肖腾洲（1965—）
男，辽宁本溪人，高级工程师，从事冶金自动化工程及维护工作。

（本钢集团公司炼铁厂，辽宁  本溪   117000）   肖腾洲
摘要:从高炉自动控制系统的组成、应用功能层次、设计阶段及主要内容等几个方面对高炉工程自动控制系统的设计进行了总结和介绍,对同行有一定的借鉴作用。
关键词:高炉；控制系统设计；检测仪表及电气传动系统；分布式控制系统

Abstract:Automatic control system design of blast furnace project is summarized from some aspects such as composition , function level ,design phase and main contents. It is available for reference to the traders.
Key words: blast furnace ; control system design ; measurement instrument and electric drive system ; DCS


2000年以来，本钢集团公司炼铁厂先后建成了三座2600M3高炉，在中大型高炉工程施工建设运行上，其中在高炉自动控制系统的硬件设计、软件设计及软件调试方面, 更是通过不断的工程实践，积累了一定的经验。把这些经验加以总结，有助于今后的高炉自动控制系统构建工作。
1  工艺概况及自动控制系统
高炉生产主体工艺系统包括: 高炉矿，焦槽，上料(料车上料或皮带机上料) , 炉顶(无料钟炉顶或钟式炉顶) , 高炉本体, 出铁场, 粗煤气除尘煤气清洗(文氏管或比肖夫法) , 炉顶煤气余压发电( TRT) , 热风炉, 炉渣处理, 煤粉制备及喷吹等。高炉生产主要的辅助工艺系统包括: 高炉除尘系统,鼓风站,空压站,锅炉房,水处理系统,碾泥机,铸铁机,检、化验设施,生活福利设施等。
一般地, 高炉生产主体工艺系统与主要的辅助工艺系统分别由不同的控制系统进行控制。主体工艺系统采用三电(电气, 仪表, 计算机) 控制一体化程度较高的分布式控制系统进行集中控制、监视和操作; 主要的辅助工艺系统则视工艺过程控制的难易程度,选用独立的PLC(DCS) 或继电器(模拟仪表) 系统进行控制、监视和操作。主体工艺自动控制系统与辅助工艺PLC(DCS)或继电器(模拟仪表) 系统之间通过数据通信接口或I/ O 模件接线方式进行通信。本文仅对高炉生产主体工艺自动控制系统的各个设计阶段、内容,进行总结和介绍。
2 自动控制系统的组成及应用功能层次
高炉自动控制系统通常由常规检测仪表、电气传动系统及以计算机为主体设备的分布式控制系统共同组成。自动控制系统在系统应用功能上由4 级组成。第1 级为现场检测和传动级, 主要对工艺生产现场进行检测和驱动; 第2 级为基础自动化级, 主要完成生产过程的数据采集和初步处理、数据显示和记录、数据设定、生产操作、执行对生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制; 第3 级为过程监控级, 主要完成生产过程操作指导、 作业管理、模型计算、数据处理及存储;系统与装置第4 级为生产管理级, 主要进行全厂生产信息管理。控制系统采用高速数据总线通信, 并留有与其他生产及管理部门通信的接口。第1 级属于常规检测仪表及电气传动系统;第2～4 级属于分布式控制系统。
3  自动控制系统设计阶段及主要内容
高炉自动控制系统的设计阶段按设计顺序可以分为:
(1) 控制系统装备水平的确定阶段;
(2) 分布式控制系统综合评估阶段;
(3) 控制系统初步设计阶段;
(4) 控制系统基本设计阶段;
(5) 控制系统详细设计阶段;
(6) 控制系统软件调试阶段。
3. 1  控制系统装备水平的确定阶段
主要包括：
3.1.1  确定自动控制系统的设计原则
一般地, 设计应本着技术成熟、装备先进、适用性强、可靠性高的原则进行。
3.1.2   确定分布式控制系统的基本组成
分布式控制系统主要由控制站单元、操作显示站单元以及数据通信总线组成。各站点单元由数据通信总线联结在一起组成控制系统, 并通过数据通信总线进行相互间的通信,实现系统内部的数据共享。
3.1.3  确定自动控制系统的应用功能层次, 并提出各个应用功能层次上对系统硬件和软件的基本要求
在进行应用功能层次划分时,现场检测、传动级和基础自动化级是必需的;至于过程监控级和信息管理级,则应根据工程项目的资金情况及用户的生产管理水平决定取舍。
3.1.4  提出自动控制系统的合理控制范围及主要控制和管理功能
一般地, 高炉生产主体工艺系统宜纳入控制范围。
3.1.5  推荐几种典型的分布式控制系统构成方案
高炉自动控制上所应用的分布式控制系统, 一般按对电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能的不同侧重分为两类: 一类是电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能均由同一类型控制器进行控制的全DCS 控制系统,如美国西屋(Westinghouse) 公司的OVATION 控制系统, 德国SIEMENS公司的PCS7 控制系统等; 另一类是电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能分别由不同类型控制器进行控制的“PLC + DCS”控制系统, 如由美国HONEYWELL公司的仪表连续调节控制器HPM 与美国GE 公司的电气逻辑顺序控制PLC 共同组成的Total Plant 控制系统,由日本横河公司的仪表连续调节控制器FCS 与日本安川公司的电气逻辑顺序控制器CP23500H 共同组成的控制系统等。
3.1.6  提出国内外设备分交意见。
3.1.7  进行自动控制系统投资估算。
3. 2 分布式控制系统综合评估阶段
主要从以下几个方面对用户认可的几种系统构成方案进行综合评估和比较,选出在技术性能、使用性能、可靠性等方面均比较出色的控制系统。
(1) 对控制系统控制站单元的技术性能进行评估。包括现场数据采集能力及信号隔离措施;输入及输出信号处理精度; 内存容量及存储数据掉电保持时间;模件能否带电插拔及容错能力;应用软件的组态方式。
(2) 对控制系统操作站单元的技术性能进行评估。包括内存容量及CRT 分辨率;实时多任务操作系统的可靠性; 是否具备多种应用支持软件(如图形组态软件, 数据库管理软件, 报表生成软件, 历史趋势软件, 故障报警软件, 以及系统维护软件等) ;图形软件的组态方式。
(3) 对控制系统通信单元的技术性能进行评估。包括通信网络结构及网络控制方式; 通信网络容量及数据传输速率;通信网络容错能力。
(4) 对控制系统综合性能进行评估。包括控制系统的开放性和可扩展性; 是否兼容其它自动化软、硬件产品;是否很容易地对系统硬件和软件进行升级;控制系统的可靠性;系统的容错能力和平均无故障时间是否满足要求等; 控制系统的经济性,着重考察系统的性能价格比;控制系统在高炉控制上的的应用业绩; 控制系统供应商的售后服务能力。
3. 3 控制系统初步设计阶段
主要是以控制系统装备水平阶段确定的原则为依据, 以对分布式控制系统综合评估后得出的结论为基础, 并结合工艺实际情况进行控制系统的初步配置。其主要工作内容包括:
(1) 结合工艺及用户意见确定控制系统控制范围,分布式控制系统基本构成方案和主要控制、管理功能。
(2) 明确三电专业分工,对三电专业各自应完成的控制及管理功能进行划分。
(3) 确定系统操作方式。一般有自动、半自动、手动和机旁手动4 种操作方式。
(4) 初步确定常规检测仪表及电气传动系统设备选型。
(5) 初步确定分布式控制系统硬件及支持软件组成;估算控制系统输入和输出点数,初步确定输入和输出控制点技术规格及控制点备用量; 确定数据通信总线介质;确定系统的冗余方式。
(6) 确定控制系统电源条件。其中,分布式控制系统一般应考虑不停电电源措施。
(7) 确定控制系统安装场所。应使控制系统的输入/ 输出接口尽量接近控制对象。
(8) 确定控制系统抗干扰措施,接地措施。
(9) 确定国内外设备分交范围。
(10)进行控制系统投资概算
注意: 如果需要从国外引进自动控制系统设备, 在初步设计阶段还应进行引进项目建议书及引进询价书的编制工作,并着手准备对外技术交流和引进谈判。
3. 4  控制系统基本设计阶段
基本设计阶段是自动控制系统设计中最为重要的设计阶段。该设计阶段主要以控制系统初步设计阶段确定的内容为基础, 对系统硬件和软件进行总体方面的设计。功能规格书是基本设计阶段主要的设计文件,它是系统详细设计、软件设计和软件调试工作的指导性文件。功能规格书的主要内容包括设计依据和相关说明。
设计依据主要是指:
(1)用户设计委托书;
(2)与用户签定的相关技术协议;
(3)国家或冶金行业有关自动控制的规范;
(4)工艺功能要求书等。硬件基本设计包括工艺生产流程及工艺设备组成概述；机电设备组成及技术规格；工艺设备运转方式和运转连锁要求, 工艺设备有“自动”和“手动”两种运转方式; 确定工艺设备操作场所 , 一般在中央控制室或其他操作室设置的操作站上, 用操作键盘或鼠标, 按画面操作提示对工艺设备进行集中操作；确定常规检测仪表及电气传动系统的组成和设备选型；确定常规检测仪表及电气传动设备性能及参数(内部仪表参数、量程、工程单位、控制回路电压等级等) ；分布式控制系统硬件的最终配置情况描述，包括对控制站、操作站、计算机工作站、打印机、各类信号接口模件的数量和分配情况的描述以及通信总线敷设路径描述等。软件基本设计包括分布式控制系统软件的最终配置情况描述, 包括对应用软件的运行环境和系统支持软件的描述、系统通信方式的描述等;建立系统数据库, 说明数据库结构与应用程序的关系;建立应用软件总体结构框图,将各个控制及管理功能定义为总体结构框图中的子系统或功能模块, 对这些子系统或功能模块以及它们之间的数据接口关系、顺序处理流程进行说明;建立实现重要控制功能的流程图和算法块; 确定三电信号接口内容及交接方式 ; 确定操作站CRT 画面：菜单画面,系统总体监视画面,系统局部监视画面(含操作子画面),系统选择画面,设定画面,重要设备运行监视画面,报警画面, 设备运行维护画面及格式和报表格式; 对数学模型的说明; 提交中央控制室布置方案。
3. 5  控制系统详细设计阶段
3. 5. 1 硬件详细设计阶段
详细设计是按照基本设计确定的各项原则,对控制系统硬件进行工程化设计。详细设计主要完成各类硬件设计和硬件接口设计图纸, 往往与施工图设计并行进行。
3. 5. 2 软件详细设计阶段
软件设计是把基本设计确定的控制流程框图、说明以及画面、报表规格, 转化成分布式控制系统确定的程序设计语言。软件设计包括两方面的内容:
(1) 软件编程。即在多种应用支持软件(如控制组态软件, 图形组态软件, 数据库管理软件, 报表生成软件, 历史趋势软件, 故障报警软件等) 的环境中,结合工艺要求进行程序设计。
(2) 软件实验室测试。即在初步完成程序设计后, 对程序进行分步测试。包括检查程序容量和程序扫描, 校验控制及数据点名, 测试各类算法,测试控制逻辑顺序关系,测试数据通信的有效性等。
3. 6 控制系统软件调试阶段
软件调试是自动控制系统设计的最后阶段。软件调试是否顺利进行, 直接关系到工程的顺利投产。软件调试按以下步骤进行：
(1) 编制软件调试要领书
主要内容有：
①参与调试的工艺设备；
②调试所用的相关资料和工具；
③调试应达到的功能和性能指标；
④调试人员和时间安排；
⑤调试过程注意事项；
⑥调试开始前应确认的事项；
⑦手动调试步骤；
⑧自动调试步骤。
(2) 校验分布式控制系统输入/ 输出接口接线的正确性。
(3) 在分布式控制系统控制下的工艺设备单机无负荷试运转。即在操作站上手动控制单体工艺设备运转。
(4) 在分布式控制系统控制下的工艺设备无负荷连动试运转。即在操作站上发出运转指令后, 测试工艺设备是否按照设计程序自动完成运转过程,同时,对控制功能和各项性能指标进行初步测试。
(5) 在分布式控制系统控制下的工艺设备带负荷连动试运转。带负荷连动试运转标志着高炉进入正式生产的准备阶段, 此时, 对设计程序、控制功能和各项性能指标进行进一步测试。
4 自动控制系统设计中的一点体会
(1) 高炉各个工艺单元分布较广, 现场干扰源较多, 因而自动控制系统的抗干扰设计十分重要，信号电缆一般使用屏蔽电缆，并有独立路由；
(2) 为保证控制系统的正常运转, 系统控制回路宜采用隔离变压器供电,以减少电气噪声; 控制系统本身由独立的不间断电源UPS供电；
(3) 系统接地宜单独设置,使控制系统机柜与安装构件绝缘,做到系统接地与工厂常规接地严格分开;
(4) 宜对来自现场的信号进行隔离; 室外敷设的通信总线介质宜采用光纤；
(5) 控制系统的选型在考虑到先进性的前提下应优先保证系统的稳定性，应考虑到厂内已有机型，保证系统技术及备件的连续性，以节约运营成本；
(6) 控制系统的控制范围尽量纳入同一系统内，以减轻系统间的通讯及故障率；
(7) 控制系统的编程文档说明齐备，有利于维护使用人员快速熟悉系统；
(8) 控制系统应有良好的兼容性，易维护性及可扩展性；
(9) 控制系统的调试原则是正确性，灵活性，稳定性，安全性；
(10) 控制系统的调试是建立在电气和仪表基础上，并保证系统硬件，应用软件及控制回路的完备，即两个基础，三个保证。
5 结束语
本文所述本钢八号高炉控制系统构建内容, 适用于中大型的高炉自动控制系统的设计。对于规模较小的工程, 有些设计阶段和设计内容可以简化。本钢八号高炉控制系统投标方有美国EMERSON，ROCKWELL，HONEYWELL，德国SIEMENS，日本横河安川，经综合评估，EMERSON中标。