系统 ； 成品筛分 系统 ； 主抽风机系统 ； 全厂物料及能源介质计量； 除 尘器系统 主电除尘器、 配料机尾 电除尘器、 整粒 电 除尘器 ； 余热利用系统及其它辅 助设施 的过程检 测与 自动控制。 厂际间计量点加隔离器 ， 分为两路分别进入公 第 3期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 司计量系统和烧结控 制系统 ， 并根据需要设置温压 补正信号 ， 进人攀钢钒公司计量信号预留接 口。 1 信号的采集与处理 利用施 耐德软件特有功能 ， 针对不 同的模拟量 输人信号和不同参数需要， 分别编制了工程量转换、 偏差、 上下限报警等各种 信号处理 的 D F B， 在 控制 程序中可直接调用这些功能块 。实现了过程控制基 础功能。 2 点火炉温度控制 点火炉燃烧控制是烧结机控制 的典型且重要部 分 ， 该系统控制的精确 、 稳定直接关系到烧结矿石 的 质量。可分为点火流量控制和点火温度控制两种方 式 。 流量控制 为操作 员在上位监控机设定 一流量 值， 给P I D调节器的 s P端， 反馈信号给 P I D调节器 的 P V端 ， 然后经 P I D运算后输 出一开度信号 来确 定调节阀的开度。点火炉温度控制可根据实际情况 在画面选择 串级控制系统或单 回路控制 ， 手／自动转 换实现无扰动切换。当采用 串级控制时 ， 根据工艺 要求 ， 操作员在上位机温度调节器输 入点火炉设定 温度 ， 温度调节器 的测量值 P V选用点火段 高值温 度 ， 与设定温度进行 P I D计算 ， 温度调节器的输出作 为煤气流量调节器设定。 自动控制煤气流量调节 阀 门的开度。而单 回路控制则是操作工根据实际情况 输入煤气流量调节阀设定 ， 与测量值进行 P I D计算 ， 使炉温稳定在规定 的数值范围内。空气量 由操作工 根据实际情况在上位机上输入 。此外 ， 要进行煤气、 空气流量温压补偿计算。 图 3 点火 炉温度控 制不意图 4 ． 3 L 2级 专家控 制 系统 二级计算机控制应用 系统采用服务器／ 客户 机 模式 ， 以大型数据库服务器为核心 ， 外挂接 口统一且 功能独立的系统服务组件为主体 ， 分布式组件为客 户的体系结构 。 系统运行于一级 自动化系统之外 ， 但 紧密结合 一 级控制功能 ， 为一级控制系统下达专家控制指令 ， 并形成控制互补。L 2专家控 制系统 与一级 自动化 系统之间信息交换采用实时数据通信方式， 其通信 接 口协议为当今流行的 O P C 。 应用软件涉及配料系统、 物料平衡系统、 添加水 系统 、 烧结过程控制系统、 报表输 出系统 、 数据管理 系统 、 数据分析系统等 。软件分别位于模型服务器、 数据库服务器 、 以及客户端之 中， 各部分之间相互协 同工作 ， 共 同完成烧结 综合控制专家系统 的所有功 能。 图 4 L 2级硬件连接 系统 图 1 以配料系统为例 ， 仪表控 制原料采用成分 及对应初始配比的处理 配料系统采用的参与配料的原料品种是通过人 工选择或配方设定获取 ， 系统根据烧结工艺过程确 定 同时参与配料的原料品种最多为 1 1种 铁精矿 、 1 ～ 4混匀矿、 高炉返矿、 冷返矿 、 燃料、 熔剂、 生石 灰、 粉尘等 ； 原料初始配 比是通过访 问系统预先设 定存贮在数据库中的表获得 ， 也可从预先设定的配 方中获得。系统以干配 比的形式来处理 ， 其配 比为 l 3个 铁精矿 、 1 一 4混匀矿、 高炉返矿、 冷返矿、 燃 料、 熔剂 、 一二次配加生石灰 、 粉尘、 外配煤 ； 各种 原料的采用成分是通过数据库中的原料化验单按照 一 定的算法获得。其它相关初始化参数也是来 自数 据库系统对应的参数表 如 各种原料的配 比上限、 配比下限、 配比初始值 。客户端可对原料初始化 表进行维护。 系统每次启动时 ， 自动加载初始化表 中原料成 分信息 以及其他初始化参数 ， 供其它模块使用。 2 原料配 比凑试计算处理 系统提供原料配比凑试计算功能。系统根据操 作人员设定 的参与原料品种 ， 以及 系统 中保存的原 四川 冶金 第 3 2卷 料化学成分， 提供人工调整原料配比的处理方法 ， 并 自动计算出烧结成品矿 的预计成分供操作员参考。 其计算公式为 成品的主要成分计算公式如 1 ～ 5 式 T F e ％ ∑ R i T F e i ％ ／ ∑ R i ／ 1 0 0 一I g i 1 0 0 ％ 1 S i O 2 ％ ∑ R i S i O 2 i ％／∑ R i ／ 1 0 0 一 [ g i 1 0 0 ％ 2 C a O ％ ∑ R i C a O i ％／∑ R i ／ 1 0 0 一 ki 1 0 0 ％ 3 Mg O ％ ∑ R i Mg O i ％／∑ R i ／ 1 0 0 一 I g i 1 0 0 ％ 4 R o C a O ％ ／S i O 2 ％ 5 在 1 ～ 5 式 中 i1～ n种原料 ； I g i 第 i 种矿的烧损； R i 第 i 种矿的干配 比； 以 1 0 0 ％为干料配比， 不含返矿， 粉尘等 T F e i ％ 第 i 种矿的 T F e 含量 ； S i O i ％ 第 i 种矿的 S i O 含量 ； C a O i ％ 第 i 种矿的 C a O含量 ； M g O i ％ 第 i 种矿的 M g O含量； T F e ％ 计算 的成品矿 T F e 含量 ； S i O 2 ％ 计算的成品矿 S i O 含量 ； C a O ％ 计算的成品矿 C a O含量 ； M g O ％计算的成品矿 Mg O含量 ； R o 计算的成品矿碱度 返矿、 粉尘配比在 1 0 0 ％以外单独计算。 5 系统特点 1 新一号 3 6 0 m 烧结机采用施耐德 Q u a n t u m P L C计算机对主要工艺生产线进行 自动控制。综合 了计算机技术 、 网络通信技术以及 自动化控制这些 高新技术 ， 形成两层控制管理系统。与以往的控制 系统相比， 在完成生产过程的监视和控制的基础上 ， 增加 了生产数据的分析管理功能， 使实时数据与管 理数据有机地结合在一起 ， 既能够将实时数据直接 用于生产管理 ， 又能将 管理数据经处理变换成控制 信息直接控制生产设备， 对提高劳动生产率， 提高产 品质量， 降低能源消耗， 降低生产成本以及改善企业 管理起着非常重要的作用。 2 故障报警及 自动生成报表。当出现故障 时， 监控画面将以警示色提醒用户 ， 以便操作人员及 时处理。系统能实时地将历史数据记录在上位机 中， 对数据的查询 、 统计和打印较方便。 3 P L C使用单独 U P S供电， 单独接地极 ， 并采 用 电源模板冗余 ， 保证 了系统 的安全性和稳定性 ， 有 效地减少故障停机时间。 4 上位机进行系统的监控和管理 ， 并提供 良 好的人机界面， 实现分布处理与集中管理一体化 ， 而 且系统故障率低 ， 可靠性高 ， 操作简便 ， 控制功能和 精度满足生产工艺要求。 5 应用 L 2级专家 系统 ， 将许 多经验集于一 体 ， 有利于平滑各班的操作并使其长期稳定。 6结束语 该系统 自2 0 0 9年 6月投产 以来 ， 运行一直很平 稳， 攀钢钒新一号 3 6 0 m 烧结机控制水平先进 的自 动控制系统为烧结机 的顺利投产、 快速达产起了重 要作用。没有出现过大的事故和故障， 故障率低 ， 可 靠性高 ， 完全满足了大型钒钛磁铁矿烧结机的 自动 化生产要求。 参考文献 1 ． 中冶长天 国际工程有限责任公 司 攀枝 花新钢 钒股 份有 限公 司炼 铁厂烧结系统技术 改造 一 期 工程项 目总承包 合同技术 附件 ， 2 0 0 7 ． 0 8 ． 2 ． 巾冶长天国际工程有限责任公 司 攀枝花新钢钒股份有限公司炼 铁厂烧结系统技术改造 一 期 工程项 目系统功 能规格书 ， 2 0 0 8 ． O1 ． 3 ． 施耐德 C o n c e p t 2 ． 6中文用户手册． 4 ． 施耐德 Q u a n tu m系列软件手册 ．