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關鍵詞：PLC；監測；自動上料；光纖；WinCC
周靜華（1980－）
河北唐山人，助理工程師，2002年畢業于河北科技大學自動化專業，一直從事高爐儀表和自動化設計和維護工作。
1 系統概述
唐山中厚板高爐上料系統分為槽下供料和爐頂下料兩部分。
槽下供料系統使用主皮帶為爐頂上料。料倉里的爐料通過上給料機和振篩送入稱斗，稱斗把料放入運焦或運礦皮帶，再送入主皮帶，由主皮帶把料裝入爐頂系統。
高爐爐頂是無料鐘串罐系統，通過均放閥使料罐內為常壓，把受料斗里的料放至料罐，再由均壓閥使料罐為常壓，把料罐里的料通過布料溜槽布到爐內。
整個項目由北京金字天正總包，2006年4月正式投入運行。
2 系統組成
2.1 硬件配置
電源：西門子公司 PS407 10A支持冗余的電源4個；PS307 5A 8個。
CPU：西門子公司S7-400H系列2套，與單CPU相比具有熱備和冗余切換功能，避免由于單個CPU故障造成系統
癱瘓，無擾動切換不會丟失任何信息，確保了任何時候系統的可靠性。兩個CPU之間保證事件同步性，用戶無需考慮實現同步，簡單方便。
通訊模板：CP443-1系列2套，與CPU分別插入模板組成雙以太環網。
接口模板：8套冗余接口模板ET200M IM153-2，它與Profibus組成現場總線網絡冗余，ET200M作為從站連接到Profibus-DP，由于槽下從站中控室主CPU較遠，中間使用光纖連接，兩端采用西門子Profibus OLM中繼器進行連接，提高了網絡的抗干擾能力，保證了運行的可靠性。
遠程I/O站：Siemens 300系列熱插拔模板，包括模擬量輸入輸出模板、數字量輸入輸出模板。
上位機：臺灣研華工業控制計算機IPC610 （P4/2.8G/80G/512M/USB2.0）2臺，使用西門子具有冗余切換功能的CP1613網卡連接冗余系統CPU與WinCC之間的通訊。
交換機：西門子公司6口光纖交換機ITP62。 PLC與上位機使用交換機組成EtherNet網絡，爐頂系統與槽下系統之間、上料系統與高爐其他系統之間是用光纖進行連接，組成冗余環網。它的特點是模塊間通過光纖進行連接，構成骨干網，通訊速率為100Mbit/s；通過集成的冗余管理器可以實現快速介質冗余；不需要復雜的配置規則和參數；通訊可靠，網絡出錯后迅速重構（小于0.3秒）。系統組成如圖1所示。
圖1 系統結構圖
系統軟件在Win2000 Professional SP4 中文版操作環境下運行。
編程軟件采用STEP7 professional Edition 2004 SR2 / 5.3，是用于SIMATIC 可編程邏輯控制器組態和編程的標準軟件包，采用梯形圖和SCL語言實現控制軟件的開發與應用，通過顯示一個模板的在線信息，可以斷定模板故障的原因。
上位機監控軟件采用WinCC 6.0 SP3中文版，它提供了開放的人機界面，能夠提供圖形顯示界面和歷史趨勢及故障報警顯示，對設備和自動化過程進行監視和控制，通過轉換按鈕實現不同操作畫面的轉換。
使用SQL server 2000 SP3a作為WinCC軟件的數據庫。
SIMATIC NET Networking for Industry / PC / Software Edition 2005提供了一種連接網絡的技術系統，使用它使系統與系統之間的連接不再是一件困難的事。
3 控制系統功能
高爐上料控制系統的功能是按照預設的料批和配比為稱斗備料，由主皮帶把爐料準確地送入受料斗，通過對爐頂設備的控制，完成向高爐裝料，由布料溜槽按照設定的布料方式把爐料布入爐內。
3.1 槽下供料系統
槽下控制系統的儀表檢測主要是8個稱斗的重量。
槽下控制主要實現爐料的稱量備料和排料過程。按照預設的周期表順序自動將爐料配好裝入焦斗和礦斗中，完成備料過程。 再根據爐頂指令向主皮帶排料，通過主皮帶把料送入爐頂。
系統周期表提供24匹料的循環周期，對于特定情況下的插焦和越位通過簡單的操作就能實現。周期表用數字代表料批代碼，在1到6之間為礦，11到14之間為焦，分別對應6種礦和4種焦的配料方式。周期表中同時設定本批料的布料代號，供爐頂系統爐內布料使用。
當主皮帶上的跟蹤料流到達指定的排出點并且爐頂料流開度大于6度（這兩個參數經多次試驗取得，直到沒有堆料和停皮帶現象），下批排料開始。排料前確認插焦或越位按鈕是否被按下，如果插焦按鈕被按下插焦次數大于0，先排插焦排完之后把插焦次數減1，直到插焦次數為0，復位插焦按鈕正常排料。如果越位按鈕被按下當前要排料為焦等排完本批焦之后越過下面的礦排下一批焦，如果要排的料為礦直接越過當前礦排下一批焦，當排焦結束在排越過礦。當排料開始時把本批排料指針加1，看指針所指料種是否與本批料料種，相同作為備料指針，不同把指針繼續加1，直到找到相同的料種的料批代碼，得到周期號作為備料指針，同時在監控畫面中顯示備料周期號，為備料做準備。根據排料指針在周期表中確定排料料種，排料稱斗。如果要排的料的稱斗不滿等備滿之后再排料。確認好排料料斗在上位機中顯示。按照排出設定表確定第一個啟動的排料稱斗，接著啟動第一個排料稱斗的下給料機、打開稱斗閘門。該下給料機啟動設定延時時間后啟動下一個排料稱斗，同時啟動的下給料機不能超過3個。當本批料所有的稱斗都排料完畢，排料指針加1，本批料排料結束。如果排料指針或備料指針大于設定的周期值，排料和備料指針自動為1。當本批料的料尾到達爐頂時，向爐頂傳本批料的環布方式、周期號、批次和料重。
根據備料指針確定料批的配料方式，每批料配料方式的稱量定值，下料斗號設置及稱量斗總設定值均在稱量設定中設定和稱量參數中取得。對于燒結礦和雜礦共用稱斗的料斗，分為稱燒結、單稱雜礦、先稱燒結再稱雜礦和先稱雜礦再稱燒結四種情況。各振篩和上給料機根據本稱量斗所設置稱量設定值及稱量斗滿、空信號自動備料，并自動進行稱量補償、焦炭水分補償、稱量值零點校正、余振值測定。
補償和稱量公式：
給料機目標值=設定值+上次誤差值-稱斗空值
給料機停車值=目標值-慣性量-5%慣性量
振動篩停車值=目標值-慣性量
本次誤差值=實際值-目標值
對于雜礦和燒結礦共用稱斗中最后啟動的倉目標值=兄弟給料機的滿值+設定值。
3.2 爐頂上料系統
控制流程如圖2所示。
圖2 控制流程圖
爐頂上料系統儀表檢測點有16個，其中壓力檢測點5個、溫度檢測點3個、流量檢測點3個、料位檢測點1個、料尺值2個、執行器開度反饋1個、焦炭水分測定1個，主要是對爐頂和齒輪箱的檢測。
爐頂系統主要功能是控制爐頂設備向高爐裝料和按照設定的布料方式進行布料。當受料斗滿、料罐空時，打開均壓放散閥卸壓，為常壓后開啟上密封閥，再開啟擋料閘，將受料斗中的爐料裝入料罐。受料斗空后，關閉擋料閘、上密封閥，向料罐傳本批料周期號、料種、布料方式和本班總批號，然后關閉均壓放散閥，探尺探料降至規定料線，提尺同時打開均壓閥向料罐均壓，布料器傾動到設定角度發準備好信號，打開下密封閥，在布料器到達步進角位置時打開料流調節閥，用料流閘的開度大小來控制料流速度，爐料由布料溜槽按照設定的布料方式和布料角度布入爐內。布料溜槽每布一批料，其起始角均較前批料的起始角步進設定的布料角度。
布料器設有多環、扇形、定點三種布料方式，滿足不同爐況的需要。環形布料設定了8種布料方式，每種方式提供了11個環形位置。如果是環形布料，根據由槽下系統傳過來的環布代號在環布表中查找布料方式，確定α角的位置、β角在每個α角位置旋轉圈數。扇形布料即α角一定的情況下，β角在設定范圍內來回擺動，爐料撒在一個扇形面上。β由變頻器驅動，為達到精確定位，將變頻器的速度自動設定為低速，自動判斷布料器的旋轉方向，將β旋轉到設定的扇形起始角度上，隨著角度的接近不斷降低β的旋轉速度。定點布料是在固定的角度排料，β在低速情況下逐漸旋轉到規定角度。
4 監控畫面
系統實現了集中監視控制，對現場采集的信號進行畫面顯示、報警、歷史趨勢記錄，供生產人員及時掌握生產運行情況。監控畫面采用西門子公司Wincc 6.0實現，它提供了開放的界面和冗余監控功能。使用SQL server 2000數據庫存儲動態過程數據，使得管理機訪問數據庫更為方便。
各操作畫面之間可以靈活切換。單擊操作設備能夠彈出小操作窗口，通過小窗口中的操作按鈕對該設備進行啟動、停止和CRT手自動選擇。
4.1 槽下供料系統監視畫面顯示
槽下系統監控畫面包括總監控畫面——對總的工藝流程進行監視，顯示稱斗重量、當前備料周期號、準備備料周期號、正在排出周期號和準備排出周期號，并通過按鈕和小操作畫面對自動過程和操作設備集中控制。還有周期設定畫面、稱量設定畫面、焦礦參數和排出設定等畫面，根據實際需求進行設定以完成自動控制。另外還包括系統報警參數顯示畫面。
4.2 爐頂上料系統監視畫面顯示
爐頂系統監視畫面——完成對總工藝流程的監視和對具體設備的操作。布料方式畫面，對環布方式進行設定。扇形和定點設定畫面。報警畫面對實時報警和超時故障報警進行報警顯示。液壓站畫面對爐頂液壓站的油泵進行控制，對油壓、油位、油溫進行超限報警。
5 結束語
高爐上料系統是整個高爐自動控制的關鍵，它關系到高爐的上料速度進而關系到高爐的產量。
中厚板高爐上料自動控制系統自投入使用以來，高爐利用系數不斷提高，經過多次根據實際需求對某些細節進行修改，已經基本完善，功能健全的監控畫面，合理的配置保證了高爐生產運行和操作維護的需要。
作者信息：
周靜華（唐山鋼鐵集團自動化公司，河北 唐山 063000）
劉 靜（ 河北工程大學信息與電氣工程學院通信系，河北 邯鄲 056038）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號