優(yōu)化高爐爐頂DCS設(shè)備在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制

摘 要：隨著高爐系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行率逐漸趨于完善，大大減少了崗位人員工藝流程操作步驟，因此降低設(shè)備故障率，提高系統(tǒng)自動(dòng)化強(qiáng)度尤其重要。

關(guān)鍵詞：高爐；DCS控制系統(tǒng)；爐頂；編碼器

Abstract：With the gradual improvement of the automation operation rate of the blast furnace system， the number of process operation steps for personnel has been greatly reduced. Therefore， reducing equipment failure rates and improving system automation intensity are particularly important.

Key words： blast furnace；DCS control system；furnace top；encoder

0 前 言

近年來，隨著高爐熱風(fēng)爐智能式全自動(dòng)燒爐、全自動(dòng)換爐、無波動(dòng)換爐、供料上料系統(tǒng)料批提速、變頻設(shè)備節(jié)能優(yōu)化等項(xiàng)目的投用，高爐系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行率逐漸趨于完善。自動(dòng)化程度越高，大大減少了崗位人員工藝流程操作步驟，隨著這種重心的偏移，一旦出現(xiàn)中斷全自動(dòng)程序的故障事件，對(duì)故障的快速分析和處理就變得特別重要。

因此，降低設(shè)備故障率，提高系統(tǒng)自動(dòng)化強(qiáng)度，尤其是高爐爐頂系統(tǒng)在生產(chǎn)要求下，每一處設(shè)備都保持高速循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，一旦發(fā)生故障，會(huì)造成上料減速，造成上料中斷，對(duì)高爐整體運(yùn)行影響巨大。

1 高爐爐頂DCS控制系統(tǒng)及技術(shù)關(guān)鍵

高爐爐頂控制系統(tǒng)采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。實(shí)現(xiàn)集中管理和分散控制，分散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的儀表分散控制，簡稱DCS集散控制系統(tǒng)。

圍繞爐頂DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“故障原因智能可視化，故障處理預(yù)知管控化”這兩個(gè)方向，解決爐頂自控系統(tǒng)硬件狀態(tài)全景式監(jiān)控及智能化報(bào)警、爐頂工藝順序控制過程的中斷原因?qū)崿F(xiàn)可視化監(jiān)控、以預(yù)知檢測(cè)的方法來降低故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)一級(jí)報(bào)警（組）預(yù)防故障擴(kuò)大化。

2 優(yōu)化高爐爐頂DCS控制系統(tǒng)

2.1 爐頂自控系統(tǒng)硬件狀態(tài)全景式監(jiān)控及智能化報(bào)警

自控系統(tǒng)硬件正常運(yùn)行是自動(dòng)化維護(hù)的基礎(chǔ)工作。之前維護(hù)步驟是崗位發(fā)現(xiàn)某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)不正常，隨后自動(dòng)化人員去檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)模件供電異?；蚰＜p壞，然后再去更換模件或保險(xiǎn)。為縮短中間過程，達(dá)到快速而準(zhǔn)確處理故障的目的。為此，技術(shù)人員對(duì)硬件狀態(tài)的監(jiān)控及報(bào)警技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在對(duì)ABB FreelanceV9.1版本特性進(jìn)行多次測(cè)試后，拋棄之前簡單的監(jiān)控方案，采用了診斷字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精確監(jiān)控模件狀態(tài)，準(zhǔn)確顯示故障原因的目的。

診斷字技術(shù)自帶的系統(tǒng)變量，其不同數(shù)值表示出了模件的不同狀態(tài)及故障原因。技術(shù)人員根據(jù)AC800F模件（包括CPU、SA811、EI803、FI830、CI840、DI810、DO810）診斷字做不同的測(cè)試，測(cè)試模件在不同的報(bào)警狀態(tài)下，診斷字代碼的改變。最終結(jié)合診斷字代碼，繪制了硬件狀態(tài)全景式監(jiān)控畫面，編制了故障報(bào)警程序。

只要控制系統(tǒng)硬件出現(xiàn)了故障，全景式監(jiān)控畫面上就會(huì)準(zhǔn)確的報(bào)出故障的原因，并加以語音或閃爍報(bào)警提示，如：CPU溫度過高、電池電壓過低、網(wǎng)絡(luò)中斷、SA811電源壞、EI813網(wǎng)卡壞、FI830通訊中斷、CI840冗余失效、CI840 DP故障，并可以精確的分析出DI810、DO810、AI810等模件狀態(tài)，是模件燒壞還是24V保險(xiǎn)壞等。

這種自控系統(tǒng)硬件狀態(tài)全景式監(jiān)控及智能化報(bào)警技術(shù)的投用，使得工程技術(shù)人員省去了中間判斷環(huán)節(jié)，可直接對(duì)發(fā)生故障的硬件進(jìn)行準(zhǔn)確處理。

2.2 爐頂工藝順序控制過程的中斷原因及可視化監(jiān)控

爐頂料罐的裝料、布料工藝控制涉及到料罐和閥門，外加布料溜槽（傾動(dòng)、回轉(zhuǎn)）、探尺等設(shè)備，閥門之間有嚴(yán)格的連鎖關(guān)系（包括罐壓、頂壓等是否滿足當(dāng)前工藝條件），必須嚴(yán)格按照工藝流程順序進(jìn)行先后操作。在全自動(dòng)化程序運(yùn)行下，崗位人員是無需操作的，只需要確保布料圈數(shù)滿足工長要求即可。但正因?yàn)橛袊?yán)格的連鎖關(guān)系，當(dāng)設(shè)備故障或工藝參數(shù)不滿足時(shí)，崗位人員需要打手動(dòng)進(jìn)行干預(yù)，干預(yù)時(shí)需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行判斷或處理，并清晰的按照工藝流程進(jìn)行步序操作。

為了清晰的表示出當(dāng)前工藝順序控制過程進(jìn)行的步驟及相關(guān)的連續(xù)條件，我們繪制了爐頂裝料、布料工藝流程圖。此圖以動(dòng)態(tài)的方式時(shí)刻監(jiān)控料罐裝料、布料工藝流程，清晰的標(biāo)明了工藝流程當(dāng)前運(yùn)行的具體步驟，并對(duì)每一步的運(yùn)行條件進(jìn)行了清晰的標(biāo)注，一旦設(shè)備卡在哪個(gè)環(huán)節(jié)，可以很明顯的判斷出具體原因。

在該套動(dòng)態(tài)圖中，當(dāng)前進(jìn)行到哪一步用綠色表示，可以一目了然看出當(dāng)前工藝操作已經(jīng)進(jìn)行到哪個(gè)閥門，后序操作應(yīng)控制哪個(gè)閥門，在每一步驟中，清晰的注明每個(gè)設(shè)備的連鎖關(guān)系，連鎖條件已經(jīng)滿足則用綠色表示，連鎖條件不合適的用灰色表示，崗位人員可以清晰的判斷出是因?yàn)槭裁垂收显斐僧?dāng)前設(shè)備運(yùn)行不正常，從而快速進(jìn)行處理。

2.3 以預(yù)知檢測(cè)的方法來降低故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)

1）爐頂編碼器設(shè)備狀態(tài)的預(yù)知檢測(cè)。

編碼器是爐頂設(shè)備的核心之一，編碼器的數(shù)值是爐頂自控系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，其中，料流編碼器用于控制料流開度，調(diào)節(jié)布料圈數(shù)；傾動(dòng)編碼器用于控制布料角度；探尺編碼器用于探測(cè)料面深度，每一個(gè)都是關(guān)鍵性工藝數(shù)值。

這些編碼器有一個(gè)共同點(diǎn)，它們都是在一定范圍內(nèi)，循環(huán)往復(fù)式的動(dòng)作。利用這個(gè)特點(diǎn)，可對(duì)編碼器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)知檢測(cè)，即：用編碼器往復(fù)動(dòng)作的起點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)值，每一個(gè)往復(fù)動(dòng)作結(jié)束回到起點(diǎn)時(shí)，用實(shí)時(shí)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行偏差比較，如果偏差的絕對(duì)值超出預(yù)設(shè)范圍，則認(rèn)為編碼器可能出現(xiàn)了故障，比如，軸徑連接部分松動(dòng)、斷裂；連接線松動(dòng)、老化等。

2）冗余備用設(shè)備狀態(tài)、儀表數(shù)值的預(yù)知檢測(cè)。

為保證爐頂控制流程的全自動(dòng)運(yùn)行，爐頂?shù)闹匾O(shè)備狀態(tài)、儀表數(shù)值等采用了一用一備的設(shè)計(jì)，比如爐頂各個(gè)閥門的開關(guān)狀態(tài)；頂壓、罐壓、射線料空料滿的儀表數(shù)值等。冗余設(shè)計(jì)的好處是當(dāng)常用狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)切換到備用狀態(tài)，不影響正常運(yùn)行。當(dāng)然，它的前提條件是切換到備用時(shí)，備用是正?？捎玫?。

為時(shí)刻保證冗余備用的可用性，我們通過編程實(shí)現(xiàn)了常用、備用的一致性檢測(cè)，當(dāng)備用與常用不一致時(shí)，及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理。

2.4 設(shè)計(jì)一級(jí)報(bào)警（組）預(yù)防故障擴(kuò)大化

一級(jí)報(bào)警（組）主要針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵操作等進(jìn)行細(xì)致化編程，當(dāng)前狀況與預(yù)設(shè)狀況不符時(shí)，發(fā)出一級(jí)報(bào)警，提示崗位去及時(shí)干預(yù)處理。比如，一批焦或礦的布料圈數(shù)，工序要求一般在10 ～ 17圈范圍內(nèi)，某批次布料小于10圈，料罐就空了；或者是大于17圈，料罐還未放空，此時(shí)，崗位人員就要馬上去分析、處理，防止下個(gè)批次繼續(xù)出現(xiàn)該問題。

一級(jí)報(bào)警（組）的主要編程設(shè)置如下：

1. 圈數(shù)未清零

2. 圈數(shù) lt;10，料空，注意：降致料流打不開

3. 料罐有料、打不用

4.1 號(hào)罐壓 A、B 不一致

5.2 號(hào)罐壓 A、B 不一致

6. 兩個(gè)頂壓不一致

7. 圈數(shù) gt;17，料不空

8. 液壓泵全停

9. 液壓站油壓低

10. 液壓站油位低

11. 傾動(dòng)電機(jī)電流高

12. 回轉(zhuǎn)電機(jī)電流高

13. 當(dāng)前布料罐下密不開，請(qǐng)檢查罐壓或油缸

14. 當(dāng)前布料罐罐壓過高，1 號(hào)罐二均自動(dòng)關(guān)

15. 當(dāng)前布料罐罐壓過高，2 號(hào)罐二幸免自動(dòng)關(guān)

16. 當(dāng)前布料罐罐壓過低

17. 南尺故障

18. 北尺故障

19. 回轉(zhuǎn)故障

20. 傾動(dòng)故障

21. 回轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)

22. 翻板不到位

23. 1 號(hào)罐強(qiáng)制料空時(shí)間過長

24. 2 號(hào)罐強(qiáng)制料空時(shí)間過長

25. 南尺跑偏

26. 北尺跑偏

27. 1 號(hào)料流跑偏

28. 2 號(hào)料流跑偏

29. 傾動(dòng)跑偏

30. 備用閥狀態(tài)不一致

31. 傾動(dòng)設(shè)定與反饋不一致

3 結(jié)束語

優(yōu)化爐頂DCS設(shè)備在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制，大大降低自控系統(tǒng)故障率。同時(shí)，爐頂工藝順序控制過程的中斷原因?qū)崿F(xiàn)可視化監(jiān)控，首次實(shí)現(xiàn)了程序運(yùn)行步驟與程序連鎖條件的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，故障處理預(yù)知和管控都降低了設(shè)備故障率，產(chǎn)生了極好的經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王新東，閆永軍.智能制造助力鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步[J].冶金自動(dòng)化，2019，43（1）：1-5.

第一作者：龐凱，男，50歲，高級(jí)工程師

收稿日期：2024-07-19