西門子PLC在高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

樊建國

（新疆昆玉鋼鐵有限公司，新疆 伊犁833200）

0 引言

高爐煉鐵是一項(xiàng)比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程，首先必須在槽下將燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦、焦炭、焦丁、熔劑等各種入爐原料混合、搭配合理，再通過高爐上料小車或運(yùn)輸皮帶將混合后的原料輸送至高爐爐內(nèi)。準(zhǔn)確、及時(shí)上料是保證高爐產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的前提，本文所述高爐上料方式為雙料車循環(huán)上料，應(yīng)用西門子PLC自動(dòng)控制技術(shù)可有效提高上料的準(zhǔn)確性、布料的均勻性，保障生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。

1 高爐上料系統(tǒng)工藝流程

高爐上料是指從槽下供料到爐頂設(shè)備將入爐料（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭等）裝入爐內(nèi)的全過程。高爐原料從槽下輸送到爐頂有兩種方式：皮帶輸送、小車輸送。新疆昆玉鋼鐵三座高爐均采用小車輸送方式，小車卷揚(yáng)機(jī)采用交流電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制，牽引通過鋼絲繩連接的兩臺(tái)料車在斜橋上一上一下交替工作。槽下備料系統(tǒng)有兩個(gè)熔劑倉、兩個(gè)球團(tuán)焦炭混合倉、四個(gè)燒結(jié)礦倉、四個(gè)焦炭倉和一個(gè)焦丁倉，燒結(jié)礦倉、球團(tuán)礦倉經(jīng)振動(dòng)篩，熔劑倉經(jīng)給料機(jī)后，按配料料單規(guī)定送稱量料斗稱量，然后放料，由槽下主皮帶送到地坑稱量漏斗。地坑分南、北兩個(gè)稱量斗。料車到料坑后，坑斗把料放入料車，坑斗閘門關(guān)到位且爐頂備好后，料車啟動(dòng)。兩臺(tái)料車按生產(chǎn)要求將槽下各種物料由料車卷揚(yáng)機(jī)提升到爐頂，經(jīng)爐頂受料斗放料閥、上密封閥、料流調(diào)節(jié)閥、下密封閥，再經(jīng)布料器將物料均勻地布到爐內(nèi)。

2 西門子PLC系統(tǒng)組成

西門子PLC采用STEP7編程軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制編程，有梯形圖、語句表、功能塊等多種編程語言，上位機(jī)通過WinCC監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作和監(jiān)控。硬件系統(tǒng)采用S7－400PLC為主站，通過Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)與ET200從站及爐頂用DP編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

新疆昆玉鋼鐵高爐上料系統(tǒng)中硬件PLC選用了以下模塊：（1）CPU模塊：CPU416－2DP，程序運(yùn)行及編輯存儲(chǔ)。（2）電源模板：PS407／4A，通過背板總線向模塊提供DC5V和DC24V電源。（3）通訊模板：CP443－1，進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。（4）ET200從站：是基于Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式I／O，與西門子的其他自動(dòng)化系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，采用S7－300全系列模塊，最多8個(gè)模塊。（5）數(shù)字量輸入模板：DC24V，現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)與PLC控制器之間的接口。（6）數(shù)字量輸出模板：DC24V，PLC控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口。（7）模擬量輸入模板：現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)與PLC控制器之間的接口。（8）模擬量輸出模板：PLC控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口。

3 槽下自動(dòng)化控制系統(tǒng)

槽下自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括備料自動(dòng)化控制系統(tǒng)、稱量自動(dòng)化控制系統(tǒng)和卷揚(yáng)料車自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3.1 備料自動(dòng)化控制系統(tǒng)

高爐礦槽用振動(dòng)給料機(jī)對(duì)入爐原料振動(dòng)給料，控制料流速度、流量，防止料流阻塞，電機(jī)振動(dòng)使物料連續(xù)不斷流動(dòng)，達(dá)到均勻輸送物料的目的；用振動(dòng)篩對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦等入爐含鐵原料及焦炭、焦丁、熔劑等進(jìn)行篩分，篩分后合格的原料進(jìn)入稱量斗，篩分出的碎焦則經(jīng)返碎焦丁皮帶運(yùn)到焦丁倉，篩下碎礦則經(jīng)返碎礦皮帶運(yùn)到燒結(jié)倉。

需要時(shí)根據(jù)程序使選定的給料機(jī)、振動(dòng)篩、稱量斗進(jìn)行自動(dòng)備料，備料時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)給料機(jī)和振動(dòng)篩向料倉內(nèi)受料，為避免振動(dòng)篩壓料，PLC內(nèi)程序設(shè)定振動(dòng)篩啟動(dòng)5s后給料機(jī)啟動(dòng)，料倉達(dá)到設(shè)定秤值時(shí)停止振料，備好的入爐原料經(jīng)槽下1#、2#主皮帶輸送至集中稱量斗，經(jīng)上料小車輸送至爐內(nèi)。

3.2 稱量自動(dòng)化控制系統(tǒng)

為控制爐內(nèi)料批的大小，操作人員根據(jù)爐長下發(fā)的料單從上位機(jī)輸入料種、料批大小及稱量斗放料順序，振動(dòng)篩根據(jù)料批大小自動(dòng)振料、自動(dòng)稱量，并完成稱量誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)稱量斗內(nèi)原料秤值與設(shè)定值之差小于誤差范圍時(shí)，振動(dòng)篩停止振料。

3.3 卷揚(yáng)料車自動(dòng)化控制系統(tǒng)

在煉鐵高爐上料系統(tǒng)控制中，上料小車的控制是核心。本套設(shè)備由主控單元、現(xiàn)場(chǎng)變送單元、連接電纜組成，主控單元由西門子操作面板TD400、西門子S7－200PLC（CPU224）、輸出繼電器、控制電源等組成；現(xiàn)場(chǎng)變送單元由機(jī)座、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和8位絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器組成，通過旋轉(zhuǎn)編碼器和連接電纜將上料小車的位置信號(hào)送至主控單元。

對(duì)料車的控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)由PLC完成，手動(dòng)由操作箱轉(zhuǎn)換開關(guān)完成。小車在斜橋上運(yùn)動(dòng)時(shí)，同步帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，PLC采集到的是一系列編碼，確定了原點(diǎn)之后，小車在斜橋上整個(gè)行程中任一位置都在PLC中有一個(gè)唯一的相對(duì)于原點(diǎn)的編碼，這些編碼按十進(jìn)制整數(shù)連續(xù)排列，反映小車當(dāng)前位置與原點(diǎn)之間的距離關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一般把斜橋底部小車裝料位置設(shè)為原點(diǎn)，TD400面板上顯示的“當(dāng)前位”及其他設(shè)定的限位都以原點(diǎn)為參考點(diǎn)。

精度計(jì)算：本文料車滾筒直徑為1 800mm，當(dāng)卷筒旋轉(zhuǎn)一周時(shí)編碼器也旋轉(zhuǎn)一周，由于編碼器旋轉(zhuǎn)一周為256個(gè)碼，所以主令精度為3.14×1 800／256≈22mm。也就是當(dāng)前位每增加1個(gè)點(diǎn)，小車實(shí)際運(yùn)行約22mm；每減少1個(gè)點(diǎn)，小車反向運(yùn)行22mm。主控單元內(nèi)有5個(gè)輸出繼電器Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分別作為料車運(yùn)行中的減速點(diǎn)一、減速點(diǎn)二、低速檢查點(diǎn)、上限點(diǎn)、上超限點(diǎn)。當(dāng)小車上行時(shí)當(dāng)前位編碼連續(xù)增加，料車上行出料坑時(shí)控制系統(tǒng)控制小車高速運(yùn)行；當(dāng)小車上行至減速點(diǎn)一時(shí)Q0.0輸出，控制料車進(jìn)行一級(jí)減速；當(dāng)小車上行至減速點(diǎn)二時(shí)Q0.1輸出，控制料車進(jìn)行二級(jí)減速；此時(shí)控制系統(tǒng)控制小車低速運(yùn)行，當(dāng)小車實(shí)際運(yùn)行速度與變頻器給定速度一致時(shí)Q0.2輸出，表示料車已降至低速運(yùn)行；當(dāng)小車上行至上限點(diǎn)時(shí)Q0.3輸出，控制料車停止；上超限Q0.4直接控制料車接觸器，當(dāng)Q0.4輸出時(shí)，料車進(jìn)線接觸器直接分閘，抱閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以避免料車沖頂，保證控制系統(tǒng)安全。

4 爐頂設(shè)備自動(dòng)化邏輯控制

爐頂設(shè)備主要包括爐頂閥門、爐頂探尺、溜槽等，爐頂閥門又包括受料斗放料閥、料罐上密封閥、料罐下密封閥、料流調(diào)節(jié)閥、均壓閥、放散閥。根據(jù)PLC內(nèi)部程序，爐頂閥門可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制操作。正常情況下，整個(gè)高爐放料過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)放料，當(dāng)探尺檢測(cè)到爐內(nèi)料面低于設(shè)定料線時(shí)，探尺自動(dòng)提起，發(fā)出請(qǐng)求放料信號(hào)，料罐均壓顯示“OK”，下密封閥開至全開位置，料流調(diào)節(jié)閥開至設(shè)定角度進(jìn)行放料，此時(shí)溜槽根據(jù)設(shè)定角度及設(shè)定圈數(shù)放料，當(dāng)料罐內(nèi)出現(xiàn)料空信號(hào)時(shí)，料流調(diào)節(jié)閥開至全開位置，標(biāo)志著一次料罐放料結(jié)束。

探尺控制方式：爐內(nèi)設(shè)有兩套探尺裝置，通過西門子PLC與ABB變頻器結(jié)合控制放尺和提尺。每套探尺在控制柜柜門都設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，包括手動(dòng)／自動(dòng)、提尺／放尺及相應(yīng)指示等，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量和點(diǎn)測(cè)料面。兩個(gè)探尺可同時(shí)工作，也可任選一個(gè)。手動(dòng)方式可在柜門上操作，自動(dòng)方式則由程序控制。每放入高爐中一批料，探尺自動(dòng)下放進(jìn)行探料，料線到達(dá)設(shè)定值后允許放料。放料之前，探尺必須提升到零位，以免料線探尺重錘被埋入料層內(nèi)燒壞。料線測(cè)量通過編碼器進(jìn)行，并在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)顯示，料線可通過WinCC監(jiān)控畫面設(shè)定。

布料器控制方式：分為旋轉(zhuǎn)角度β控制和傾動(dòng)角度α控制。旋轉(zhuǎn)角度β控制采用西門子PLC與ABB變頻器結(jié)合的控制方式，可在WinCC畫面設(shè)定“N圈／min”，自動(dòng)控制布料器旋轉(zhuǎn)速度，通過步進(jìn)角度控制料罐下密封閥開閥位置，步進(jìn)角度可以在WinCC畫面上根據(jù)需要設(shè)定0～360°范圍內(nèi)任意角度。傾動(dòng)角度α控制采用西門子PLC與液壓控制技術(shù)調(diào)整布料角度α，通過旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算出具體角度值，反饋至PLC，通過WinCC畫面顯示，供高爐操作人員檢測(cè)及調(diào)整。

5 結(jié)語

本文討論了基于西門子PLC的高爐上料自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制情況，本系統(tǒng)已在高爐生產(chǎn)中得到了實(shí)際應(yīng)用，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝要求。

［1］廖常初.S7－300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］劉鍇，周海.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.