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施耐德QUANTUM PLC在2000m3高炉生产中的应用

晨怡热管 2009-11-7 19:20:08
摘要:本文详细阐述了施耐德QUANTUM PLC在高炉基础自动化控制系统中的控制内容、功能要求、软硬件及网络构成、详细控制方案及调试应用体会。

  关键词:QUANTUM PLC TCP/IP Ethernet网络





  Abstract:The article describes in detail the control content 、function request、compose of software、hardware and network、control project and debug experience of QUANTUM PLC in blast furnace basic automation control.

  Key Words: QUANTUM PLC TCP/IP Ethernet network




  一、概述

  邯郸钢铁集团有限责任公司位于河北省南部重工业城市---邯郸市,1958年建厂,属国家特大型钢铁联合企业,具有年产铁钢材500万吨的生产能力。1999年8月,五大技改工程之一的2000m3高炉动工建设,2000年6月高炉顺利出铁。该高炉为引进德国克虏伯钢铁公司的设备和技术,年产生铁150万吨,利用系数 2.5,焦比480kg,喷煤量150kg/t,各项经济技术指标位居国内同类型高炉第三名。


  二、机型

  2000m3高炉包括高炉及热风炉本体、水处理、煤粉喷吹、环保除尘等岗位,从性价比综合指标考虑,采用了大量性能优良的施耐德电气产品。高炉热风炉本体基础自动化控制系统PLC选用了TSX QUANTUM系列产品,风机变频器选用了Altivar产品,低压电器选用施耐德软起动器、梅兰日兰开关、断路器、接近开关、光电开关等产品。


  三、工艺描述

  炼铁是在高炉内进行还原反应过程,炉料、矿石、燃料和熔剂从无钟炉顶装入炉内,从鼓风机来的冷风经热风炉后,形成热风从高炉风口鼓入,随着焦碳燃烧,产生热煤气由下向上运动,而炉料则由上而下运动,互相接触,进行热交换,逐步还原,最后到炉子下部,还原成生铁,同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣分别由铁口和出渣口放出。

  高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的4个主要问题:即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内;控制炉料均匀下降;调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触;保持合适的热状态。

  现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。由于高炉在钢铁厂处于咽喉位置,需及时和稳定地供给炼钢工序合格的铁水,故其稳定性是很重要的。近年来,高炉向大型化方向发展,稍有不正常,损失就很大,因此其稳定性就显得愈加重要。高炉自动化的控制性能是决定高炉稳定顺行的一个至关重要的因素。


  四、系统控制内容及功能要求

  高炉生产要求计算机控制系统能够保证生产过程的连续性和实时监控性,而且要求数据量最多,所有设备的自动化程度要高。计算机系统要求数据采集周期短,刷新速率快,特别对通讯网络而言,数据传输速率、网络稳定性和正确性尤为重要。


  1、 高炉部分

  ·炉顶、炉喉、炉身、炉腰、炉缸、炉底、炉基的温度、压力、差压、流量、料位、重量的检测。要求数据采集精确度≤0.2%,采集速率≤0.8S。

  ·炉顶压力控制:这是高炉生产中最重要的、必须投入自动运行的控制。正常情况下,高炉顶压为250±3KPa。2000 m3高炉顶压调节采用了比肖夫环缝洗涤塔专利技术,串联方式的上下两级喉口一个投入自动,一个投入手动。

  ·炉身静压校正:在高炉不同高度测量炉身静压力,可以较早得知炉况变化,较准确判断局部管道和悬料位置,以便及时采取措施。2000 m3高炉在四个水平面上装设4个取压口以测量炉身静压力。

  ·炉体冷却壁热负荷检测:高炉一代炉役的长短取决于冷却壁的侵蚀情况。因此冷却壁热负荷检测属于重点监控和维护内容,分析该处实时曲线和历史趋势可以帮助高炉工长正确判断炉况,采取相应措施延长高炉炉龄。

  ·煤气分析:分析高炉煤气中H2、N2、CO、CO2含量,可以了解炉内反应,风口或冷却系统漏水等情况。

  ·水冷系统控制:通过膨胀罐、接受罐、水泵、气密箱、密闭循环水系统、炉顶打水的连锁与阀门控制保护炉顶设备。

  ·氮风系统控制:通过送风阀、送氮阀、风机连锁控制保护齿轮箱、阀箱等炉顶设备。
2热风炉部分

  ·炉体温度、压力、差压、流量参数检测

  ·热风温度控制:通过自动调节混风切断阀开度将适当配比的冷风掺入热风管道中,控制送往高炉热风围管的热风温度在1200±20℃内。

  ·废气温度与煤气支管流量的串级控制:废气温度与煤气支管流量组成串级调节回路,废气温度调节器的输出作为煤气支管流量调节器的外给定值。


图1
图1 废气温度与煤气支管流量串级控制原理图





  ·煤气支管流量与冷风支管流量的比值控制:煤气支管流量与助燃风支管流量组成配比调节回路,以煤气支管流量作为比值器的输入,比值器的输出作为助燃风支管流量调节器的外给定值。


图2
图2 煤气支管流量与冷风支管流量比值控制原理图




  ·开始燃烧时,废气温度调节器、煤气支管流量调节器及助燃风支管流量调节器均切换到手动状态,使废气温度调节器的输出为零,使煤气支管流量及助燃风支管流量调节阀处于小开度状态。当延时几秒后或废气温度达到350℃时,调节器自动切换到自动调节状态。当炉子退出燃烧时,煤气及助燃风支管流量调节阀均切换到手动状态,且两阀全关闭。


  以下是高炉、热风炉主要生产工艺监控画面。























 
五、系统组成

  1、硬件组成




图3
图3 高炉PLC硬件配置简图




  高炉、热风炉PLC部分采用远程I/O(RIO),配置成单缆方式。

  高炉部分PLC共有13个远程站。高炉部分PLC硬件配置简图见图3。

  热风炉部分PLC共有8个远程站。



  2、软件组成:

  2.1、工程师站组态软件包选用了Concept V2.2编程软件,它易于使用,功能丰富,具有5种符合IEC1131-3标准的编程模式。特别是软件仿真测试功能最受用户欢迎,大大缩短了在线调试时间。

  高炉及热风炉根据控制流程不同,采用了LD、FBD两种编程方式。


  2.2、操作员站监控软件包选用了Monitor Pro 。它是基于实时数据库核心的软件系统,工业现场数据采集实时性好,基于Server/Client结构的上位监控软件集HMI、SCADA、MES三大功能于一身。

  高炉利用Monitor Pro软件实现了实时、历史趋势,数据报表,数据采集,报警记录,动态显示等丰富功能。



  2.3、运行环境:操作系统采用Windows NT4.0中文版工作站+SP6a。



  3、网络构成:


图4
图4 网络拓朴结构



  图中ES是工程师站, OS是操作员站,CS是控制站。



  六、解决方案

  1、计算机控制系统选用施耐德公司Quantum自动化平台,分为高炉本体、热风炉两套PLC系统(CPU为热备),4台上位工作站,共有1500余个I/O点。其中模拟量点900点,数字量点600点,控制回路60个。

  2、2000m3高炉计算机系统使用的Modbus TCP/IP Ethernet,数据传输速率高达100MBPS,采用信息行业的事实标准TCP/IP,应用层使用Modbus协议,几乎不会发生数据传输冲突,交换式以太网技术的使用,更加避免冲突发生。通过140NOE77100模块Peer Cop可以定义I/O数据表,使用Internet Explorer查看以太网状态统计信息和现场I/O数据,也可通过其它内嵌功能,如基于Web的BOOTP服务器配置,SNMP协议支持等,使网络建立、调试、管理都变得简单。

  3、每套PLC系统通过插在主底板上的140NOE77100 TCP/IP Ethernet模块连接在100M快速以太网上,由于位置比较集中,都采用双绞线连接。上位监控机采用双绞线连接快速以太网。两套PLC系统实现热备,每台上位监控机内各插1块3COM 公司生产的3C905B 100M以太网卡。

  4、上位工作站由工业控制计算机完成整个系统的过程数据采集、运行状态监视、系统设备控制及其工业数据的采集、报表生成、打印、数据备份等工作。具有画面显示、趋势曲线、报警处理、班日月报表、数据管理及网上浏览等功能。涉及参数有压力、温度、差压、流量、质量、料位、阀位、液位等等。

  5、高炉及热风炉调节回路较多,控制工艺复杂,灵活的Concept编程软件为实现各种控制工艺提供了丰富的功能。例如PID功能块就有8种,可以根据生产实际编写出各种需求的功能。


图5
图5 热风炉废气温度与煤气支管流量串级控制功能图




  6、软件系统设计包括PLC组态及参数配置、系统监控程序设计、网络通信配置、操作员站及调度室站人机界面系统设计等几个部分。PLC组态及参数配置、监控系统编程均在Concept V2.2环境下完成,程序功能包括系统初始化、参数量程变换、参数监视及异常处理、各种连锁及控制等。网络配置包括PLC端和PC机端两部分。人机界面系统设计由Monitor Pro软件实现,包括画面设计、过程数据库建立以及监控软件功能块的编制等。

  7、变频器主要是控制两台交流调速电机带动风机为燃气轮机煤气加压。通过计算机程序PID功能实现自动调节,PLC输出模板输出4-20mA标准信号给变频器。



  七、应用总结

  1、所有I/O模板均可在系统运行的情况下带电热插拔,无需停止系统,极大地方便了在线处理故障。

  2、LED状态指示器,直观地显示CPU及其I/O模板通道状态,为快速检修故障提供了极大方便。

  3、开放的、标准的通讯协议满足了不同岗位计算机系统数据传递,易于连接到企业管理网,可与常见办公软件进行数据交换,大幅度降低工程设计、维护费用。

  4、热备CPU可以在主CPU发生故障时自动迅速切换,提高了系统工作稳定性。

  5、施耐德电气产品的优异性能、稳定可靠的运行为2000m3高炉达产创效提供了良好的技术支撑。
责任编辑: banye 参与评论
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