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

（本鋼集團公司煉鐵廠，遼寧  本溪   117000）   肖騰洲
摘要:從高爐自動控制系統的組成、應用功能層次、設計階段及主要內容等幾個方面對高爐工程自動控制系統的設計進行了總結和介紹,對同行有一定的借鑒作用。
關鍵詞:高爐；控制系統設計；檢測儀表及電氣傳動系統；分布式控制系統

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運行上，其中在高爐自動控制系統的硬件設計、軟件設計及軟件調試方面, 更是通過不斷的工程實踐，積累了一定的經驗。把這些經驗加以總結，有助于今后的高爐自動控制系統構建工作。
1  工藝概況及自動控制系統
高爐生產主體工藝系統包括: 高爐礦，焦槽，上料(料車上料或皮帶機上料) , 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) , 爐頂煤氣余壓發電( TRT) , 熱風爐, 爐渣處理, 煤粉制備及噴吹等。高爐生產主要的輔助工藝系統包括: 高爐除塵系統,鼓風站,空壓站,鍋爐房,水處理系統,碾泥機,鑄鐵機,檢、化驗設施,生活福利設施等。
一般地, 高爐生產主體工藝系統與主要的輔助工藝系統分別由不同的控制系統進行控制。主體工藝系統采用三電(電氣, 儀表, 計算機) 控制一體化程度較高的分布式控制系統進行集中控制、監視和操作; 主要的輔助工藝系統則視工藝過程控制的難易程度,選用獨立的PLC(DCS) 或繼電器(模擬儀表) 系統進行控制、監視和操作。主體工藝自動控制系統與輔助工藝PLC(DCS)或繼電器(模擬儀表) 系統之間通過數據通信接口或I/ O 模件接線方式進行通信。本文僅對高爐生產主體工藝自動控制系統的各個設計階段、內容,進行總結和介紹。
2 自動控制系統的組成及應用功能層次
高爐自動控制系統通常由常規檢測儀表、電氣傳動系統及以計算機為主體設備的分布式控制系統共同組成。自動控制系統在系統應用功能上由4 級組成。第1 級為現場檢測和傳動級, 主要對工藝生產現場進行檢測和驅動; 第2 級為基礎自動化級, 主要完成生產過程的數據采集和初步處理、數據顯示和記錄、數據設定、生產操作、執行對生產過程的連續調節控制和邏輯順序控制; 第3 級為過程監控級, 主要完成生產過程操作指導、 作業管理、模型計算、數據處理及存儲;系統與裝置第4 級為生產管理級, 主要進行全廠生產信息管理。控制系統采用高速數據總線通信, 并留有與其他生產及管理部門通信的接口。第1 級屬于常規檢測儀表及電氣傳動系統;第2～4 級屬于分布式控制系統。
3  自動控制系統設計階段及主要內容
高爐自動控制系統的設計階段按設計順序可以分為:
(1) 控制系統裝備水平的確定階段;
(2) 分布式控制系統綜合評估階段;
(3) 控制系統初步設計階段;
(4) 控制系統基本設計階段;
(5) 控制系統詳細設計階段;
(6) 控制系統軟件調試階段。
3. 1  控制系統裝備水平的確定階段
主要包括：
3.1.1  確定自動控制系統的設計原則
一般地, 設計應本著技術成熟、裝備先進、適用性強、可靠性高的原則進行。
3.1.2   確定分布式控制系統的基本組成
分布式控制系統主要由控制站單元、操作顯示站單元以及數據通信總線組成。各站點單元由數據通信總線聯結在一起組成控制系統, 并通過數據通信總線進行相互間的通信,實現系統內部的數據共享。
3.1.3  確定自動控制系統的應用功能層次, 并提出各個應用功能層次上對系統硬件和軟件的基本要求
在進行應用功能層次劃分時,現場檢測、傳動級和基礎自動化級是必需的;至于過程監控級和信息管理級,則應根據工程項目的資金情況及用戶的生產管理水平決定取舍。
3.1.4  提出自動控制系統的合理控制范圍及主要控制和管理功能
一般地, 高爐生產主體工藝系統宜納入控制范圍。
3.1.5  推薦幾種典型的分布式控制系統構成方案
高爐自動控制上所應用的分布式控制系統, 一般按對電氣邏輯順序控制功能與儀表連續調節控制功能的不同側重分為兩類: 一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續調節控制功能均由同一類型控制器進行控制的全DCS 控制系統,如美國西屋(Westinghouse) 公司的OVATION 控制系統, 德國SIEMENS公司的PCS7 控制系統等; 另一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續調節控制功能分別由不同類型控制器進行控制的“PLC + DCS”控制系統, 如由美國HONEYWELL公司的儀表連續調節控制器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,由日本橫河公司的儀表連續調節控制器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等。
3.1.6  提出國內外設備分交意見。
3.1.7  進行自動控制系統投資估算。
3. 2 分布式控制系統綜合評估階段
主要從以下幾個方面對用戶認可的幾種系統構成方案進行綜合評估和比較,選出在技術性能、使用性能、可靠性等方面均比較出色的控制系統。
(1) 對控制系統控制站單元的技術性能進行評估。包括現場數據采集能力及信號隔離措施;輸入及輸出信號處理精度; 內存容量及存儲數據掉電保持時間;模件能否帶電插拔及容錯能力;應用軟件的組態方式。
(2) 對控制系統操作站單元的技術性能進行評估。包括內存容量及CRT 分辨率;實時多任務操作系統的可靠性; 是否具備多種應用支持軟件(如圖形組態軟件, 數據庫管理軟件, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件, 以及系統維護軟件等) ;圖形軟件的組態方式。
(3) 對控制系統通信單元的技術性能進行評估。包括通信網絡結構及網絡控制方式; 通信網絡容量及數據傳輸速率;通信網絡容錯能力。
(4) 對控制系統綜合性能進行評估。包括控制系統的開放性和可擴展性; 是否兼容其它自動化軟、硬件產品;是否很容易地對系統硬件和軟件進行升級;控制系統的可靠性;系統的容錯能力和平均無故障時間是否滿足要求等; 控制系統的經濟性,著重考察系統的性能價格比;控制系統在高爐控制上的的應用業績; 控制系統供應商的售后服務能力。
3. 3 控制系統初步設計階段
主要是以控制系統裝備水平階段確定的原則為依據, 以對分布式控制系統綜合評估后得出的結論為基礎, 并結合工藝實際情況進行控制系統的初步配置。其主要工作內容包括:
(1) 結合工藝及用戶意見確定控制系統控制范圍,分布式控制系統基本構成方案和主要控制、管理功能。
(2) 明確三電專業分工,對三電專業各自應完成的控制及管理功能進行劃分。
(3) 確定系統操作方式。一般有自動、半自動、手動和機旁手動4 種操作方式。
(4) 初步確定常規檢測儀表及電氣傳動系統設備選型。
(5) 初步確定分布式控制系統硬件及支持軟件組成;估算控制系統輸入和輸出點數,初步確定輸入和輸出控制點技術規格及控制點備用量; 確定數據通信總線介質;確定系統的冗余方式。
(6) 確定控制系統電源條件。其中,分布式控制系統一般應考慮不停電電源措施。
(7) 確定控制系統安裝場所。應使控制系統的輸入/ 輸出接口盡量接近控制對象。
(8) 確定控制系統抗干擾措施,接地措施。
(9) 確定國內外設備分交范圍。
(10)進行控制系統投資概算
注意: 如果需要從國外引進自動控制系統設備, 在初步設計階段還應進行引進項目建議書及引進詢價書的編制工作,并著手準備對外技術交流和引進談判。
3. 4  控制系統基本設計階段
基本設計階段是自動控制系統設計中最為重要的設計階段。該設計階段主要以控制系統初步設計階段確定的內容為基礎, 對系統硬件和軟件進行總體方面的設計。功能規格書是基本設計階段主要的設計文件,它是系統詳細設計、軟件設計和軟件調試工作的指導性文件。功能規格書的主要內容包括設計依據和相關說明。
設計依據主要是指:
(1)用戶設計委托書;
(2)與用戶簽定的相關技術協議;
(3)國家或冶金行業有關自動控制的規范;
(4)工藝功能要求書等。硬件基本設計包括工藝生產流程及工藝設備組成概述；機電設備組成及技術規格；工藝設備運轉方式和運轉連鎖要求, 工藝設備有“自動”和“手動”兩種運轉方式; 確定工藝設備操作場所 , 一般在中央控制室或其他操作室設置的操作站上, 用操作鍵盤或鼠標, 按畫面操作提示對工藝設備進行集中操作；確定常規檢測儀表及電氣傳動系統的組成和設備選型；確定常規檢測儀表及電氣傳動設備性能及參數(內部儀表參數、量程、工程單位、控制回路電壓等級等) ；分布式控制系統硬件的最終配置情況描述，包括對控制站、操作站、計算機工作站、打印機、各類信號接口模件的數量和分配情況的描述以及通信總線敷設路徑描述等。軟件基本設計包括分布式控制系統軟件的最終配置情況描述, 包括對應用軟件的運行環境和系統支持軟件的描述、系統通信方式的描述等;建立系統數據庫, 說明數據庫結構與應用程序的關系;建立應用軟件總體結構框圖,將各個控制及管理功能定義為總體結構框圖中的子系統或功能模塊, 對這些子系統或功能模塊以及它們之間的數據接口關系、順序處理流程進行說明;建立實現重要控制功能的流程圖和算法塊; 確定三電信號接口內容及交接方式 ; 確定操作站CRT 畫面：菜單畫面,系統總體監視畫面,系統局部監視畫面(含操作子畫面),系統選擇畫面,設定畫面,重要設備運行監視畫面,報警畫面, 設備運行維護畫面及格式和報表格式; 對數學模型的說明; 提交中央控制室布置方案。
3. 5  控制系統詳細設計階段
3. 5. 1 硬件詳細設計階段
詳細設計是按照基本設計確定的各項原則,對控制系統硬件進行工程化設計。詳細設計主要完成各類硬件設計和硬件接口設計圖紙, 往往與施工圖設計并行進行。
3. 5. 2 軟件詳細設計階段
軟件設計是把基本設計確定的控制流程框圖、說明以及畫面、報表規格, 轉化成分布式控制系統確定的程序設計語言。軟件設計包括兩方面的內容:
(1) 軟件編程。即在多種應用支持軟件(如控制組態軟件, 圖形組態軟件, 數據庫管理軟件, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件等) 的環境中,結合工藝要求進行程序設計。
(2) 軟件實驗室測試。即在初步完成程序設計后, 對程序進行分步測試。包括檢查程序容量和程序掃描, 校驗控制及數據點名, 測試各類算法,測試控制邏輯順序關系,測試數據通信的有效性等。
3. 6 控制系統軟件調試階段
軟件調試是自動控制系統設計的最后階段。軟件調試是否順利進行, 直接關系到工程的順利投產。軟件調試按以下步驟進行：
(1) 編制軟件調試要領書
主要內容有：
①參與調試的工藝設備；
②調試所用的相關資料和工具；
③調試應達到的功能和性能指標；
④調試人員和時間安排；
⑤調試過程注意事項；
⑥調試開始前應確認的事項；
⑦手動調試步驟；
⑧自動調試步驟。
(2) 校驗分布式控制系統輸入/ 輸出接口接線的正確性。
(3) 在分布式控制系統控制下的工藝設備單機無負荷試運轉。即在操作站上手動控制單體工藝設備運轉。
(4) 在分布式控制系統控制下的工藝設備無負荷連動試運轉。即在操作站上發出運轉指令后, 測試工藝設備是否按照設計程序自動完成運轉過程,同時,對控制功能和各項性能指標進行初步測試。
(5) 在分布式控制系統控制下的工藝設備帶負荷連動試運轉。帶負荷連動試運轉標志著高爐進入正式生產的準備階段, 此時, 對設計程序、控制功能和各項性能指標進行進一步測試。
4 自動控制系統設計中的一點體會
(1) 高爐各個工藝單元分布較廣, 現場干擾源較多, 因而自動控制系統的抗干擾設計十分重要，信號電纜一般使用屏蔽電纜，并有獨立路由；
(2) 為保證控制系統的正常運轉, 系統控制回路宜采用隔離變壓器供電,以減少電氣噪聲; 控制系統本身由獨立的不間斷電源UPS供電；
(3) 系統接地宜單獨設置,使控制系統機柜與安裝構件絕緣,做到系統接地與工廠常規接地嚴格分開;
(4) 宜對來自現場的信號進行隔離; 室外敷設的通信總線介質宜采用光纖；
(5) 控制系統的選型在考慮到先進性的前提下應優先保證系統的穩定性，應考慮到廠內已有機型，保證系統技術及備件的連續性，以節約運營成本；
(6) 控制系統的控制范圍盡量納入同一系統內，以減輕系統間的通訊及故障率；
(7) 控制系統的編程文檔說明齊備，有利于維護使用人員快速熟悉系統；
(8) 控制系統應有良好的兼容性，易維護性及可擴展性；
(9) 控制系統的調試原則是正確性，靈活性，穩定性，安全性；
(10) 控制系統的調試是建立在電氣和儀表基礎上，并保證系統硬件，應用軟件及控制回路的完備，即兩個基礎，三個保證。
5 結束語
本文所述本鋼八號高爐控制系統構建內容, 適用于中大型的高爐自動控制系統的設計。對于規模較小的工程, 有些設計階段和設計內容可以簡化。本鋼八號高爐控制系統投標方有美國EMERSON，ROCKWELL，HONEYWELL，德國SIEMENS，日本橫河安川，經綜合評估，EMERSON中標。