西门子S7-400H冗余系统在大型高炉自动控制系统的应用(4)

三、控制系统完成的功能

1．控制系统功能实现

(1)自动上料、自动布料功能设计

高炉自动化系统中，上料和布料控制非常重要，而且也必需依靠自动控制进行上料、布料操作；人工操作不仅劳动强度大，而且也不能满足高炉生产的节奏要求。上料控制程序要实现自动读取上料周期表的设定值，按照周期表设定值完成每次排料后各种物料的称量，并对每种料累计称量误差给予补偿。称量完成后，等待炉顶的“排料允许”命令，一接到炉顶排除允许命令，就根据周期表指针的值确定所要排的料种（焦碳或矿石）。在全部选定称斗均称量完毕，并且前次排料跟踪值满足排料间隔的距离要求，则启动本次排料功能，按照取出的本次排料的顺序要求进行排料。一启动排料，就读取周期表中下次需要称量的设定值，并做每个称斗排料完成的判断，排料完成以及本来就无料的称斗再次启动称量功能。做全部称斗排料完成的判断，本批料排出完毕则进行周期表指针步进，进行下一批料的读取。上料程序中还要完成随时出现的“插焦”、“提前排焦”的命令，这些命令打乱了原来周期表的读取操作，需特殊处理。另外，称量过程中还需要对“称量禁止”、“称量允许”、“排料禁止”、“排料允许”“排料平铺”“赶料”等命令作出处理。整个上料过程，物料随传送带移动，物理的位置采用模拟跟踪的方式，排料的品种、重量等数据也随模拟的料流一起上传到炉顶处理器，作为炉顶布料的依据。在布料控制中，需要具备“多环”、“扇形”、“定点”布料功能，以及对榴槽布料倾角和转角、料流调节阀打开角度的控制。高炉上料和布料控制程序是比较复杂的，使用高级语言编写在程序结构以及程序的流畅性、可读性方面存在很大优越性。西门子公司STEP7提供的SCL(StructuredControlLanguage)编程语言是一种类似Pascal的高级编程语言，符合IEC1131-3标准。采用SCL语言编制上料和布料的核心控制程序，不仅提高了程序编制的效率，而且在程序结构、可读、可修改性方面具有很强的优越性。

(2)模拟量自动控制

在高炉生产中，有很多需要实现自动调节的工艺控制参数。例如：热风炉系统的煤气与助燃区的自动配比流量控制、煤气总管压力控制、助燃风总管压力控制、冷却风温度控制、高炉本体系统的顶压控制、氮气流量控制、风温度控制等。模拟量控制的类型涵盖温度、压力、流量。在设计中通过采用西门子公司STEP7中内置的功能块“FB41ContinuousControl”并辅以程序判断、条件执行，就能够实现灵活的智能PID控制，实现温度、压力、流量这些惯性不同的调节变量的较高的控制指标，且应用起来简单易行。在实际应用中，功能块的各项参数需与传统PID调节理论结合理解。模拟PID调节器的运算规律如下：

图4所示是上料控制的主操作界面。

图4上料控制的主操作界面

“FB41”是在模拟PID调节器原理上，通过计算机算法构成的标准模块。通常将“FB41”放在定时中断组织块中实现，并且设置定时中断的时间参数与“FB41”中“CYCLE”变量的时间值相同，以确保功能块计算的正确性。这个时间值针对不同的控制变量是不同的，针对温度控制变量，由于它的惯性滞后较大，可以设置较大的数值，提高控制稳定性；针对压力控制变量，由于它的惯性小，需设置较小的数值，以加快系统的反应速度，提高控制品质。“FB41”中“DEADB_w”参数的大小决定控制精度与控制稳定性的选择，在达到工艺控制要求的情况下，增加“DEADB_W”数值，可以减少执行机构的波动，延长执行机构的寿命。通过设置“LSEL”、“D_SEL”参数为1或o将控制特性组合为PI、PD、PID运算调节器。

高炉顶压是高炉生产中很重要的技术指标，顶压调节通过由4个调节阀组成的阀组实现。高炉顶压控制需达到小于2kPa的超调量以及在紧急情况下阀组在3s内安全快速打开的工艺要求。在执行机构的选择上采用控制精度高的伺服比例阀与三位四通电磁阀组合的液压传动。控制算法采用PID．通过引入微分D来提高顶压调节的动态特性，降低布料过程对顶压形成的冲击。顶压设计两个检测值，分别取自炉顶对角上升管，程序设计中需对两个顶压检测值分别做正确性判断，避免由于压力变送器或线路的故障造成顶压控制的误动作。当操作人员在人机界面上操作“阀组阀门快速打开”命令以及顶压检测值超过安全设定值时，控制程序同时启动伺服比例阀与电磁阀，确保调压阀组快速打开。当处于正常的顶压调节控制时，电磁阀处于保位状态，由伺服比例阀控制阀门动作。阀门的位置反馈信号取自液压缸的磁致伸缩传感器，在控制程序中需编制针对伺服比例阀位置执行的闭环控制程序，形成对伺服比例阀的输出电压的调节，完成阀门的快速定位。伺服比例阀位置执行的闭环控制程序等同于传统仪表控制单元中前置磁伺服放大器的作用，只不过是通过软件实现的，功能灵活并且节约了投资。