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    前言：宣鋼9#高爐噴煤控制系統(tǒng)采用德國西門子的PCS7系統(tǒng), 該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS與PLC優(yōu)點于一體，并支持多種國際現(xiàn)場總線標準。工程設計人員選用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術結合，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制，與其它過程站的通迅，數(shù)據(jù)的存貯、歸檔、顯示。

    1、硬件配置

    宣鋼9#高爐噴煤控制系統(tǒng)硬件采用德國西門子的PCS7系統(tǒng)，系統(tǒng)為冗余控制系統(tǒng)，支持熱插拔。當主CPU由于故障停機時，從CPU無條件的切換成主CPU，對生產(chǎn)不會造成任何影響。控制系統(tǒng)電源采用PS407 10A，CPU采用CPU 414-4H，通信處理器模塊為CP443-1，I/O通信模件為ET200，使用I/O模件完成數(shù)據(jù)采集及設備控制。

    操作員站選用西門子工控機2套，操作員站和CPU之間采用10MB的工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，組成以TCP/IP協(xié)議為通訊基礎的工業(yè)控制以太網(wǎng)，滿足過程監(jiān)視、控制及管理自動化的要求。

     噴煤PCS7系統(tǒng)硬件配置如圖1:


    噴煤PCS7系統(tǒng)硬件配置圖1

    1.2電源模板（PS407 10A）

    電源模板（PS407 10A），用于對SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網(wǎng)絡電壓轉換為所需的5V DC或24V DC工作電壓，輸出電流為10A，電源模板安裝在機架最左面（從槽位1開始），根據(jù)配置，它們可占用槽1到槽3。

    1.3中央處理器模板（CPU 414-4H）

    CPU414-4H適用于中等性能應用范圍中有較高要求的場合，能滿足對程序規(guī)模和指令處理速度及復雜通信的更高要求，支持冗余，集成的Profibus-DP接口使它能夠作為主站，直接連到Profibus-DP現(xiàn)場總線；擴展的存儲能力，256KBRAM分別用于程序和數(shù)據(jù)存儲；靈活的擴展性，可連接多達131072個數(shù)字量或81932個模擬量的I/O；多點接口（MPI），用MPI最多能夠建立32個站的簡單網(wǎng)絡，其數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12Mb/s。

    1.4通信處理器模塊（CP443-1）：

    CP443-1是SIMATIC S7-400用于工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信處理器，它有自己的微處理器，因而能減輕CPU的通信任務和進一步擴展連接，通過CP443-1，S7-400可以實現(xiàn)與編程設備、計算機、HMI設備的通信。

    1.5 I/O通信模件為ET200

    ET-200作為從站連接到Profibus-DP，適用于冗余系統(tǒng)。每個ET200后面帶有所需的數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊。接收來看現(xiàn)場的信號，通過Profibus-DP總線連接到CPU，供CPU處理。

    1.6I/O模件

    本系統(tǒng)用的I/0模件均為300的卡件，僅此一項，就可節(jié)約費用上萬元。I/O模件用于接收現(xiàn)場的信號。主要有數(shù)字量輸入模件DI，數(shù)字量輸出模件DO，模擬量輸入模件AI，溫度處理模件RTD和TC。

    1.7操作員站

    2、軟件配置

    高爐噴煤工控機上裝有Windows 2000英文版操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為西門子公司PCS76.0英文版。

    它是集組態(tài)（包括硬件配置、控制策略、HIS即人機接口等組態(tài)）、工程調(diào)試和診斷功能為一體的工具軟件包。系統(tǒng)通過多屏圖形卡可以將最多四個過程監(jiān)視器連接在一起來 擴展工作區(qū)，使得組態(tài)更為簡便。工程系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件可以根據(jù)過程對象的數(shù)量來擴展，根據(jù)需要，其數(shù)量可以隨時使用 PowerPack 升級包來增加。在程序編制中，編程人員主要用了CFC編程，SFC編程。監(jiān)控軟件，主要應用WinCC6.0。

    2.1連續(xù)功能圖 CFC編程

    CFC是一種用于圖形化組態(tài)連續(xù)自動化功能的工具。通過功能強大的自動布線 和集成報文組態(tài)，預定義的塊可以在 CFC 中定位、進行參數(shù)化和互連。在生成一個新的CFC 時，可以根據(jù)圖名 生成一個順序組。所有安裝在順序圖中 的塊可以自動添加到該順序組。在編譯時可對順序進行優(yōu)化。根據(jù)算法先確定最佳的塊順序，然后是組順序。

    2.2順序功能圖SFC編程

    SFC可用于圖形化組態(tài)批量生產(chǎn)的順序控制。每個 SFC 都具有用于控制和用于狀態(tài)信息的輸入及輸出。如果需要的 話，SFC 可直接在 CFC 中定位和互連。 只需簡單的操作，即可選擇所需的 CFC 塊連接，并連接到定序器的步或過渡點。符合標準 ISA S88 的狀態(tài)管理允許每個 SFC 最多組態(tài)8個單獨的順序鏈，用于特殊操作，例如保持或放棄狀態(tài)、安全狀態(tài)或各種操作模式。對于 SFC 組態(tài)，提供有簡便的編輯功能，以及功能強大的測試和調(diào)試功能。

    2.3工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件

    工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC是一個集成的人機界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是在Windows環(huán)境下，面向對象的32位工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，適合任何自動化控制系統(tǒng)。該組態(tài)軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數(shù)據(jù)庫技術、控制技術、網(wǎng)絡與通信技術等，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體專業(yè)的計算機語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控軟件設計，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫和操作向導，使開發(fā)人員避免了軟件設計中許多重復性開發(fā)工作，可提高效率，縮短開發(fā)周期，它已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)主要軟件開發(fā)工具之一。

    采用西門子Wincc6.0軟件設計監(jiān)視畫面，對操作界面漢化，進行制煤、噴煤的主要操作及狀態(tài)顯示；能根據(jù)生產(chǎn)需要實現(xiàn)參數(shù)修改，包括故障報警顯示及查找等。上位機管理系統(tǒng)要完成對噴煤數(shù)據(jù)的管理工作，通過控制系統(tǒng)與上位機的雙向通訊。其優(yōu)點有：上位機在漢化的操作界面下管理著操作者的所有輸入，并以輸入內(nèi)容做出檢查，避免出錯，操作非常容易；避免操作人員直接與控制系統(tǒng)接觸，可防止因誤操作而破壞程序。

    本系統(tǒng)主要有以下操作畫面：

    原煤儲運系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    制煤系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    噴吹系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    加熱爐系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    噴煤系統(tǒng)工藝流程模擬畫面；

    3噴煤工藝控制

    3.1原煤儲運系統(tǒng)

    配煤系統(tǒng)包括三臺圓盤給料機和三臺皮帶稱。圓盤給料機采用變頻器控制，通過控制變頻器的頻率，達到控制其轉速的目的，從而調(diào)節(jié)圓盤給料機下料量的多少，達到所需的重量和煤種之間配比的要求。

    3.2制粉系統(tǒng)

    制粉系統(tǒng)主要包括一臺中速磨機、粗粉分離器和布袋收粉器三部分。煤在中速磨中磨成煤粉，煤粉經(jīng)粗粉分離器被主抽風機抽到布袋收粉器中，煤粉被收集到煤粉倉中。

    制粉系統(tǒng)的主要控制有：

    3.2.1磨煤機入/出口溫度控制

    煤粉輸送氣體。由于熱風爐廢氣溫度變化較大，因此用加熱爐產(chǎn)生高溫煙氣與熱風爐廢氣混合，為磨煤機提供一定的干燥和溫度穩(wěn)定的氣體。磨煤機入口溫度可通過比值調(diào)節(jié)實現(xiàn)，即調(diào)節(jié)加熱爐產(chǎn)生高溫煙氣與熱風爐廢氣的混合比值來控制入口溫度。在制粉系統(tǒng)中磨煤機出口粉溫度要比入口溫度重要，由于受磨煤機負荷及原煤干濕程度的影響，磨煤機出口風粉溫度較難控制，因此可將磨煤機入口溫度控制作為副環(huán)，出口風粉溫度作為主環(huán)構成串級，這樣,減少了滯后，提高了抗干擾能力。

    3.2.2中速磨機負荷控制

    中粗磨機是整個制粉系統(tǒng)的核心部分，負荷自動控制就是在保證噴吹要求的前提下，使中速磨機在最經(jīng)濟的工況下運行。磨煤機負荷自動控制通常都是通過調(diào)節(jié)給煤機給煤量來實現(xiàn)，通過變頻器控制給煤皮帶的速度，從而控制給煤量。

    3.2.3磨煤機前負壓控制

    在使用中速磨制粉時，由于煤粉的細度與通風量之間是比例關系，因此保持磨煤機的風量不變，則煤粉的細度不變。保持磨煤機前負壓的穩(wěn)定，便能達到風量穩(wěn)定的目的。實際上負壓控制就是煤粉細度的控制，同時也能防止煤粉外泄。

    3.3 噴吹系統(tǒng)

    噴吹系統(tǒng)主要是向高爐輸送煤粉，細煤粉利用自重從煤粉倉落到噴吹罐中，并用氮氣充壓。每座高爐都設計有兩個噴吹罐，當一個噴吹罐裝滿煤粉并充壓到壓力設定值后，開始噴煤，噴空后，另一個裝滿煤粉的噴吹罐就與煤粉輸送管道接通，經(jīng)過短暫的過渡，噴空的操作罐開始卸壓、裝煤粉和再充壓。

    為了保證噴吹量的穩(wěn)定，需保持噴吹罐內(nèi)壓力的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)補壓調(diào)節(jié)閥的開度可保持罐壓在設定范圍之內(nèi)。補壓設定值與罐壓實測值比較運算后，通過罐壓調(diào)節(jié)畫面設定輸出補壓調(diào)節(jié)閥的開度。功能框圖見圖2。



    在一定的噴吹壓力下穩(wěn)定流化氮氣量和壓縮空氣補氣量，改變輸煤阻力和固氣比。人工設定噴吹率設定值和罐壓，通過調(diào)節(jié)補氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)噴吹率，補氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，將設定噴吹率與實際噴吹率相比較，當設定值大于實際值時，閥位開大，反之，閥位開小。

    閥門的控制分為自動和手動兩種方式，在自動方式時，根據(jù)自動倒罐的條件，自動順序開關相應閥門。手動方式又分為單動和聯(lián)動兩種方式，根據(jù)工藝要求，單個控制閥門的開、關不受其他條件的限制；在聯(lián)動方式下，需在滿足聯(lián)鎖保護條件和閥門開關順序的情況下才能操作。

    緊急停噴和閥門故障時均發(fā)出報警信號，提醒操作人員及時準確定位處理。

    3.4熱爐系統(tǒng)

    該系統(tǒng)為制粉系統(tǒng)提供干燥原煤和輸送煤粉的干燥氣。干燥氣是熱風爐廢氣與煙氣爐煙氣的混合氣體，主要采用熱風爐廢氣，不足熱量由煙氣爐煙氣補充。為了保證磨煤系統(tǒng)所需的一定溫度及流量的一次混合干燥氣，必須實現(xiàn)干燥氣流量和溫度的動態(tài)調(diào)節(jié)，使出口溫度處于規(guī)定值內(nèi)，并通過磨煤機出口溫度變化情況進一步控制和調(diào)節(jié)磨煤機入口的熱風爐廢氣調(diào)節(jié)閥的開度。當高爐煤氣壓力高于高定值或低于低定值時，系統(tǒng)自動關閉高爐煤氣切斷閥。冷空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)由操作人員根據(jù)中速磨所需熱風的溫度的高低，通過計算機手動調(diào)節(jié)閥門開度來混兌冷空氣。

    高爐噴煤控制系統(tǒng)的操作員站由兩臺西門子工控機組成，一臺用來顯示噴煤系統(tǒng)主畫面，另一臺用來顯示生產(chǎn)操作技術參數(shù)，兩臺互為熱備份。工控機具體配置為P4處理器，2.4GHz主頻，1G內(nèi)存，80GB硬盤，Windows 2000英文操作系統(tǒng)，19英寸SVMSUNG CRT。

    3.5工業(yè)網(wǎng)絡構成

    過程站、操作員站、工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，符合工業(yè)以太網(wǎng)標準IEEE802.3,采用TCP/IP協(xié)議,32位數(shù)據(jù)總線,每秒100Mbit。傳輸介質為光纖，網(wǎng)絡結構單環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡上任一處的斷裂，而不會影響網(wǎng)絡的通迅。我廠工程技術人員準備改造網(wǎng)絡為光纖雙環(huán)網(wǎng)，這樣就使網(wǎng)絡的通迅更加的穩(wěn)定。

    4、結束語

    以上介紹了SIEMENS PCS7開放系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的構成、宣鋼9＃高爐噴吹系統(tǒng)控制方案，在程序設計中始終貫徹安全第一的思想。該系統(tǒng)自投運以來，高爐在生產(chǎn)正常的情況下，相比同等類型的高爐，利用系數(shù)高出0.2左右，收到了可觀的經(jīng)濟效益。另外，更重要的是，也說明自動化系統(tǒng)的初投資，能從生產(chǎn)中不斷取得經(jīng)濟效益，這是值得人們關注的問題。
 
    作者信息：王春元  2004年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學自動化專業(yè)，助理工程師。

    工作單位: 河北省宣化鋼鐵公司煉鐵廠

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