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肖騰洲（1965—）
男，遼寧本溪人，高級工程師，從事冶金自動(dòng)化工程及維護(hù)工作。

（本鋼集團(tuán)公司煉鐵廠，遼寧  本溪   117000）   肖騰洲
摘要:從高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、應(yīng)用功能層次、設(shè)計(jì)階段及主要內(nèi)容等幾個(gè)方面對高爐工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)和介紹,對同行有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞:高爐；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；檢測儀表及電氣傳動(dòng)系統(tǒng)；分布式控制系統(tǒng)

Abstract:Automatic control system design of blast furnace project is summarized from some aspects such as composition , function level ,design phase and main contents. It is available for reference to the traders.
Key words: blast furnace ; control system design ; measurement instrument and electric drive system ; DCS


2000年以來，本鋼集團(tuán)公司煉鐵廠先后建成了三座2600M3高爐，在中大型高爐工程施工建設(shè)運(yùn)行上，其中在高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及軟件調(diào)試方面, 更是通過不斷的工程實(shí)踐，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。把這些經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，有助于今后的高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)建工作。
1  工藝概況及自動(dòng)控制系統(tǒng)
高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)包括: 高爐礦，焦槽，上料(料車上料或皮帶機(jī)上料) , 爐頂(無料鐘爐頂或鐘式爐頂) , 高爐本體, 出鐵場, 粗煤氣除塵煤氣清洗(文氏管或比肖夫法) , 爐頂煤氣余壓發(fā)電( TRT) , 熱風(fēng)爐, 爐渣處理, 煤粉制備及噴吹等。高爐生產(chǎn)主要的輔助工藝系統(tǒng)包括: 高爐除塵系統(tǒng),鼓風(fēng)站,空壓站,鍋爐房,水處理系統(tǒng),碾泥機(jī),鑄鐵機(jī),檢、化驗(yàn)設(shè)施,生活福利設(shè)施等。
一般地, 高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)與主要的輔助工藝系統(tǒng)分別由不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。主體工藝系統(tǒng)采用三電(電氣, 儀表, 計(jì)算機(jī)) 控制一體化程度較高的分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制、監(jiān)視和操作; 主要的輔助工藝系統(tǒng)則視工藝過程控制的難易程度,選用獨(dú)立的PLC(DCS) 或繼電器(模擬儀表) 系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)視和操作。主體工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)與輔助工藝PLC(DCS)或繼電器(模擬儀表) 系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)通信接口或I/ O 模件接線方式進(jìn)行通信。本文僅對高爐生產(chǎn)主體工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)階段、內(nèi)容,進(jìn)行總結(jié)和介紹。
2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用功能層次
高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由常規(guī)檢測儀表、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)及以計(jì)算機(jī)為主體設(shè)備的分布式控制系統(tǒng)共同組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)應(yīng)用功能上由4 級組成。第1 級為現(xiàn)場檢測和傳動(dòng)級, 主要對工藝生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行檢測和驅(qū)動(dòng); 第2 級為基礎(chǔ)自動(dòng)化級, 主要完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和初步處理、數(shù)據(jù)顯示和記錄、數(shù)據(jù)設(shè)定、生產(chǎn)操作、執(zhí)行對生產(chǎn)過程的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和邏輯順序控制; 第3 級為過程監(jiān)控級, 主要完成生產(chǎn)過程操作指導(dǎo)、 作業(yè)管理、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ);系統(tǒng)與裝置第4 級為生產(chǎn)管理級, 主要進(jìn)行全廠生產(chǎn)信息管理。控制系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)總線通信, 并留有與其他生產(chǎn)及管理部門通信的接口。第1 級屬于常規(guī)檢測儀表及電氣傳動(dòng)系統(tǒng);第2～4 級屬于分布式控制系統(tǒng)。
3  自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段及主要內(nèi)容
高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段按設(shè)計(jì)順序可以分為:
(1) 控制系統(tǒng)裝備水平的確定階段;
(2) 分布式控制系統(tǒng)綜合評估階段;
(3) 控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)階段;
(4) 控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)階段;
(5) 控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段;
(6) 控制系統(tǒng)軟件調(diào)試階段。
3. 1  控制系統(tǒng)裝備水平的確定階段
主要包括：
3.1.1  確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
一般地, 設(shè)計(jì)應(yīng)本著技術(shù)成熟、裝備先進(jìn)、適用性強(qiáng)、可靠性高的原則進(jìn)行。
3.1.2   確定分布式控制系統(tǒng)的基本組成
分布式控制系統(tǒng)主要由控制站單元、操作顯示站單元以及數(shù)據(jù)通信總線組成。各站點(diǎn)單元由數(shù)據(jù)通信總線聯(lián)結(jié)在一起組成控制系統(tǒng), 并通過數(shù)據(jù)通信總線進(jìn)行相互間的通信,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享。
3.1.3  確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能層次, 并提出各個(gè)應(yīng)用功能層次上對系統(tǒng)硬件和軟件的基本要求
在進(jìn)行應(yīng)用功能層次劃分時(shí),現(xiàn)場檢測、傳動(dòng)級和基礎(chǔ)自動(dòng)化級是必需的;至于過程監(jiān)控級和信息管理級,則應(yīng)根據(jù)工程項(xiàng)目的資金情況及用戶的生產(chǎn)管理水平?jīng)Q定取舍。
3.1.4  提出自動(dòng)控制系統(tǒng)的合理控制范圍及主要控制和管理功能
一般地, 高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)宜納入控制范圍。
3.1.5  推薦幾種典型的分布式控制系統(tǒng)構(gòu)成方案
高爐自動(dòng)控制上所應(yīng)用的分布式控制系統(tǒng), 一般按對電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制功能的不同側(cè)重分為兩類: 一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制功能均由同一類型控制器進(jìn)行控制的全DCS 控制系統(tǒng),如美國西屋(Westinghouse) 公司的OVATION 控制系統(tǒng), 德國SIEMENS公司的PCS7 控制系統(tǒng)等; 另一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制功能分別由不同類型控制器進(jìn)行控制的“PLC + DCS”控制系統(tǒng), 如由美國HONEYWELL公司的儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制器HPM 與美國GE 公司的電氣邏輯順序控制PLC 共同組成的Total Plant 控制系統(tǒng),由日本橫河公司的儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制器FCS 與日本安川公司的電氣邏輯順序控制器CP23500H 共同組成的控制系統(tǒng)等。
3.1.6  提出國內(nèi)外設(shè)備分交意見。
3.1.7  進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)投資估算。
3. 2 分布式控制系統(tǒng)綜合評估階段
主要從以下幾個(gè)方面對用戶認(rèn)可的幾種系統(tǒng)構(gòu)成方案進(jìn)行綜合評估和比較,選出在技術(shù)性能、使用性能、可靠性等方面均比較出色的控制系統(tǒng)。
(1) 對控制系統(tǒng)控制站單元的技術(shù)性能進(jìn)行評估。包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集能力及信號隔離措施;輸入及輸出信號處理精度; 內(nèi)存容量及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)掉電保持時(shí)間;模件能否帶電插拔及容錯(cuò)能力;應(yīng)用軟件的組態(tài)方式。
(2) 對控制系統(tǒng)操作站單元的技術(shù)性能進(jìn)行評估。包括內(nèi)存容量及CRT 分辨率;實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的可靠性; 是否具備多種應(yīng)用支持軟件(如圖形組態(tài)軟件, 數(shù)據(jù)庫管理軟件, 報(bào)表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報(bào)警軟件, 以及系統(tǒng)維護(hù)軟件等) ;圖形軟件的組態(tài)方式。
(3) 對控制系統(tǒng)通信單元的技術(shù)性能進(jìn)行評估。包括通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)控制方式; 通信網(wǎng)絡(luò)容量及數(shù)據(jù)傳輸速率;通信網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力。
(4) 對控制系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行評估。包括控制系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性; 是否兼容其它自動(dòng)化軟、硬件產(chǎn)品;是否很容易地對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行升級;控制系統(tǒng)的可靠性;系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和平均無故障時(shí)間是否滿足要求等; 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,著重考察系統(tǒng)的性能價(jià)格比;控制系統(tǒng)在高爐控制上的的應(yīng)用業(yè)績; 控制系統(tǒng)供應(yīng)商的售后服務(wù)能力。
3. 3 控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)階段
主要是以控制系統(tǒng)裝備水平階段確定的原則為依據(jù), 以對分布式控制系統(tǒng)綜合評估后得出的結(jié)論為基礎(chǔ), 并結(jié)合工藝實(shí)際情況進(jìn)行控制系統(tǒng)的初步配置。其主要工作內(nèi)容包括:
(1) 結(jié)合工藝及用戶意見確定控制系統(tǒng)控制范圍,分布式控制系統(tǒng)基本構(gòu)成方案和主要控制、管理功能。
(2) 明確三電專業(yè)分工,對三電專業(yè)各自應(yīng)完成的控制及管理功能進(jìn)行劃分。
(3) 確定系統(tǒng)操作方式。一般有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)和機(jī)旁手動(dòng)4 種操作方式。
(4) 初步確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備選型。
(5) 初步確定分布式控制系統(tǒng)硬件及支持軟件組成;估算控制系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)數(shù),初步確定輸入和輸出控制點(diǎn)技術(shù)規(guī)格及控制點(diǎn)備用量; 確定數(shù)據(jù)通信總線介質(zhì);確定系統(tǒng)的冗余方式。
(6) 確定控制系統(tǒng)電源條件。其中,分布式控制系統(tǒng)一般應(yīng)考慮不停電電源措施。
(7) 確定控制系統(tǒng)安裝場所。應(yīng)使控制系統(tǒng)的輸入/ 輸出接口盡量接近控制對象。
(8) 確定控制系統(tǒng)抗干擾措施,接地措施。
(9) 確定國內(nèi)外設(shè)備分交范圍。
(10)進(jìn)行控制系統(tǒng)投資概算
注意: 如果需要從國外引進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備, 在初步設(shè)計(jì)階段還應(yīng)進(jìn)行引進(jìn)項(xiàng)目建議書及引進(jìn)詢價(jià)書的編制工作,并著手準(zhǔn)備對外技術(shù)交流和引進(jìn)談判。
3. 4  控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)階段
基本設(shè)計(jì)階段是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的設(shè)計(jì)階段。該設(shè)計(jì)階段主要以控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)階段確定的內(nèi)容為基礎(chǔ), 對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行總體方面的設(shè)計(jì)。功能規(guī)格書是基本設(shè)計(jì)階段主要的設(shè)計(jì)文件,它是系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試工作的指導(dǎo)性文件。功能規(guī)格書的主要內(nèi)容包括設(shè)計(jì)依據(jù)和相關(guān)說明。
設(shè)計(jì)依據(jù)主要是指:
(1)用戶設(shè)計(jì)委托書;
(2)與用戶簽定的相關(guān)技術(shù)協(xié)議;
(3)國家或冶金行業(yè)有關(guān)自動(dòng)控制的規(guī)范;
(4)工藝功能要求書等。硬件基本設(shè)計(jì)包括工藝生產(chǎn)流程及工藝設(shè)備組成概述；機(jī)電設(shè)備組成及技術(shù)規(guī)格；工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)轉(zhuǎn)連鎖要求, 工藝設(shè)備有“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式; 確定工藝設(shè)備操作場所 , 一般在中央控制室或其他操作室設(shè)置的操作站上, 用操作鍵盤或鼠標(biāo), 按畫面操作提示對工藝設(shè)備進(jìn)行集中操作；確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和設(shè)備選型；確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動(dòng)設(shè)備性能及參數(shù)(內(nèi)部儀表參數(shù)、量程、工程單位、控制回路電壓等級等) ；分布式控制系統(tǒng)硬件的最終配置情況描述，包括對控制站、操作站、計(jì)算機(jī)工作站、打印機(jī)、各類信號接口模件的數(shù)量和分配情況的描述以及通信總線敷設(shè)路徑描述等。軟件基本設(shè)計(jì)包括分布式控制系統(tǒng)軟件的最終配置情況描述, 包括對應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境和系統(tǒng)支持軟件的描述、系統(tǒng)通信方式的描述等;建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫, 說明數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與應(yīng)用程序的關(guān)系;建立應(yīng)用軟件總體結(jié)構(gòu)框圖,將各個(gè)控制及管理功能定義為總體結(jié)構(gòu)框圖中的子系統(tǒng)或功能模塊, 對這些子系統(tǒng)或功能模塊以及它們之間的數(shù)據(jù)接口關(guān)系、順序處理流程進(jìn)行說明;建立實(shí)現(xiàn)重要控制功能的流程圖和算法塊; 確定三電信號接口內(nèi)容及交接方式 ; 確定操作站CRT 畫面：菜單畫面,系統(tǒng)總體監(jiān)視畫面,系統(tǒng)局部監(jiān)視畫面(含操作子畫面),系統(tǒng)選擇畫面,設(shè)定畫面,重要設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視畫面,報(bào)警畫面, 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)畫面及格式和報(bào)表格式; 對數(shù)學(xué)模型的說明; 提交中央控制室布置方案。
3. 5  控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
3. 5. 1 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
詳細(xì)設(shè)計(jì)是按照基本設(shè)計(jì)確定的各項(xiàng)原則,對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)主要完成各類硬件設(shè)計(jì)和硬件接口設(shè)計(jì)圖紙, 往往與施工圖設(shè)計(jì)并行進(jìn)行。
3. 5. 2 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
軟件設(shè)計(jì)是把基本設(shè)計(jì)確定的控制流程框圖、說明以及畫面、報(bào)表規(guī)格, 轉(zhuǎn)化成分布式控制系統(tǒng)確定的程序設(shè)計(jì)語言。軟件設(shè)計(jì)包括兩方面的內(nèi)容:
(1) 軟件編程。即在多種應(yīng)用支持軟件(如控制組態(tài)軟件, 圖形組態(tài)軟件, 數(shù)據(jù)庫管理軟件, 報(bào)表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報(bào)警軟件等) 的環(huán)境中,結(jié)合工藝要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
(2) 軟件實(shí)驗(yàn)室測試。即在初步完成程序設(shè)計(jì)后, 對程序進(jìn)行分步測試。包括檢查程序容量和程序掃描, 校驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)點(diǎn)名, 測試各類算法,測試控制邏輯順序關(guān)系,測試數(shù)據(jù)通信的有效性等。
3. 6 控制系統(tǒng)軟件調(diào)試階段
軟件調(diào)試是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段。軟件調(diào)試是否順利進(jìn)行, 直接關(guān)系到工程的順利投產(chǎn)。軟件調(diào)試按以下步驟進(jìn)行：
(1) 編制軟件調(diào)試要領(lǐng)書
主要內(nèi)容有：
①參與調(diào)試的工藝設(shè)備；
②調(diào)試所用的相關(guān)資料和工具；
③調(diào)試應(yīng)達(dá)到的功能和性能指標(biāo)；
④調(diào)試人員和時(shí)間安排；
⑤調(diào)試過程注意事項(xiàng)；
⑥調(diào)試開始前應(yīng)確認(rèn)的事項(xiàng)；
⑦手動(dòng)調(diào)試步驟；
⑧自動(dòng)調(diào)試步驟。
(2) 校驗(yàn)分布式控制系統(tǒng)輸入/ 輸出接口接線的正確性。
(3) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設(shè)備單機(jī)無負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)。即在操作站上手動(dòng)控制單體工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。
(4) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設(shè)備無負(fù)荷連動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)。即在操作站上發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令后, 測試工藝設(shè)備是否按照設(shè)計(jì)程序自動(dòng)完成運(yùn)轉(zhuǎn)過程,同時(shí),對控制功能和各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行初步測試。
(5) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設(shè)備帶負(fù)荷連動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)。帶負(fù)荷連動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)志著高爐進(jìn)入正式生產(chǎn)的準(zhǔn)備階段, 此時(shí), 對設(shè)計(jì)程序、控制功能和各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步測試。
4 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一點(diǎn)體會(huì)
(1) 高爐各個(gè)工藝單元分布較廣, 現(xiàn)場干擾源較多, 因而自動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)十分重要，信號電纜一般使用屏蔽電纜，并有獨(dú)立路由；
(2) 為保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 系統(tǒng)控制回路宜采用隔離變壓器供電,以減少電氣噪聲; 控制系統(tǒng)本身由獨(dú)立的不間斷電源UPS供電；
(3) 系統(tǒng)接地宜單獨(dú)設(shè)置,使控制系統(tǒng)機(jī)柜與安裝構(gòu)件絕緣,做到系統(tǒng)接地與工廠常規(guī)接地嚴(yán)格分開;
(4) 宜對來自現(xiàn)場的信號進(jìn)行隔離; 室外敷設(shè)的通信總線介質(zhì)宜采用光纖；
(5) 控制系統(tǒng)的選型在考慮到先進(jìn)性的前提下應(yīng)優(yōu)先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)考慮到廠內(nèi)已有機(jī)型，保證系統(tǒng)技術(shù)及備件的連續(xù)性，以節(jié)約運(yùn)營成本；
(6) 控制系統(tǒng)的控制范圍盡量納入同一系統(tǒng)內(nèi)，以減輕系統(tǒng)間的通訊及故障率；
(7) 控制系統(tǒng)的編程文檔說明齊備，有利于維護(hù)使用人員快速熟悉系統(tǒng)；
(8) 控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的兼容性，易維護(hù)性及可擴(kuò)展性；
(9) 控制系統(tǒng)的調(diào)試原則是正確性，靈活性，穩(wěn)定性，安全性；
(10) 控制系統(tǒng)的調(diào)試是建立在電氣和儀表基礎(chǔ)上，并保證系統(tǒng)硬件，應(yīng)用軟件及控制回路的完備，即兩個(gè)基礎(chǔ)，三個(gè)保證。
5 結(jié)束語
本文所述本鋼八號高爐控制系統(tǒng)構(gòu)建內(nèi)容, 適用于中大型的高爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對于規(guī)模較小的工程, 有些設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)內(nèi)容可以簡化。本鋼八號高爐控制系統(tǒng)投標(biāo)方有美國EMERSON，ROCKWELL，HONEYWELL，德國SIEMENS，日本橫河安川，經(jīng)綜合評估，EMERSON中標(biāo)。