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摘要：介紹了2200m3高爐噴煤工藝及其相應(yīng)PLC控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制策略以及對(duì)控制功能的研究分析。針對(duì)原來(lái)老系統(tǒng)中存在的問(wèn)題采取了新的控制方式，從而提高了噴煤系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平。
關(guān)鍵詞：高爐噴煤；制粉系統(tǒng)；噴煤系統(tǒng)；噴吹速率

Abstract: The paper introduces the technics of 2200m3 blast furnace's coal spray and its PLC control system. It consists of the structure of system, control tactics, and analysis of control function. By adopting some new control techniques in the previous control system, the automatic control ability of the coal spray system is greatly improved.
Key words: Coal spray of blast furnace; Pulverized-coal system; Coal spray
system; Rate of injecting

1  引言

    在高爐噴煤中，必需保證連續(xù)安全可靠噴吹，才能有效降低煉鐵成本。因此，在保證控制安全可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)噴吹，是噴煤自動(dòng)控制設(shè)計(jì)者主要考慮的問(wèn)題。噴煤改造前漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱漣鋼）2200m3高爐一直由噴煤車間老噴煤系統(tǒng)的5#，6#噴吹系列向高爐噴煤，控制系統(tǒng)基本上是在畫(huà)面上進(jìn)行手動(dòng)操作，需要頻繁地進(jìn)行手動(dòng)倒罐操作，噴吹效率低；不能根據(jù)設(shè)定噴吹率自動(dòng)調(diào)節(jié)罐壓及補(bǔ)氣流量以基本穩(wěn)定的噴吹率向高爐噴煤，噴吹率波動(dòng)很大。另外，噴吹率最大只能到20t/h左右，以高爐正常時(shí)日產(chǎn)量5500t鐵水計(jì)算，煤比約為80kg/t鐵水，使得高爐焦比居高不下，極大地制約了煉鐵生產(chǎn)成本的下降，大高爐生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)難以顯示。因此，2003年底開(kāi)始對(duì)2200m3高爐噴煤進(jìn)行了改造。

2  控制系統(tǒng)概況

    如圖1所示，制粉系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)是互相獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，它們各自通過(guò)自己的操作站來(lái)控制，并不因?yàn)槠渲心骋粋€(gè)系統(tǒng)停產(chǎn)引起另外一個(gè)系統(tǒng)停產(chǎn)。同時(shí)，兩個(gè)操作站又可互為備用，防止其中一臺(tái)操作站死機(jī)引起生產(chǎn)中斷或生產(chǎn)事故。高爐主控室操作站是用來(lái)監(jiān)視風(fēng)口堵塞情況。整個(gè)工藝流程系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7-400系列PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，監(jiān)控軟件采用WinCC 6.0。另外所有系統(tǒng)均聯(lián)結(jié)于同一工業(yè)以太網(wǎng)上，數(shù)據(jù)可以互相傳遞，便于操作、監(jiān)控。

 
圖1  控制系統(tǒng)示意圖

3  控制策略

3.1  安全性
    由于煤粉是易燃易爆物品，因而在煤粉生產(chǎn)、輸送、噴吹的整個(gè)過(guò)程中，都要保證各環(huán)節(jié)的安全可靠性。主要是在全過(guò)程監(jiān)測(cè)、控制煤粉的溫度和粉塵中的氧含量，在開(kāi)、停機(jī)時(shí)進(jìn)行消防充氮。對(duì)重要的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警或者自動(dòng)停產(chǎn)處理，保證設(shè)備的安全性。
3.2  邏輯聯(lián)鎖簡(jiǎn)繁適度
    在生產(chǎn)過(guò)程中若邏輯聯(lián)鎖比較繁雜的話，實(shí)際運(yùn)行中因電氣接點(diǎn)的故障而影響系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的概率增大，尤其是因瞬間干擾而停機(jī)。因此根據(jù)實(shí)際情況盡量使邏輯聯(lián)鎖簡(jiǎn)單。
3.3  參量控制強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)
    從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性出發(fā)，參量控制只要抓住幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可。一是控制磨煤機(jī)的給煤量，對(duì)磨煤機(jī)出口、布袋氧含量超標(biāo)報(bào)警、停機(jī)；二是根據(jù)高爐生產(chǎn)要求控制噴吹速率和故障報(bào)警、急停。
3.4  系統(tǒng)的易操作性和易維護(hù)性
    制粉和噴吹的操作分別在各自的操作站上進(jìn)行，兩個(gè)操作站又可互為備用。操作畫(huà)面豐富、簡(jiǎn)潔，易操作，對(duì)引起停機(jī)的故障進(jìn)行跟蹤記憶。在畫(huà)面上用綠色、紅色、閃爍的黃色分別表示正常、故障、正在動(dòng)作等，以便控制和迅速排查處理。

4  制粉系統(tǒng)控制

4.1  風(fēng)機(jī)、中速磨的控制
    對(duì)中速磨煤機(jī)和主引風(fēng)機(jī)兩臺(tái)高壓設(shè)備的操作仍執(zhí)行送牌確認(rèn)送電操作制度，采取"手動(dòng)啟、自動(dòng)停"的控制方法。就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)中速磨煤機(jī)和主引風(fēng)機(jī)的開(kāi)車條件，若開(kāi)車條件滿足，使高壓操作回路的合閘聯(lián)鎖接點(diǎn)閉合，同時(shí)發(fā)出允許合閘信號(hào)指示，提示操作人員送牌聯(lián)絡(luò)、合閘開(kāi)機(jī)，正常或故障停機(jī)由計(jì)算機(jī)執(zhí)行。
4.2  安全保護(hù)
    由于煤粉易燃易爆，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中始終是保護(hù)的重點(diǎn)，為此采取兩項(xiàng)措施：一是充氮保護(hù)，開(kāi)車前對(duì)磨煤機(jī)、布袋除塵器充氮5分鐘，以降低其內(nèi)部氧含量，停機(jī)時(shí)充氮使機(jī)內(nèi)溫度迅速降低；二是溫度控制，當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度大于120℃時(shí)，全線停機(jī)并立即充氮。
4.3  中速磨的溫度控制
    磨煤機(jī)風(fēng)粉分離器內(nèi)的溫度是一重要參數(shù)，若溫度偏低原煤不能有效烘干，影響出粉，若溫度太高就有火災(zāi)的危險(xiǎn)。理論上要將溫度控制在80～120℃，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，將溫度控制在90～100℃范圍內(nèi)，以95℃作為溫度控制點(diǎn)。進(jìn)入磨煤機(jī)的干燥熱風(fēng)由煙氣爐產(chǎn)生的煙氣和熱風(fēng)爐的廢氣混合而成，當(dāng)廢氣溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，以煙氣爐熱風(fēng)調(diào)節(jié)閥為控制對(duì)象，利用PLC中的PID2功能塊實(shí)現(xiàn)回路控制。

5  噴吹系統(tǒng)控制

    針對(duì)老噴吹系統(tǒng)中暴露的問(wèn)題，新的噴煤控制系統(tǒng)增加和完善了以下控制過(guò)程：① 噴吹罐壓力調(diào)節(jié)；② 自動(dòng)倒罐；③ 噴吹率的自動(dòng)控制；④ 傳輸空氣流量控制；⑤ 分配器噴槍的堵塞檢測(cè)和自動(dòng)吹掃控制。

5.1  噴吹罐壓力調(diào)節(jié)
    噴吹罐壓力調(diào)節(jié)包括恒壓控制和罐壓調(diào)節(jié)兩個(gè)內(nèi)容。恒壓控制是在一定時(shí)間段內(nèi)，為了維持煤粉噴吹速度相對(duì)穩(wěn)定，需保持噴吹罐壓力的恒定，及時(shí)對(duì)噴吹罐進(jìn)行氮?dú)獬鋲骸９迚赫{(diào)節(jié)是根據(jù)高爐爐況，需及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整煤粉噴吹量，這就需要調(diào)節(jié)噴吹罐的壓力。需加大噴吹量時(shí)，進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)，在HMI操作畫(huà)面上調(diào)大罐壓設(shè)定值，即自動(dòng)打開(kāi)充壓閥，直到達(dá)到設(shè)定罐壓。減小噴吹量時(shí)，進(jìn)行減壓操作，在HMI畫(huà)面上調(diào)小罐壓設(shè)定值，即自動(dòng)打開(kāi)卸壓閥，直到達(dá)到設(shè)定罐壓。
5.2  自動(dòng)倒罐
    為保障向高爐噴吹煤粉的連續(xù)進(jìn)行，每座高爐用兩個(gè)噴吹罐，當(dāng)一個(gè)罐子噴吹煤粉時(shí)，另一個(gè)罐子做準(zhǔn)備工作，直到滿足噴吹條件后處于待用狀態(tài)，當(dāng)噴吹的罐子煤粉噴吹完時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到待用罐，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒罐。具體情況如下：
    每個(gè)罐子根據(jù)噴吹系統(tǒng)各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分為放散、裝粉、充壓、保持、噴吹等五個(gè)階段，如圖2所示。正常噴吹時(shí)，剛剛噴吹完的罐子，發(fā)送一個(gè)"噴吹完成"信號(hào)給待用罐子，待用罐子接收到該信號(hào)后打開(kāi)或者關(guān)閉相應(yīng)的閥門(mén)使其處于噴吹狀態(tài)，然后送一個(gè)"已噴吹"信號(hào)給空罐，空罐按照放散、裝粉、充壓、保持等順序完成整個(gè)裝粉步驟，然后處于待噴吹狀態(tài)，當(dāng)另一個(gè)罐噴吹完成后，該罐子自動(dòng)噴吹，兩個(gè)罐子依此進(jìn)行自動(dòng)倒罐。在生產(chǎn)過(guò)程中，閥門(mén)的到位信號(hào)是非常重要的，如果到位信號(hào)不來(lái)，會(huì)使系統(tǒng)停頓不前，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)執(zhí)行。但如果閥門(mén)動(dòng)作正常，只是限位有故障，這時(shí)可以用模擬信號(hào)代替，從而保證不影響生產(chǎn)，系統(tǒng)仍可自動(dòng)執(zhí)行。是否用模擬信號(hào)代替由操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。圖3是單個(gè)罐順序控制框圖，放散、裝粉、充壓、保持、噴吹等五個(gè)階段都是由計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的條件自動(dòng)判斷，其中"罐裝滿否"與"罐壓OK"這兩個(gè)判斷條件，操作人員可通過(guò)HMI操作畫(huà)面進(jìn)行修改，其它條件由工藝人員確認(rèn)后，由軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行修改，不允許操作人員修改。

 
圖2  噴吹系統(tǒng)的階段
 
圖3  順序控制框圖

5.3  噴吹率的自動(dòng)控制
    噴吹量的控制是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，它通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)煤粉的噴吹率，與根據(jù)高爐實(shí)際產(chǎn)量設(shè)定的噴吹量比較進(jìn)而穩(wěn)定并調(diào)節(jié)罐壓和傳輸空氣流量來(lái)穩(wěn)定和保證噴吹量的。它的實(shí)現(xiàn)是在串級(jí)PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上增加相關(guān)算法而實(shí)現(xiàn)的，噴吹量的PID調(diào)節(jié)為前級(jí)，其輸出作為后級(jí)罐壓PID的設(shè)定。噴吹過(guò)程中如果熱風(fēng)壓力或罐壓波動(dòng)過(guò)大，超出了設(shè)定的范圍，控制系統(tǒng)除了會(huì)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥外還會(huì)自動(dòng)開(kāi)關(guān)快速充壓閥和放散閥進(jìn)行快速壓力調(diào)節(jié)。其中噴吹量的計(jì)算是這個(gè)部分的關(guān)鍵，它的準(zhǔn)確與否直接影響著噴吹量控制的穩(wěn)定與精度。
    噴吹率的計(jì)算為：dW/dt =（前次重量－現(xiàn)在重量）/取樣時(shí)間
    為了更準(zhǔn)確，還需按罐壓P進(jìn)行補(bǔ)償，則補(bǔ)償后噴吹率X=dW/dt*(K*P+1)  （K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）
    計(jì)算得到實(shí)際噴吹量作為噴吹量PID的輸入。
    噴吹量控制的系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖中PT4201為420罐罐壓，PT5003為熱風(fēng)壓力，△P為差壓。圖中PID控制有三種操作方式，手動(dòng)，半自動(dòng)，全自動(dòng)。手動(dòng)為直接設(shè)定PID的輸出百分值，半自動(dòng)為人為設(shè)定此PID的設(shè)定值，全自動(dòng)為程序動(dòng)態(tài)給定設(shè)定值。
            

  
圖4  噴吹量控制的系統(tǒng)框圖

    為了在倒罐過(guò)程中避免由于實(shí)際噴吹量的突變使得罐壓突變，采取了將前級(jí)PID的設(shè)定噴吹量鉗制跟隨實(shí)際噴吹量從而使前級(jí)PID輸出在20秒內(nèi)保持不變的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際證明這種方式可以很好地防止倒罐引起的波動(dòng)。
5.4 傳輸空氣流量控制
    傳輸空氣流量的控制也是很重要的一個(gè)部分，這是由于傳輸空氣流量的大小在噴吹量一定時(shí)直接決定了噴吹的濃稀相度，它與噴吹量的控制是直接相關(guān)的。在設(shè)定噴吹量時(shí)，將噴吹量以及噴吹濃稀相度等級(jí)設(shè)定以后，將噴吹量控制的前級(jí)PID的輸出值結(jié)合相度等級(jí)選擇，即LESS（少量）、MORE（多量）、HIGH（大量）、VERY HIGH（超大量）經(jīng)過(guò)一個(gè)三次擬和函數(shù)G(X)=A*X3+B*X2+C*X+D計(jì)算后作為傳輸空氣流量PID的設(shè)定值，實(shí)際上此時(shí)的傳輸空氣流量也一定了。
    等級(jí)不同G(X)參數(shù)的選取稍有不同。
5.5  分配器噴槍的堵塞檢測(cè)及自動(dòng)吹掃控制
    分配器是噴吹系統(tǒng)的最后一關(guān)，它的任務(wù)是將從混合器來(lái)的煤粉進(jìn)行重新分配，均勻地將煤粉噴進(jìn)高爐燃燒。漣鋼2 200m3高爐有28個(gè)風(fēng)口，故在分配器煤粉被均勻的分配給了28支噴槍。在噴吹過(guò)程中會(huì)有噴槍堵塞的情況，如果不快速的使噴槍暢通，不僅會(huì)影響高爐燃燒分布，而且會(huì)燒槍，這時(shí)就靠噴槍堵塞檢測(cè)裝置檢測(cè)每支槍的堵塞情況，然后由控制系統(tǒng)控制相應(yīng)槍的閥門(mén)進(jìn)行吹掃。每支槍都有一個(gè)噴吹閥，一個(gè)吹掃閥。正常時(shí)吹掃閥關(guān)閉，噴吹閥打開(kāi)。故障時(shí)，噴吹閥關(guān)閉，吹掃閥打開(kāi)。切換時(shí)，打開(kāi)的閥先關(guān)閉，到位后再打開(kāi)另一個(gè)關(guān)閉的閥。為了能靈活的進(jìn)行自動(dòng)手動(dòng)選擇以及吹掃周期選擇，在HMI上設(shè)一噴槍系統(tǒng)吹掃周期時(shí)間間隔輸入窗口和每個(gè)風(fēng)口吹掃時(shí)間輸入窗口以及在每個(gè)風(fēng)口設(shè)一個(gè)自動(dòng)/手動(dòng)按鈕。系統(tǒng)依次從1＃~28＃風(fēng)口開(kāi)始檢測(cè)，如果某一個(gè)風(fēng)口在自動(dòng)狀態(tài)，則控制相應(yīng)風(fēng)口噴吹閥關(guān)閉，吹掃閥打開(kāi)，吹掃設(shè)定的吹掃時(shí)間后，判斷下一個(gè)風(fēng)口是否在自動(dòng)，如果是則吹掃，不是則跳過(guò)，如果閥故障也跳過(guò)此風(fēng)口，整個(gè)系統(tǒng)吹掃完一次之后，間隔設(shè)定的吹掃周期時(shí)間間隔后繼續(xù)從1#風(fēng)口開(kāi)始判斷吹掃。在吹掃中，如果某一風(fēng)口堵塞檢測(cè)信號(hào)到達(dá)，則立即吹掃次風(fēng)口，其他風(fēng)口吹掃順序不變。
    在投入自動(dòng)以前，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)幾起燒槍事故，投入自動(dòng)后至今效果顯著，沒(méi)有發(fā)生過(guò)燒槍事故。

6 結(jié)論

    這套控制系統(tǒng)于2004年5月8日正式制粉，2004年5月13日正式向高爐噴吹，一次試車成功，投入運(yùn)行半年以來(lái)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，已部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)，現(xiàn)在正常噴煤量約為35t/h，最高可達(dá)到45t/h左右，噴吹量基本達(dá)到了130kg/t鐵以上，能基本滿足大高爐需求。隨著控制參數(shù)的不斷摸索其余自動(dòng)逐步投入運(yùn)行以后，這套控制系統(tǒng)具備噴煤能力達(dá)到200kg/t鐵以上。

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