ABB Industrial^IT AC800F系統(tǒng)在宣鋼大型高爐的生產實踐

——北京杰斯曼 

摘要:

宣鋼共有四座1800M3以上的大型高爐,除4#高爐之外，其它三座高爐的自動控制系統(tǒng)均采用ABB公司的AC800F系統(tǒng)。高爐配置為皮帶上料，并罐無料鐘爐頂，很大程度上提高了高爐的利用率。本文將對采用AC800F控制系統(tǒng)的高爐自控系統(tǒng)的組成，高爐槽下裝配料、無料鐘爐頂控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的闡述，供廣大技術人員共同學習和探討。
關鍵詞：ABBIndustrial^IT AC800F   Profibus DP總線   并罐無鐘爐頂 

1 項目簡介

宣鋼公司是河北鋼鐵集團的骨干企業(yè)，已有90多年的建企歷史，前身是創(chuàng)建于1919年的龍煙鐵礦股份公司。新中國建立初期，宣鋼是*批恢復生產的大型冶金企業(yè)。2008年6月，宣鋼公司加入河北鋼鐵集團有限公司。宣鋼公司主要生產裝備有高爐5座、轉爐5座、軋鋼生產線9條、焦爐6座、發(fā)電機組11臺，已經(jīng)形成生鐵800萬噸、鋼820萬噸、材660萬噸的生產能力。主要產品為線材、棒材、型材、帶鋼，其中熱軋帶肋鋼筋、熱軋鋼帶、熱軋圓盤條等產品榮獲“河北省產品”稱號，熱軋帶肋鋼筋、熱軋等邊角鋼、熱軋槽鋼、熱軋圓鋼等產品榮獲國家“冶金產品實物質量金杯獎”。

宣鋼在發(fā)展壯大、做精做強的歷程中，始終緊跟時代步伐，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益與社會效益的協(xié)調發(fā)展。宣鋼2004年獲“全國五一勞動獎狀”，2007年獲“全國*勞動關系和諧企業(yè)”稱號，獲河北省政府頒發(fā)的“河北省質量管理獎”，2008年獲“河北省zui 具社會責任感企業(yè)”稱號，2009年獲“全國鋼鐵工業(yè)先進集體”稱號，2010年榮獲全國“實施績效模式先進企業(yè)”、全國“講理想、比貢獻”活動先進集體、全國“廠務公開民主管理先進單位”、河北省政府質量管理獎、“河北省誠信企業(yè)”、張家口市“先進基層黨組織”等榮譽稱號。

在新的發(fā)展進程中，宣鋼堅持科學發(fā)展、依法發(fā)展、安全發(fā)展、和諧發(fā)展，創(chuàng)建“管理*、隊伍*、產品*、環(huán)境*”科學發(fā)展示范企業(yè)，打造“國內領 先、*”精品長材基地，為我國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)更好更快發(fā)展做出積極貢獻。

宣鋼共有四座1800M3以上大型高爐。其中1800M3高爐一座、2500M3高爐兩座、2000M3高爐一座，除1800M3高爐以外，其它三座高爐均采用ABB AC800F控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以其迅捷、安全通訊網(wǎng)絡配置和操作界面人性化、直觀簡便，合理布局等特點，得到用戶的認可和高度評價，此套系統(tǒng)曾在宣鋼小型高爐上及高爐噴煤系統(tǒng)中得到很好的應用。技術人員對該系統(tǒng)也具有一定的維護經(jīng)驗，技術人員結合控制需求，還大膽的采用Profibus DP技術使AC800F控制系統(tǒng)與TURCK現(xiàn)場總線控制結合，既節(jié)約了成本投入也方便了維護，這是AC800F系統(tǒng)在國內大型高爐的應用。

2 應用工藝流程介紹

2．1控制系統(tǒng)硬件的設計

高爐的自動化系統(tǒng)的組成主要包括：槽上、槽下、爐頂、高爐本體、熱風爐、噴煤和循環(huán)水，它們各自獨立過程站，以工業(yè)以太網(wǎng)總線型拓撲結構建立，實現(xiàn)工作站之間、上位機之間數(shù)據(jù)的傳遞，通訊速率可達100Mbit，使得通訊網(wǎng)絡更加迅捷、安全。為保證過程的安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產，全系統(tǒng)控制站和電源均采用冗余配置。每對控制器所帶I/O點數(shù)控制在800點左右，高爐主控室部分設置1臺工程師站,操作員站可互做冗余使用，任何一臺出現(xiàn)故障時，其功能都可以在其它操作站上實現(xiàn)；配套系統(tǒng)可以將循環(huán)水、噴煤、槽下、槽上和TRT、水沖渣等處重要設備運行情況和生產工藝參數(shù)接入主控室，并在操作站上對所有這些信號可實現(xiàn)顯示、控制、存檔、報表等功能。高爐工程基礎自動化系統(tǒng)配置圖如下圖所示。

2.2 高爐槽下過程站

槽下供料系統(tǒng)由礦槽、焦槽、給料機、振動篩及稱量設備、皮帶運輸機、燒結及球團返礦倉、礦石焦炭除鐵器、碎焦分級及焦丁回收系統(tǒng)、通風除塵設施、液壓站及潤滑系統(tǒng)等組成。供礦系統(tǒng)設置有燒結礦槽、球團礦槽、塊礦槽和雜礦槽。燒結礦、球團、塊雜礦在槽下按設定矩陣表一次篩分后分別入相應的稱量斗，并按裝料程序向供礦皮帶卸料，然后經(jīng)主皮帶運至爐頂料罐。篩分后的返礦經(jīng)碎礦皮帶運至篩分樓再次篩分，篩出的粒礦分別入粒礦倉待用，礦粉運回選燒。供焦系統(tǒng)設置有焦炭槽。焦炭在槽下篩分后分別入相應的稱量斗稱量，并按裝料程序向供焦皮帶卸料，然后經(jīng)主皮帶運至爐頂料罐。篩分后的返焦經(jīng)碎焦皮帶運至篩分樓再次篩分，篩出的焦丁分別入焦丁倉待用，焦粉由汽車運回焦化廠。焦丁、粒礦合理配比稱量后由焦丁、粒礦皮帶運往主皮帶與礦石一起混裝至爐頂料罐。

2.2.1供料皮帶與上料主皮帶

供料皮帶分為供焦和供礦皮帶，設計為雙傳動裝置，一用一備，平常為一組傳動裝置驅動，一旦一組傳動裝置出現(xiàn)故障，另一組傳動裝置及時嚙合，以爭取zui短時間內恢復正常運轉。由于供礦、供焦作了兩條皮帶，原則上為連續(xù)運轉設備。

主皮帶為連續(xù)運轉設備。主皮帶上設置A、B 二個檢測點。A點為爐頂上料罐卸料（上一批）及閘門動作指令點，即當料到達A點發(fā)出有關設備動作的指令，以作好受料的準備；B點檢測爐頂設備動作是否完成，即料到達B點時有關爐頂設備的動作必須完成，否則主皮帶自動停車，以避免裝料事故的發(fā)生。主皮帶由兩組傳動裝置驅動，每組兩臺電機，即使某一臺電機停止工作，也不影響主皮帶正常運轉。此外，主皮帶還設有防跑偏、防撕裂、防打滑、防堵料的報警及皮帶測速、料位跟蹤、安全拉線開關等裝置。

2.2.2稱量及稱量補償

高爐配料誤差通常由以下兩個因素產生。其一，稱量斗放完料后邊角掛料，放不干凈；其二，振動篩的沖量。為了保證高爐上料的準確性,上料時必須把誤差降到zui小,這就需要進行補償。補償模型的建立與下列幾個量有關：

（1）SSZ：振動篩停止振動后，計算機采集到的料滿后的稱量值，稱為實篩值；

（2）O_SP：人工設定的每斗重量；

（3）HH_W:計算機發(fā)出料空信號，稱量斗閘門關好后采集到的稱量值為稱量值；

（4）TSZ:停篩值，發(fā)出停給料機命令；

（5）FLOW:發(fā)出停給料機命令振動篩上剩有的沖量；

（6）WCZ上一批料的設定值與實際值的偏差值

    由以上定義可知：WCZ=O_SP-SSZ-HH_W

                TSZ=O_SP-FLOW-WCZ

    當稱量斗中的料達到停篩值TSZ時，給料機就會停止運行，剩余的量由振動篩上的沖量補滿。實踐證明，在外部設備不變的情況下，沖量是不變的。通過這樣的設計,槽下拉料精度很高，為高爐出鐵的質量奠定了良好的基礎。

2.2.3焦炭水分的測量設計

焦炭水分的測點共有兩處，分別裝在高爐槽下的1＃、3＃焦炭稱量斗下側，用來實時測量焦炭的水分情況。設計選型為北京首冶儀器儀表有限公司TSY-5中子水分儀，它采用中子射線探測及計算機研制開發(fā)的新型智能核儀表。適用于在線快速測量物料的水分含量，有標準的4－20mA的電流信號輸出接口，能很方便地與模擬量輸入模塊連接，可達到及時對物料進行水分補償或控制生產的目的。中子水分儀的量程為0%-20%。按線性轉換，其轉換公式為：

Y=80*X+4

    式中，Y為中子水分儀輸出的電流信號，mA;X為焦炭水分百分比。

2.3 并罐無料鐘爐頂?shù)臋z測與控制

并罐無料鐘爐頂所控制的設備主要有：上料閘、上密閥、下料罐、均壓放散閥、一均、二均、下料閘、下密閥、布料溜槽、探尺、爐頂放散閥等設備，除布料溜槽、探尺為電機傳動外，其余設備均采用液壓傳動，為此配備了爐頂液壓站、潤滑系統(tǒng)及風冷水冷系統(tǒng)。料指令下達后，打開均壓放散閥卸壓，隨后開啟上密封閥及上料閘，將上罐中爐料裝入下罐。裝料完畢，關閉上料閘、上密封閥和均壓放散閥，并向下罐均壓。探尺探料降至規(guī)定料線深度，隨即提升到位后，打開下密封閥及下料閘，用下料閘的開度大小來控制料流速度，爐料由布料溜槽布入爐內。布料溜槽每布一批料后發(fā)布料完成信號，步數(shù)步進。 溜槽既可實現(xiàn)多環(huán)往返布料，還可實現(xiàn)扇形和定點布料。每罐料布完后，依次關閉下料閘和下密封閥。

2.3.1下料閘的控制

高爐采用比例閥來對下料閘進行控制。比例閘是由比例電磁鐵取代普通液壓閥的調節(jié)和控制裝置而構成的，它可以按給定的輸入電壓或電流信號連續(xù)地、按比例地、遠距離地控制流體的流量，采用比例閥既提高了系統(tǒng)的自動化程度和精度，又簡化了系統(tǒng)。

確定下料閘的開度有給定時間法和計算時間法。給定時間法用給定時間布完一定數(shù)量的爐料來確定料流開度，計算時間法用矩陣給出的時間布完一定數(shù)量的爐料來確定料流的開度。宣鋼10#高爐采用給定時間法，這樣上料操作工可以隨時更改下料閘的設定角度，以滿足生產的需要。

程序中自動開下料閘的條件:下密開到位、上密關到位、料滿、無禁止布料、下密開到位、上料閘無開命令；自動關下料閘的條件：料空、料流開到位、延時5秒關閉。

2.3.2傾動和回轉的控制

傾動由交流異步電機控制，調速裝置是西門子變頻器6ES7系列，為一備一用，當任何一臺出現(xiàn)故障時，另一臺能馬上投入使用。傾動速度為1.6º/s,正常的傾角范圍為2º-53º。當傾動設定角度與實際角度的誤差在大于5º時，由控制站輸出高速命令，當設定角度與實際角度的誤差在小于5º時，由控制站輸出低速命令，當設定角度大于實際角度時，且兩者的差大于0.85º，由控制站輸出傾動上傾命令；當設定角度小于實際角度時，且兩者的差大于0.98º,由控制站輸出傾動下傾命令。                 

傾動找角有兩種方法：

（1）重量法：根據(jù)下罐中物料的重量（凈重）W，布料總圈數(shù)m，計算其料流量Q，根據(jù)通過現(xiàn)場測試得到的料流曲線矩陣表格（不同物料，不同料流量與下料閘開度的關系）查出（或算出）下料閘開度。若設定某一傾角位置布n圈料，則為n/m份料，當稱量系統(tǒng)顯示在該圈上布完W·n/m 重量的物料時，傾動開始傾到下一傾角。                              （2）時間法：當稱量系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時使用。物料重量是根據(jù)設定料重或從槽下稱量得到的該批料重，設定總圈數(shù)，算出料流量，再根據(jù)料流曲線表格查出（或算出）下料閘的開度。若在某一傾角位置布n圈料，則7.5n秒時間后傾動便步進到下一傾角位置。

編程人員根據(jù)控制需求和現(xiàn)場經(jīng)驗，采用了時間法，滿足了生產要求。

     回轉由旋轉電機控制，其旋轉速度為8r/min，設置有六個旋轉顯示方位，即0º、60º、120º、180º、240º、300º，使操作人員隨時能觀察到溜槽旋轉到達的方位。

程序中自動轉回轉的條件為：、畫面選擇環(huán)形布料、探尺上極限位、下罐料滿、傾動到位、下密壓緊開到位。自動停回轉的條件為：畫面選擇環(huán)形布料、下罐料空、下密關到位、料流關到位。

2.4 爐頂與槽下系統(tǒng)的通訊

槽下配好料后，通過主皮帶向爐頂供料，兩者緊密相聯(lián)，通過以太網(wǎng)通信，交換的數(shù)據(jù)較多。

2.5 槽下至爐頂傳送的數(shù)據(jù)

料頭到A點：槽下選中的稱斗*個閘門開，選時45S,料頭進入主皮帶，延時50S,料頭到檢點信號發(fā)出，爐頂設備開始動作，開均放。

料頭到B點：槽下選中的稱斗*個閘門開，選時45S,料頭進入主皮帶，延時80S,料頭到檢點信號發(fā)出，如果料罐上密關，翻板沒到到位，則自動停主皮帶，否則容易發(fā)生堵料事故。

料尾到B點：槽下選中的zui 后一個稱斗放空，延時60S，料尾進入主皮帶，延時2m,發(fā)出料罐裝料完成信號。

槽下到爐頂傳送的其它數(shù)據(jù)主要有料的品種及重量信號、槽下配料表中當前運行的步號、料的品種及重量信號。

2.6 爐頂至槽下傳送的數(shù)據(jù)

要料信號：下密開到位，料流非關，則向槽下發(fā)出要料信號，槽下如果具備放料條件，則開始自動放料。

停主皮帶信號：爐頂如遇到突發(fā)事故，可人工按下停主皮帶，此信號傳到槽下，控制停主皮帶。

趕料信號：程序設定兩種上料方式，一種是趕料，一種是不趕料，可以上料工進行選擇使用。在正常生產時，為趕料方式。

3    方案確定

煉鐵工藝的實現(xiàn)必須滿足電氣、儀表和計算機網(wǎng)絡資源共享，實現(xiàn)EIC三電一體化；編程及控制統(tǒng)一，能在同一個網(wǎng)絡上，通訊方便，系統(tǒng)開放性好，采購成本較低，性價比高的特點。為此Industrial^IT AC800F控制系統(tǒng)以其靈活的通訊協(xié)議配置，豐富的功能模塊庫，滿足不同的控制、通訊及運算的需求等特點成為項目實現(xiàn)的。

4 控制系統(tǒng)方案及結構概述

為保證高爐生產過程的安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產，過程控制站、網(wǎng)絡系統(tǒng)、電源均采用冗余配置。過程控制站之間及其與操作員站之間的通訊總線為雙光纖環(huán)網(wǎng)配置，通訊速率可達100Mbit，使得通訊網(wǎng)絡更加迅捷、安全。高爐按區(qū)域共設置12套冗余配置過程控制站, 分別是熱風爐、高爐本體、爐頂上料、循環(huán)水、噴煤、除塵、槽下、槽上、轉運站、水沖渣等，每個過程控制站配置2臺操作員站,系統(tǒng)配置1臺工程師站。操作員站可互做冗余使用，任何一臺出現(xiàn)故障時，其功能都可以在其備用操作站上實現(xiàn)，并在操作站上對所有這些信號可實現(xiàn)控制、顯示、存檔、報表等功能。

4.1工程師站

設一臺工程師站，工程師站在高安裝AC800F CBF9.1版本組態(tài)軟件，運行在 Windows XP sp2系統(tǒng)下。工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及操作員站進行通信，可以實現(xiàn)硬件編輯、過程站編程調試、操作員站組態(tài)。

ABB AC800F CBF9.1軟件不僅可用于過程站編程組態(tài)，還可以完成操作員站畫面、記錄與歸檔信息的組態(tài)；同時還是一種高性能的過程調試工具。AC800F  CBF9.1建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，支持同一個項目下所有資源的調用，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享；豐富的功能模塊庫，用于實現(xiàn)不同的控制、通訊及運算的需求。此外，還支持用戶自定義接口，根據(jù)用戶要求開發(fā)功能塊即用戶自定義功能塊，方便用戶組態(tài)；支持現(xiàn)場總線設備的數(shù)據(jù)讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標準 IEC 1131-3*兼容,可以根據(jù)用戶實際控制要求，任意選用 FBD、LAD、IL、SFC 等編程方式。系統(tǒng)具備大量標準功能塊及功能子程序，如調節(jié)塊具備標準、比率、步進、2位、3位、變參數(shù)等功能塊供用戶根據(jù)實際情況選用。ABB AC800F CBF9.1軟件支持離線編程及在線修改參數(shù)，被修改的參數(shù)具備自動備份功能可以恢復；該軟件還可以在線調試，可以單步運行、跟蹤、仿真調試。

4.2操作員站

操作員站硬件選用適用工業(yè)現(xiàn)場的DELL計算機。操作員站安裝 DIGIVIS軟件，中文語言,軟件運行環(huán)境為 Windows XP操作系統(tǒng)。操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設備進行通信，操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面*可以共享。

DIGIVIS軟件顯示功能支持標準預定義顯示:如總貌顯示、用戶自定義畫面顯示、控制組顯示、趨勢顯示、報警顯示、操作面板顯示、操作記錄列表(實現(xiàn)各種操作的實時記錄)顯示等，用戶自定義流程圖顯示即支持傳統(tǒng)DCS流程圖，軟件具有強大的三維圖形庫可以調用，該庫可以由用戶自行擴充。此系統(tǒng)還可實時診測顯示：系統(tǒng)總貌、系統(tǒng)過程站和系統(tǒng)模件三大部分，診斷狀態(tài)信息在診測畫面上以圖形方式顯示及文字詳細提示；DIGIVIS軟件趨勢顯示功能支持趨勢組態(tài)，畫面可以進行靈活操作，支持FTP協(xié)議數(shù)據(jù)遠傳功能；DIGIVIS還可以實現(xiàn)實時操作記錄及打印。

4.3過程站

A、過程控制站的CPU采用一對PM802作為冗余控制器，控制器之間用一對EI803反線連接，即DigiNetP，確保數(shù)據(jù)同步，無擾切換。

B、每一個控制器都有獨立的電源模塊SD802，雙路24伏供電分別來自兩個電源模塊SD823，每個SD823的220伏又來自于不同的兩段電源跨接的UPS(在線式不間斷電源) ，*實現(xiàn)了電源的冗余備用。

C、控制器與S800 I/O站之間的通訊采用標準的，且容易擴展Profibus DP總線協(xié)議，該總線的通訊速率為1.5 Mb/s，通訊介質采用標準的Profibus DP電纜，其通訊距離為1200米。總線采用低阻抗的雙絞屏蔽電纜，Profibus DP總線替代了來自現(xiàn)場傳感器與執(zhí)行器的昂貴的信號傳輸線。

D、過程站采用赫斯曼環(huán)網(wǎng)交換機通過環(huán)形光纖以太網(wǎng)與操作員站及其它設備進行通信。環(huán)形光纖以太網(wǎng)采用全局數(shù)據(jù)庫,所有變量及標簽均可以在環(huán)形光纖以太網(wǎng)范圍共享。模件具備實時檢測及遠程診測功能。

E、控制站的冗余設計思想。

ABB AC800F過程站采用的冗余控制系統(tǒng)的可靠性比傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)有很大提高。主要技術指標有：

a、 AC800F中央控制器中預裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時可*忽略其冗余特性，象對非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需輸入用戶程序。

b、事件驅動同步功能,對于執(zhí)行后能引起 兩個冗余 CPU的內部狀態(tài)不同的所有命令，如更新過程映象區(qū)，直接訪問 I/O，中斷與報警，定時器的更新等， CPU之間自動進行同步，而不是以特定的時間周期進行同步。

b、冗余的兩個控制器分別安裝在兩個標準機架上，使電源，通訊卡件及 CPU被分成兩個獨立部分。

c、冗余的每個控制器配置一個電源模塊SD802，兩路24伏輸入分別來自兩個*獨立的電源模塊SD823.

5  工藝過程的實現(xiàn)及運行效果

高速以太網(wǎng)、Profibus DP/PA等幾種協(xié)議的靈活應用,使系統(tǒng)方便地與其它PLC或現(xiàn)場總線儀表互連,實現(xiàn)系統(tǒng)間兼容與良好的過渡。過程控制的硬件配置、軟件編程及人機界面(HMI)部分的完備設計制作使得許多設備都實現(xiàn)了自動化的操作和運行，減少了設備的維護工作量，生產事故的發(fā)生。“熱態(tài)備用”的冗余概念使得設備故障處理速度快，實現(xiàn)了設備信息的自動化、網(wǎng)絡化。設備自投運以來，該高爐在生產正常的情況下，每小時的上料可達到9批，由于其配料速度與配料精度的提高，收到了可觀的經(jīng)濟效益。

6    應用體會

宣鋼高爐控制系統(tǒng)采用具有世界較高水平的綜合性開放ABB AC800F DCS控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對高爐整個配套系統(tǒng)工藝生產的監(jiān)視、控制與計量。ABB AC800F控制系統(tǒng)具有靈活的通訊協(xié)議配置，其支持多種協(xié)議標準，使系統(tǒng)方便地與其它PLC或現(xiàn)場總線儀表互連,實現(xiàn)系統(tǒng)間兼容與良好的過渡。自主研發(fā)的軟件也同樣安全可靠和具有實用性。

6.1、通訊環(huán)路的迅捷和安全

ABB AC800F DCS采用先進的快速以太網(wǎng)技術：雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)。分布式 I/O模塊、通過功能強大的實時總線系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)進行通訊，可直接連接基于總線的智能化現(xiàn)場設備。使得通訊網(wǎng)絡更加迅捷、安全。數(shù)據(jù)傳輸快，質量好，因環(huán)路通訊而影響生產的現(xiàn)象從未出現(xiàn)。

6.2、AC800F硬件的安全可靠和可維護性

為保證出鐵過程的安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產，全系統(tǒng)控制站處理器和電源均采用冗余配置。配套系統(tǒng)配置的操作員站,可互做冗余使用，任何一臺出現(xiàn)故障時，其功能都可以在其它操作站上實現(xiàn)； AC800F硬件采集的各類模擬信號數(shù)據(jù)準確、誤差小，而且信號質量好，故障率低。

7 意見及建議
   AC800F控制系統(tǒng)來對高爐生產的穩(wěn)定起到了至關重要的作用，但是隨著公司ERP二級網(wǎng)絡的升級，基礎自動化逐漸與管理層建立了數(shù)據(jù)交換接口，數(shù)據(jù)報表的在線生成和輸出在我公司還沒有建立，因此，建議ABB公司資深的技術專家和工程師幫助我公司盡早實現(xiàn)。