关键词：PLC；监测；自动上料；光纤；WinCC

    周静华（1980－）
河北唐山人，助理工程师，2002年毕业于河北科技大学自动化专业，一直从事高炉仪表和自动化设计和维护工作。

1     系统概述

    唐山中厚板高炉上料系统分为槽下供料和炉顶下料两部分。

    槽下供料系统使用主皮带为炉顶上料。料仓里的炉料通过上给料机和振筛送入称斗，称斗把料放入运焦或运矿皮带，再送入主皮带，由主皮带把料装入炉顶系统。

    高炉炉顶是无料钟串罐系统，通过均放阀使料罐内为常压，把受料斗里的料放至料罐，再由均压阀使料罐为常压，把料罐里的料通过布料溜槽布到炉内。

    整个项目由北京金字天正总包，2006年4月正式投入运行。

2     系统组成

    2.1   硬件配置

    电源：西门子公司 PS407 10A支持冗余的电源4个；PS307 5A 8个。

    CPU：西门子公司S7-400H系列2套，与单CPU相比具有热备和冗余切换功能，避免由于单个CPU故障造成系统
    瘫痪，无扰动切换不会丢失任何信息，确保了任何时候系统的可靠性。两个CPU之间保证事件同步性，用户无需考虑实现同步，简单方便。

    通讯模板：CP443-1系列2套，与CPU分别插入模板组成双以太环网。

    接口模板：8套冗余接口模板ET200M IM153-2，它与Profibus组成现场总线网络冗余，ET200M作为从站连接到Profibus-DP，由于槽下从站中控室主CPU较远，中间使用光纤连接，两端采用西门子Profibus OLM中继器进行连接，提高了网络的抗干扰能力，保证了运行的可靠性。

    远程I/O站：Siemens 300系列热插拔模板，包括模拟量输入输出模板、数字量输入输出模板。

    上位机：台湾研华工业控制计算机IPC610 （P4/2.8G/80G/512M/USB2.0）2台，使用西门子具有冗余切换功能的CP1613网卡连接冗余系统CPU与WinCC之间的通讯。

    交换机：西门子公司6口光纤交换机ITP62。 PLC与上位机使用交换机组成EtherNet网络，炉顶系统与槽下系统之间、上料系统与高炉其他系统之间是用光纤进行连接，组成冗余环网。它的特点是模块间通过光纤进行连接，构成骨干网，通讯速率为100Mbit/s；通过集成的冗余管理器可以实现快速介质冗余；不需要复杂的配置规则和参数；通讯可靠，网络出错后迅速重构（小于0.3秒）。系统组成如图1所示。

    2.2    软件配置

    系统软件在Win2000 Professional SP4 中文版操作环境下运行。

    编程软件采用STEP7 professional Edition 2004 SR2 / 5.3，是用于SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，采用梯形图和SCL语言实现控制软件的开发与应用，通过显示一个模板的在线信息，可以断定模板故障的原因。

    上位机监控软件采用WinCC 6.0 SP3中文版，它提供了开放的人机界面，能够提供图形显示界面和历史趋势及故障报警显示，对设备和自动化过程进行监视和控制，通过转换按钮实现不同操作画面的转换。

    使用SQL server 2000 SP3a作为WinCC软件的数据库。

    SIMATIC NET Networking for Industry / PC / Software Edition 2005提供了一种连接网络的技术系统，使用它使系统与系统之间的连接不再是一件困难的事。

3     控制系统功能

    高炉上料控制系统的功能是按照预设的料批和配比为称斗备料，由主皮带把炉料准确地送入受料斗，通过对炉顶设备的控制，完成向高炉装料，由布料溜槽按照设定的布料方式把炉料布入炉内。

    3.1   槽下供料系统

    槽下控制系统的仪表检测主要是8个称斗的重量。

    槽下控制主要实现炉料的称量备料和排料过程。按照预设的周期表顺序自动将炉料配好装入焦斗和矿斗中，完成备料过程。 再根据炉顶指令向主皮带排料，通过主皮带把料送入炉顶。

    系统周期表提供24匹料的循环周期，对于特定情况下的插焦和越位通过简单的操作就能实现。周期表用数字代表料批代码，在1到6之间为矿，11到14之间为焦，分别对应6种矿和4种焦的配料方式。周期表中同时设定本批料的布料代号，供炉顶系统炉内布料使用。

    当主皮带上的跟踪料流到达指定的排出点并且炉顶料流开度大于6度（这两个参数经多次试验取得，直到没有堆料和停皮带现象），下批排料开始。排料前确认插焦或越位按钮是否被按下，如果插焦按钮被按下插焦次数大于0，先排插焦排完之后把插焦次数减1，直到插焦次数为0，复位插焦按钮正常排料。如果越位按钮被按下当前要排料为焦等排完本批焦之后越过下面的矿排下一批焦，如果要排的料为矿直接越过当前矿排下一批焦，当排焦结束在排越过矿。当排料开始时把本批排料指针加1，看指针所指料种是否与本批料料种，相同作为备料指针，不同把指针继续加1，直到找到相同的料种的料批代码，得到周期号作为备料指针，同时在监控画面中显示备料周期号，为备料做准备。根据排料指针在周期表中确定排料料种，排料称斗。如果要排的料的称斗不满等备满之后再排料。确认好排料料斗在上位机中显示。按照排出设定表确定第一个启动的排料称斗，接着启动第一个排料称斗的下给料机、打开称斗闸门。该下给料机启动设定延时时间后启动下一个排料称斗，同时启动的下给料机不能超过3个。当本批料所有的称斗都排料完毕，排料指针加1，本批料排料结束。如果排料指针或备料指针大于设定的周期值，排料和备料指针自动为1。当本批料的料尾到达炉顶时，向炉顶传本批料的环布方式、周期号、批次和料重。

    根据备料指针确定料批的配料方式，每批料配料方式的称量定值，下料斗号设置及称量斗总设定值均在称量设定中设定和称量参数中取得。对于烧结矿和杂矿共用称斗的料斗，分为称烧结、单称杂矿、先称烧结再称杂矿和先称杂矿再称烧结四种情况。各振筛和上给料机根据本称量斗所设置称量设定值及称量斗满、空信号自动备料，并自动进行称量补偿、焦炭水分补偿、称量值零点校正、余振值测定。

    补偿和称量公式：

    给料机目标值=设定值+上次误差值-称斗空值

    给料机停车值=目标值-惯性量-5%惯性量

    振动筛停车值=目标值-惯性量

    本次误差值=实际值-目标值

    对于杂矿和烧结矿共用称斗中最后启动的仓目标值=兄弟给料机的满值+设定值。

    3.2  炉顶上料系统

    控制流程如图2所示。

    炉顶上料系统仪表检测点有16个，其中压力检测点5个、温度检测点3个、流量检测点3个、料位检测点1个、料尺值2个、执行器开度反馈1个、焦炭水分测定1个，主要是对炉顶和齿轮箱的检测。

    炉顶系统主要功能是控制炉顶设备向高炉装料和按照设定的布料方式进行布料。当受料斗满、料罐空时，打开均压放散阀卸压，为常压后开启上密封阀，再开启挡料闸，将受料斗中的炉料装入料罐。受料斗空后，关闭挡料闸、上密封阀，向料罐传本批料周期号、料种、布料方式和本班总批号，然后关闭均压放散阀，探尺探料降至规定料线，提尺同时打开均压阀向料罐均压，布料器倾动到设定角度发准备好信号，打开下密封阀，在布料器到达步进角位置时打开料流调节阀，用料流闸的开度大小来控制料流速度，炉料由布料溜槽按照设定的布料方式和布料角度布入炉内。布料溜槽每布一批料，其起始角均较前批料的起始角步进设定的布料角度。

    布料器设有多环、扇形、定点三种布料方式，满足不同炉况的需要。环形布料设定了8种布料方式，每种方式提供了11个环形位置。如果是环形布料，根据由槽下系统传过来的环布代号在环布表中查找布料方式，确定α角的位置、β角在每个α角位置旋转圈数。扇形布料即α角一定的情况下，β角在设定范围内来回摆动，炉料撒在一个扇形面上。β由变频器驱动，为达到精确定位，将变频器的速度自动设定为低速，自动判断布料器的旋转方向，将β旋转到设定的扇形起始角度上，随着角度的接近不断降低β的旋转速度。定点布料是在固定的角度排料，β在低速情况下逐渐旋转到规定角度。

4     监控画面

    系统实现了集中监视控制，对现场采集的信号进行画面显示、报警、历史趋势记录，供生产人员及时掌握生产运行情况。监控画面采用西门子公司Wincc 6.0实现，它提供了开放的界面和冗余监控功能。使用SQL server 2000数据库存储动态过程数据，使得管理机访问数据库更为方便。

    各操作画面之间可以灵活切换。单击操作设备能够弹出小操作窗口，通过小窗口中的操作按钮对该设备进行启动、停止和CRT手自动选择。

    4.1   槽下供料系统监视画面显示

    槽下系统监控画面包括总监控画面——对总的工艺流程进行监视，显示称斗重量、当前备料周期号、准备备料周期号、正在排出周期号和准备排出周期号，并通过按钮和小操作画面对自动过程和操作设备集中控制。还有周期设定画面、称量设定画面、焦矿参数和排出设定等画面，根据实际需求进行设定以完成自动控制。另外还包括系统报警参数显示画面。

    4.2   炉顶上料系统监视画面显示

    炉顶系统监视画面——完成对总工艺流程的监视和对具体设备的操作。布料方式画面，对环布方式进行设定。扇形和定点设定画面。报警画面对实时报警和超时故障报警进行报警显示。液压站画面对炉顶液压站的油泵进行控制，对油压、油位、油温进行超限报警。

5     结束语

    高炉上料系统是整个高炉自动控制的关键，它关系到高炉的上料速度进而关系到高炉的产量。

    中厚板高炉上料自动控制系统自投入使用以来，高炉利用系数不断提高，经过多次根据实际需求对某些细节进行修改，已经基本完善，功能健全的监控画面，合理的配置保证了高炉生产运行和操作维护的需要。

作者信息：

    周静华（唐山钢铁集团自动化公司，河北  唐山 063000）

    刘  静（ 河北工程大学信息与电气工程学院通信系，河北  邯郸 056038）