西门子PCS7系统在承钢炼铁厂1#高炉上的应用

一、项目简介

承钢炼铁厂新1#高炉是该公司第一次使用由主皮带送料；炉顶无料钟布料方式。高炉基础自动化控制系统由4台PLC控制站，15台工业控制机为硬件平台的服务器、工程师、操作员站，以及2台打印机等设备共同组成。自动化控制系统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。控制系统进行控制的主工艺系统有：矿焦槽系统、上料系统、炉顶系统、高炉本体系统、热风炉系统、出铁场系统、除尘及循环水系统。这里，笔者和有关技术人员合作采用Siemens公司SIMATIC PCS7控制系统，硬件采用s7-400冗余CPU 414H通过冗余控制器，软件使用SIEMENS公司的PCS7软件作为自动化“后台”监控界面。PCS7是一种模块化基于现场总线的新一代过程控制系统，结合了传统 DCS和PLC控制系统的优点，即将两者的功能有机结合在一起。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台；所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，并有同样统一的软件平台。系统大量采用新技术，在网络配置上，使用标准工业以太网和Profibus网络。由于PCS7消除了DCS和 PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使得系统应用范围变广，是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统。随着我国各行业现代化步伐的加快，各行业对产品质量的要求越来越高，同时对产品的精度要求也越来越高，高质量、高精度的产品不仅能在市场竞争中立于不败之地，更能反映出该企业设备先进，自动化控制水平高，管理水平高。如何提高产品精度，提高产品质量，是每个工程技术人员所面临的一个课题。本文中笔者特将设计思想和设计方法提出与读者交流，以供读者借鉴。图1所示为高炉外貌；图2所示为热风炉外貌。

图1 1260m³炉外貌 

图2 热风炉外貌

二、控制系统的配置  

1．系统配置

控制系统外观如图3所示。

图3控制系统外观

1)硬件组成如下： 

CPU模块             CPU414H     4

套开关量输入模块    SM321     67块

开关量输出模块      SM322     43块

模拟量输入模块      SM331     74块

模拟量输出模块      SM332     15块

西门子工业控制机    P4 2.2/516M/80G     14台

西门子服务器        P4 2.2/1G/80G       1台

2)软件组成如下

PCS7（开发版）     V6.2     1套

WinCC（客户版）    V6.2     10套

系统平台  Microsoft Windows 2000英文版 1套

系统终端室如图4所示。 

图4系统终端室

2．控制系统配置图

高炉基础自动化控制系统由4台PLC控制站，15台工业控制机为硬件平台的操作站，以及2台打印机等设备共同组成。自动化控制系统主要完成生产过程的数据采集和初步处理，数据的显示和记录，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。控制系统进行控制的主工艺系统由矿焦槽系统、上料系统、炉顶系统、高炉本体系统、热风炉系统、等组成。其控制系统配置图如图5所示。

图5硬件配置

三、控制系统的功能

1．槽下装配料PLC控制系统

该系统主要由1套PLC控制站，2台以工业控制机为硬件平台的操作站等组成。PLC控制站（包括冗余的电源模块、CPU模块、网络模块及不冗余的I/O接口模块，I/O点数为1000左右）完成各项电气及仪表控制功能。操作站为用户提供了友好的人机界面，可以对槽下装配料系统进行状态显示和生产操作。控制站和操作站通过工业以太网实现数据和文件传输通信。

槽下装料站系统包括以下功能：

1)矿焦槽系统设备运转联锁控制。

2)矿石及焦炭称量方式控制。

3)矿石振动排料控制。

4)矿焦槽系统设备故障处理。

5)液压站联锁控制。

2．炉项PLC控制系统

该系统主要由1套PLC控制站，4台以工业控制机为硬件平台的操作站，以及1台打印机等组成。PLC控制站（包括冗余的电源模块、CPU模块、网络模块及不冗余的I，0接口模块，I/O点数为1050左右）完成各项电气控制功能。操作站为用户提供了友好的人机界面，可以对炉项系统的各设备进行状态显示和生产操作。控制站和操作站通过工业以太网实现数据和文件传输通信。

炉顶设备系统包括以下功能：

1)上料系统设备运转联锁控制。

2)上料数据跟踪控制及设备故障处理。

3)高炉炉内料面探测。

4)炉项系统设备运转联锁及时序控制。

5)炉顶均压控制。

6)布料方式控制。

7)液压站联锁控制。

8)炉顶打水控制。

9)炉顶系统设备故障处理。

3．高炉本体PLC控制系统

该系统主要由1套PLC控制站，2台以工业控制机为硬件平台的操作站，以及1台打印机等组成。PLC控制站（包括冗余的电源模块、CPU模块、网络模块及不冗余的1/0接口模块，I/O点数为500左右）完成各项电气控制和仪表检测功能。操作站为用户提供了友好的人机界面，可以对高炉本体的各设备进行状态显示和生产操作。控制站和操作站通过工业以太网实现数据和文件传输通信。

高炉本体包括以下功能：

1)高炉本体设备运转联锁控制。

2)炉顶压力测量及控制。

3)高炉上升管温度测量及炉顶打水控制。

4)煤气在线分析。

5)富氧控制。

6)高炉本体设备故障处理。

4．热风炉PLC控制系统

该系统主要由1套PLC控制站，4台以工业控制机为硬件平台的操作站等组成。PLC控制站（包括冗余的电源模块、CPU模块、网络模块及不冗余的1/0接口模块，I/O点数为1050左右）完成各项电气控制功能。操作站为用户提供了友好的人机界面，可以对热风炉的各设备进行状态显示和生产操作。控制站和操作站通过工业以太网实现数据和文件传输通信。

热风炉项系统包括以下功能：

1)热风炉设备运转联锁控制。

2)送风顺序控制。

3)换炉控制。

4)热风炉燃烧控制。

5)热风炉系统设备故障处理。

5．过程计算机系统功能

(1)过程数据的收集

该系统通过网络接收来自基础自动化系统的过程数据，包括原燃料数据、上料数据、炉顶数据、炉内冶炼数据、煤粉喷吹数据、出铁数据等。有些数据不能自动获取，或者通信故障时，操作员可在操作站上人工输入到该系统中。

(2)过程监视

过程监视是基于收集到的过程数据完成的。过程监视主要包括下列内容：

1)原燃料装料数据。

2)炉顶温度、压力数据。

3)炉顶煤气数据。

4)炉顶探尺数据。

5)料面温度分布（十字测温和红外摄像仪表的数据）。

6)炉体各部分温度数据。

7)炉体各部冷却水流量数据。

8)热风炉系统过程数据。

(3)数学模型

该系统为了满足高炉生产稳顺，提供下列数学模型进行生产控制和操作指导：

1)热风炉燃烧计算模型。该模型根据热风炉当前状况以及燃料热值等参数计算满足高炉送肛要求所需的燃料流量和空气流量，以获得最经济的条件，同时，从热风炉设备安全管理角度考虑，通过改变燃料混合比来控制热风炉拱顶温度和废气温度，使其保持在允许温度范围内，延长使用寿命。

2)无料钟布料模型。该模型将高炉料面划分成多个料环，每个料环对应一个溜槽倾角，实际生产过程根据炉顶煤气分析结果和炉料装入情况等计算每个溜槽倾角的旋转次数和料矿排出速度，以保证合适的煤气流分布，稳定炉内透气性，使炉料良好下降。

3)炉热判定模型。该模型根据炉顶煤气成分和送风条件等过程参数，进行物料平衡计算和熟平衡计算，求出炉热指数。然后，根据炉热指数、装料和送风等数据进行铁水温度和铁水含硅量预测。

4)炉底侵蚀模型。该模型根据炉底侧壁埋设的热电偶测得的各检测点的炉壁温度以及周边冷却条件，连续推算炉底侵蚀线（即铁水凝固温度的等温线）的位置，以便及时采取短期和长期保护措施，有利于延长高炉使用寿命。

5)渣铁管理模型。该模型根据炉内状况，计算炉内当前的渣、铁存量和液位，并可估算出铁时间和出铁量、出渣时间和出渣量，向操作员提供出渣、出铁指导。

(4)历史数据存储和处理

该系统对实际过程数据（包括物料消耗、能源介质消耗数据）进行班、日平均值和累计值计算、存储。所有数据的管理由Oracle数据库完成，数据库中的数据编码将遵循承钢公司CIMS系统的编码原则。该系统支持浏览器操作，进行历史数据的检索、查询和统计，包括工艺要求的数理统计和生产成本分析功能。

(5)报表打印

该系统自动生成各种生产报表，包括高炉装料操作表、班报表、日报表、月报表。这些报表既可以自动打印，也可以人工请求打印。

(6)数据通信

该系统与1级基础自动化系统之间采用网络通信，数据交换内容包括生产过程数据、设备信息、设定值等。该系统留有与炼铁厂3级生产管理计算机系统的通信接口。

四、结束语

该项目于2005年3月正式投运，运行情况良好。武汉钢铁工程技术集团自动化有限责任公司首次在高炉的自动化系统上采用SIEMENS公司PCS7系统来完成整个高炉的系统控制，即高炉原料称量配料和原燃料传输、无钟炉顶、热风炉系统、高炉本体系统控制等。原料系统根据过程计算机下达的原料配方进行上料准备，自动完成炉料配备、补偿控制，并可在高炉赶料时完成特殊上料工作。无料钟炉顶系统则可完成多环布料、定点布料、螺旋布料等功能，并控制整个无料钟炉顶设备的工作。热风炉系统则负责热风炉的控制工作，可实现几座热风炉的交错送风、热并联送风等多种工作制度，并完成热风炉系统的仪表量采集和自动控制工作。高炉本体系统则主要完成高炉本体各种温度、压力、流量的检测和数据采集以及热风炉、风口区等的水冷检测与控制系统的工作。采用SIEMENS公司生产的E70变频器完成高炉炉顶布料的速度控制、下料开度和角度的精确控制，电气控制系统达到当今世界先进水平。该项目，不仅时间短，技术难度大，而且也是整个工厂的咽喉，此项目是否成功，直接影响全厂目标的实现，经过多方的努力，该项目现场调试一次试车成功。该项目不仅培养、锻炼了技术队伍，而且也证明武钢自动化公司技术人员能完成如此复杂的控制系统的开发工作，同时再一次证明SIEMENS公司PCS7系统适应性广，具有推广应用的价值。

五、应用体会

武钢自动化公司首次在高炉上采用SIEMENS公司的PCS7系统，其优点是把STEP7和WinCC很好地集成在一起，将过去的电气系统和仪表系统分散控制变为集中控制，对于整个系统的开发和日后的维护使用非常方便。SIMATIC PCS7克服了系统间的许多障碍：计算机领域和DCS/PLC之间的障碍，控制和监视之间的障碍，集中式和分布式自动化结构之间的障碍，生产制造和工艺过程间的障碍。拥有真正灵活、集成化系统的全部优点。工程师站配备丰富的相关软件，可完成在线，离线组态或修改等，组态、编程方便；并完成工艺生产过程中各种参数的采集、处理，过程回路控制，马达顺序逻辑控制等。系统具备丰富的功能模块，可以完成复杂计算和特殊控制功能；而且具有自诊断功能和在线，离线组态功能。系统包含现成的经全面测试的功能块和功能强大的编辑及复制功能的标准化程序库，能经济地复用自动化方案。通过网络设备，控制系统能与全厂信息管理网联网，从而节省调试时间，节约费用。