PLC控制在燒結生產過程中的應用

1 引言
燒結生產是鋼鐵生產中的重要環節，它包括原料，配料，混料，燒結和成品系統等幾方面。原來的系統采用簡單的單回路儀表控制，無法實現對生產過程的有效控制。這里我們采用PLC對其進行控制，能夠取得較好的控制效果。
2 原料控制系統
(1) 熔劑系統
熔劑系統負責向配料系統提供消石灰、白云石、石灰石等原料。系統依有無上料要求來判斷料線是否運行。由于三種物料共用一條主料線，因此設計了許多保護與判斷功能，用來防止混料;
(2) 鐵料系統
鐵料系統負責向配料系統提供鐵料。小車自動找到要上料的物料槽之后，向料線發啟動信號，鐵料倉庫給料圓盤則與當前要上料的品種號進行比較，結果相同的圓盤啟動給料，反之停車。當需要更換上料品種時，當前工作圓盤離線，料線保持運行，使原物料卸光，然后小車行至目標槽，新的物料開始給料。若換槽而不換品種，則小車可帶料行走，料線不發生變化;
(3) 燃料系統
燃料系統負責向配料系統提供煤粉，由三段組成，每一段料線流程的動作均依各段料線終點處卸料小車的位置和各受料料槽料位的變化情況而自動決定小車的行進目標與料線的啟停。
原料系統的三個系統具有料線聯鎖、卸料小車自動／手動卸料、自動尋找物料對應關系和物料品種切換關系，自動找槽定位等功能。
3 自動配料系統
3.1 系統的工藝要求
配料系統的主要任務是按燒結機對物料的需求量，計算、分配、控制原料礦槽的下料量，以保證物料平衡和化學成分符合要求。工藝上對控制系統的要求是:
(1) 實現各配料秤和集料皮帶機的順序起停、單機起停和同時起停;
(2) 實現各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比計算功能
根據總量和各臺秤的配比，計算每臺秤的流量設定值;
(4) 流量計算功能
根據檢測到的重量信號和皮帶速度信號，計算一段時間內物料的平均流量，以此平均流量作為反饋量進行PID調節;
(5) 報警功能
對經常出現的故障如堵料、皮帶打滑、電機過流過載等進行聲光報警，出現堵料情況時，要求自動起動礦槽上的振動器電機，恢復下料后自動停振;
(6) 熱備功能
要求兩個系統的兩臺上位機具有熱備功能，即每一臺上位機可同時對兩個系統的下位機(PLC)進行監控;
(7) 報表打印功能
人工干預和定時打印各種時報、班報、月報等報表;
(8) 停電保護功能
停電后再次供電時，系統進行初始化復位，保證各臺設備均處于停機狀態，以防人身事故和設備事故的發生。
3.2 控制系統的組成
控制系統示意圖如圖1所示。控制設備選用德國SIEMENS公司的PLC系列可編程序控制器。每一配料系統都配有一臺上位機和一臺下位機。通過數據通訊網絡，彼此相連。下位機的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可編程控制器，上位機采用臺灣研華公司的工業控制機IPC。

圖1 控制系統結構圖

系統配置的軟件有S7-400編程軟件和SIMATIC WinCC全面開放的新一代人機界面監控軟件。STEP 7-400用于PLC的編程、調試和生成各種程序文檔，SIMATIC WinCC用于實現人機接口功能。
3.3 檢測和控制原理
系統自動調節原理如圖2所示。

圖2 調速系統原理圖

物料重量通過荷重傳感器檢測，并轉變為與之成正比的直流毫伏信號，再通過直流毫伏變送器變換為直流4～20mA信號，送到A/D模板。皮帶秤電機轉速由直流測速發電機測量，測速發電機輸出的直流電壓經電阻分壓網絡降壓，得到與轉速成正比的直流0～5V信號，送到A/D模板。假設某一時刻，皮帶秤有效稱量段上的物料重量為W，皮帶的線速度為V，有效稱量段長度為L，則該時刻物料的瞬時流量為
F=1/L×W×V (1)
根據式(1)，可以計算每一采樣時刻的瞬時流量，并進一步計算一段時間內的平均流量。將其與操作員通過鍵盤輸入的流量給定值比較，然后進行PID調節運算得到控制量，最后通過D/A模板輸出4～20mA的直流信號，控制變頻器改變輸出頻率，從而改變電機轉速，達到改變物料流量的目的。

3.4 系統軟件設計
SIEMENS公司的STEP7系列指令系統功能非常強，不僅有豐富的用于斷續控制的指令，而且有很多運算和控制指令，如PID控制指令，數據類型近十種，包括整型、實型等等，這給編程帶來很大的方便。
控制軟件采用梯型圖語言編制。編程時，遵循軟件工程規范，根據結構化、模塊化原則，把功能相對獨立的部分編制為一個子程序，盡量減少子程序之間的聯系，主程序依據不同條件調用各個子程序，完成相應的功能．軟件部分包括:
(1) 主程序;
(2) 順序控制;
(3) 流量計算;
(4) 配比計算;
(5) PID調節;
(6) 故障處理。
另外，上電復位時，CPU自動調用故障例行子程序，完成上電保護功能。
在上述各個子程序中，流量計算中的數字濾波子程序非常重要。假如直接以瞬時流量作為反饋量進行PID調節，那么由于物料流波動很大，經常造成瞬時流量大幅度變化，使調節過程不易平穩。因此，我們利用數字濾波子程序計算平均流量并以此作為反饋值。

4 燒結系統
燒結機子系統將混合料經點火爐點火燃燒，機上冷卻成燒結礦并破碎，使其成為合格的高爐原料。它是系統的核心，除了滿足工藝的常規流程控制外，主要還有下列模擬量控制:
(1) 鋪底料圓輥調速
控制鋪底料料層厚度，采用比率調節;
(2) 混合料圓輥調速
控制燒結機料層厚度，采用比率調節;
(3) 鋪底料給料機調速
預估鋪底料礦槽料位的變化，調節鋪底料料流量;
(4) 冷卻終點控制
通過調節燒結機機速，使冷卻終點溫度控制在一個人為的設定值范圍內;
(5) 爐溫調節
串級加比值調節，溫度調節器的輸出作為煤／空回路的串級輸入，溫度環采用PID調節，煤／空回路采用PI調節并按一定的工況所設定的比值自動跟蹤;
(6) 物料平衡
使混合料槽物料的進入量與燒結機的需求量保持基本平衡，采用模型來計算未來可能需要的總配料量。

5 燃燒自動調節系統及其性能指標
燒結燃燒系統是燒結工藝中影響產品產量和質量最直接和最關鍵的環節，為了穩定生產并保證燒結質量，燃燒自動調節系統由三個分系統組成。
(1) 系統:煤氣總管穩壓自動調節系統
可根據外部煤氣管網工況將總管壓力穩定在4000Pa或4500Pa(根據設定)，因其檢測點距離調節閥較近，滯后小，系統靈敏，階躍響應迅速;
(2) 點火器溫度自動控制系統
通過調節煤氣閥門開度，可控制點火器溫度，恒定在1200℃的設定值上。
(3) 空氣／煤氣比例隨動自動跟蹤控制系統
通過調節空氣調節閥閥門開度，使進入點火器的空氣流量自動按設定的空／煤比系數跟蹤煤氣流量。
6 成品處理系統
成品處理子系統負責把燒結礦按粒度分類，一部分成品送高爐，一部分返回燒結機作鋪底料，不合格品返回配料系統參與混合料配比。
除流程聯鎖控制外，本系統還有篩分(雙層振動篩)流向選擇控制，燒結礦送高
爐流向控制。系統根據高爐的操作條件，一旦確認是要料，燒結礦便能按控制的流向到達目的地。同時，無論何時高爐輸料皮帶發生故障，系統在幾秒鐘內便能響應，停止相應的流程并保證其它流向正常工作。
7 卸灰系統
卸灰子系統負責將燒結結礦中的不合格品以及除塵系統收集的粉塵送往配料系統參加配料，以改善混合料的造球性能。本系統除了控制輸料皮帶和卸灰設備按一定的“松散”關系聯鎖外，還控制燒結機下人煙道兩側的雙層卸灰閥按一定的部位和時間卸灰。
控制卸灰閥的時間是一條“環形”脈沖帶，它把均勻分布在左右煙道兩側的卸灰閥按高低序號向中間逼近的方法，定時啟動卸灰，這保證了煙道卸灰的均勻性和具有一定的負壓。
8 鋪底料系統
鋪底料子系統用來向燒結機提供均衡的鋪底料，用以改善混合料在燒結過程中的透氣性并對臺車爐篦起一定的保護作用。
該系統具有較大的獨立性。通過與燒結機通訊，給料設備供給的鋪底料使鋪底料礦槽保持一定的料位。
9 結束語
本系統在武鋼燒結廠自投產運行以來，所設計的功能均已投入使用。無論在精度、穩定性及其它一些控制系統質量指標方面，均能達到滿意的效果。特別是配料總量自動跟蹤、混合料加水控制和小容量礦槽物料平衡控制對保證工況正常，提高產品產量、質量發揮了良好的作用，又由于編程主要采用了梯形圖語言，使得用戶容易掌握，因而受到了用戶熱忱的歡迎。
另外，在降低工人的勞動強度，改善生產環境等方面也取得一定的成效。值得大力推廣。