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肖騰洲(1965 - ) ,男,（本鋼集團公司煉鐵廠，遼寧本溪 117000），遼寧本溪人,高級工程師,從事冶金自動化工程及維護工作摘要：從高爐自動控制系統(tǒng)的組成、應(yīng)用功能層次、設(shè)計階段及主要內(nèi)容等幾個方面對高爐工程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了總結(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; 檢測儀表及電氣傳動系統(tǒng); 分布式控制系統(tǒng)
Abstract : Automatic control system design of blast furnace engineering is summarized from several aspects of composition ,application function level ,design phase and main contents. It is available for reference to the trades.
Key words : blast furnace ; control system design ; measurement instrument and electric drive system ; DCS
引言
2000年以來，我廠先后建成了三座2600M3高爐，在中大型高爐工程施工建設(shè)運行上,其中在高爐自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及軟件調(diào)試方面, 更是通過不斷的工程實踐, 積累了一定的經(jīng)驗。把這些經(jīng)驗加以總結(jié), 有助于今后的高爐自動控制系統(tǒng)構(gòu)建工作。
1 工藝概況及自動控制系統(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),鼓風站,空壓站,鍋爐房,水處理系統(tǒng),碾泥機,鑄鐵機,檢、化驗設(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)進行控制。主體工藝系統(tǒng)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(tǒng)進行集中控制、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,選用獨立的PLC(DCS) 或繼電器(模擬儀表) 系統(tǒng)進行控制、監(jiān)視和操作。主體工藝自動控制系統(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 模件接線方式進行通信。本文僅對高爐生產(chǎn)主體工藝自動控制系統(tǒng)的各個設(shè)計階段、內(nèi)容,進行總結(jié)和介紹。
2 自動控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用功能層次
高爐自動控制系統(tǒng)通常由常規(guī)檢測儀表、電氣傳動系統(tǒng)及以計算機為主體設(shè)備的分布式控制系統(tǒng)共同組成。自動控制系統(tǒng)在系統(tǒng)應(yīng)用功能上由4 級組成。第1 級為現(xiàn)場檢測和傳動級, 主要對工藝生產(chǎn)現(xiàn)場進行檢測和驅(qū)動; 第2 級為基礎(chǔ)自動化級, 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, 模型計算, 數(shù)據(jù)處理及存儲;系統(tǒng)與裝置第4 級為生產(chǎn)管理級, 主要進行全廠生產(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系統(tǒng);第2～4 級屬于分布式控制系統(tǒng)。
3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計階段及主要內(nèi)容
高爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計階段按設(shè)計順序可以分為:
(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)計階段;
(4) 控制系統(tǒng)基本設(shè)計階段;
(5) 控制系統(tǒng)詳細設(shè)計階段;
(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確定自動控制系統(tǒng)的設(shè)計原則
一般地, 設(shè)計應(yīng)本著技術(shù)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(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)通信總線進行相互間的通信,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享。
3.1.3 確定自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能層次, 并提出各個應(yīng)用功能層次上對系統(tǒng)硬件和軟件的基本要求
在進行應(yīng)用功能層次劃分時,現(xiàn)場檢測、傳動級和基礎(chǔ)自動化級是必需的;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), 德國西門子公司的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行控制的“PLC + DCS”控制系統(tǒng), 如由美國霍尼韋爾公司的儀表連續(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進行自動控制系統(tǒng)投資估算。
3. 2 分布式控制系統(tǒng)綜合評估階段
主要從以下幾個方面對用戶認可的幾種系統(tǒng)構(gòu)成方案進行綜合評估和比較,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)存容量及存儲數(shù)據(jù)掉電保持時間;模件能否帶電插拔及容錯能力;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)性能進行評估。包括內(nèi)存容量及CRT 分辨率;實時多任務(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, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件, 以及系統(tǒng)維護軟件等) ;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)容錯能力。
(4) 對控制系統(tǒng)綜合性能進行評估。包括控制系統(tǒng)的開放性和可擴展性; 是否兼容其它自動化軟、硬件產(chǎn)品;是否很容易地對系統(tǒng)硬件和軟件進行升級;控制系統(tǒng)的可靠性;系統(tǒng)的容錯能力和平均無故障時間是否滿足要求等; 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性,著重考察系統(tǒng)的性能價格比;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)合工藝實際情況進行控制系統(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行劃分。
(3) 確定系統(tǒng)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(guī)檢測儀表及電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備選型。系統(tǒng)與裝置
(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)輸入和輸出點數(shù),初步確定輸入和輸出控制點技術(shù)規(guī)格及控制點備用量; 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)進行控制系統(tǒng)投資概算
注意: 如果需要從國外引進自動控制系統(tǒng)設(shè)備, 在初步設(shè)計階段還應(yīng)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(shù)交流和引進談判。
3. 4 控制系統(tǒng)基本設(shè)計階段
基本設(shè)計階段是自動控制系統(tǒng)設(shè)計中最為重要的設(shè)計階段。該設(shè)計階段主要以控制系統(tǒng)初步設(shè)計階段確定的內(nèi)容為基礎(chǔ), 對系統(tǒng)硬件和軟件進行總體方面的設(shè)計。功能規(guī)格書是基本設(shè)計階段主要的設(shè)計文件,它是系統(tǒng)詳細設(shè)計、軟件設(shè)計和軟件調(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)計依據(jù)和相關(guān)說明。
設(shè)計依據(jù)主要是指:
(1)用戶設(shè)計委托書;
(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)自動控制的規(guī)范;
(4)工藝功能要求書等。硬件基本設(shè)計包括工藝生產(chǎn)流程及工藝設(shè)備組成概述(附工藝生產(chǎn)流程圖) ; 機電設(shè)備組成及技術(shù)規(guī)格(附機電設(shè)備馬達表) ; 工藝設(shè)備運轉(zhuǎn)方式和運轉(zhuǎn)連鎖要求(附工藝設(shè)備運轉(zhuǎn)連鎖表) , 工藝設(shè)備有“自動”和“手動”兩種運轉(zhuǎn)方式; 確定工藝設(shè)備操作場所(附工藝設(shè)備操作場所表) , 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, 按畫面操作提示對工藝設(shè)備進行集中操作; 確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動系統(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、計算機工作站、打印機、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、順序處理流程進行說明;建立實現(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(附三電信號接口表) ; 確定操作站CRT 畫面：
①菜單畫面,
②系統(tǒng)總體監(jiān)視畫面,
③系統(tǒng)局部監(jiān)視畫面(含操作子畫面),
④系統(tǒng)選擇畫面,
⑤設(shè)定畫面,
⑥重要設(shè)備運行監(jiān)視畫面,
⑦報警畫面,
⑧設(shè)備運行維護畫面
及格式及報表格式; 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)詳細設(shè)計階段
3. 5. 1 硬件詳細設(shè)計階段
詳細設(shè)計是按照基本設(shè)計確定的各項原則,對控制系統(tǒng)硬件進行工程化設(shè)計。詳細設(shè)計主要完成各類硬件設(shè)計和硬件接口設(shè)計圖紙, 往往與施工圖設(shè)計并行進行。
3. 5. 2 軟件詳細設(shè)計階段
軟件設(shè)計是把基本設(shè)計確定的控制流程框圖、說明以及畫面、報表規(guī)格, 轉(zhuǎn)化成分布式控制系統(tǒng)確定的程序設(shè)計語言。軟件設(shè)計包括兩方面的內(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, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件等) 的環(huán)境中,結(jié)合工藝要求進行程序設(shè)計。
(2) 軟件實驗室測試。即在初步完成程序設(shè)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(shù)據(jù)點名, 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)試是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的最后階段。軟件調(diào)試是否順利進行, 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)達到的功能和性能指標;
④調(diào)試人員和時間安排;
⑤調(diào)試過程注意事項;
⑥調(diào)試開始前應(yīng)確認的事項;
⑦手動調(diào)試步驟;
⑧自動調(diào)試步驟。
(2) 校驗分布式控制系統(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)備單機無負荷試運轉(zhuǎn)。即在操作站上手動控制單體工藝設(shè)備運轉(zhuǎn)。
(4) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設(shè)備無負荷連動試運轉(zhuǎn)。即在操作站上發(fā)出運轉(zhuǎn)指令后, 測試工藝設(shè)備是否按照設(shè)計程序自動完成運轉(zhuǎn)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(tǒng)控制下的工藝設(shè)備帶負荷連動試運轉(zhuǎn)。帶負荷連動試運轉(zhuǎn)標志著高爐進入正式生產(chǎn)的準備階段, 此時, 對設(shè)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(tǒng)設(shè)計中的一點體會
⑴高爐各個工藝單元分布較廣, 現(xiàn)場干擾源較多, 因而自動控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計十分重要，信號電纜一般使用屏蔽電纜，并有獨立路由；
⑵為保證控制系統(tǒng)的正常運轉(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)本身由獨立的不間斷電源UPS供電；
⑶系統(tǒng)接地宜單獨設(shè)置,使控制系統(tǒng)機柜與安裝構(gòu)件絕緣,做到系統(tǒng)接地與工廠常規(guī)接地嚴格分開;
⑷宜對來自現(xiàn)場的信號進行隔離; 室外敷設(shè)的通信總線介質(zhì)宜采用光纖；
⑸控制系統(tǒng)的選型在考慮到先進性的前提下應(yīng)優(yōu)先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)考慮到廠內(nèi)已有機型，保證系統(tǒng)技術(shù)及備件的連續(xù)性，以節(jié)約運營成本；
⑹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；
⑺控制系統(tǒng)的編程文檔說明齊備，有利于維護使用人員快速熟悉系統(tǒng)；
⑻控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的兼容性，易維護性及可擴展性；
⑼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；
⑽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，即兩個基礎(chǔ)，三個保證。
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控制系統(tǒng)的設(shè)計。對于規(guī)模較小的工程, 有些設(shè)計階段和設(shè)計內(nèi)容可以簡化。本鋼八號高爐控制系統(tǒng)投標方有美國EMERSON，ROCKWELL，HONEYWELL，德國SIEMENS，日本橫河安川，經(jīng)綜合評估，EMERSON中標。
作者簡介
肖騰洲(1965 - ) ,男,（本鋼集團公司煉鐵廠，遼寧本溪 117000），遼寧本溪人,高級工程師,從事冶金自動化工程及維護工作
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號