ABB Industrial^IT AC800F系統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均采用ABB公司的AC800F系統。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控制系統的高爐自控系統的組成，高爐槽下裝配料、無料鐘爐頂控制系統進行了系統的闡述，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，已有90多年的建企歷史，前身是創建于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。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、發電機組11臺，已經形成生鐵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”。

宣鋼在發展壯大、做精做強的歷程中，始終緊跟時代步伐，實現了經濟效益與社會效益的協調發展。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”稱號，獲河北省政府頒發的“河北省質量管理獎”，2008年獲“河北省zui 具社會責任感企業”稱號，2009年獲“全國鋼鐵工業先進集體”稱號，2010年榮獲全國“實施績效模式先進企業”、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”、張家口市“先進基層黨組織”等榮譽稱號。

在新的發展進程中，宣鋼堅持科學發展、依法發展、安全發展、和諧發展，創建“管理*、隊伍*、產品*、環境*”科學發展示范企業，打造“國內領 先、*”精品長材基地，為我國鋼鐵行業實現更好更快發展做出積極貢獻。

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，該系統以其迅捷、安全通訊網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，此套系統曾在宣鋼小型高爐上及高爐噴煤系統中得到很好的應用。技術人員對該系統也具有一定的維護經驗，技術人員結合控制需求，還大膽的采用Profibus DP技術使AC800F控制系統與TURCK現場總線控制結合，既節約了成本投入也方便了維護，這是AC800F系統在國內大型高爐的應用。

2 應用工藝流程介紹

2．1控制系統硬件的設計

高爐的自動化系統的組成主要包括：槽上、槽下、爐頂、高爐本體、熱風爐、噴煤和循環水，它們各自獨立過程站，以工業以太網總線型拓撲結構建立，實現工作站之間、上位機之間數據的傳遞，通訊速率可達100Mbit，使得通訊網絡更加迅捷、安全。為保證過程的安全、連續、穩定生產，全系統控制站和電源均采用冗余配置。每對控制器所帶I/O點數控制在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，任何一臺出現故障時，其功能都可以在其它操作站上實現；配套系統可以將循環水、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接入主控室，并在操作站上對所有這些信號可實現顯示、控制、存檔、報表等功能。高爐工程基礎自動化系統配置圖如下圖所示。

2.2 高爐槽下過程站

槽下供料系統由礦槽、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、通風除塵設施、液壓站及潤滑系統等組成。供礦系統設置有燒結礦槽、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，然后經主皮帶運至爐頂料罐。篩分后的返礦經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，然后經主皮帶運至爐頂料罐。篩分后的返焦經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，原則上為連續運轉設備。

主皮帶為連續運轉設備。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，發出停給料機命令；

（5）FLOW:發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 并罐無料鐘爐頂的檢測與控制

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、潤滑系統及風冷水冷系統。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布料完成信號，步數步進。 溜槽既可實現多環往返布料，還可實現扇形和定點布料。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的自動化程度和精度，又簡化了系統。

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：根據下罐中物料的重量（凈重）W，布料總圈數m，計算其料流量Q，根據通過現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：當稱量系統出現故障或檢修時使用。物料重量是根據設定料重或從槽下稱量得到的該批料重，設定總圈數，算出料流量，再根據料流曲線表格查出（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。

編程人員根據控制需求和現場經驗，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，通過以太網通信，交換的數據較多。

2.5 槽下至爐頂傳送的數據

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,發出料罐裝料完成信號。

槽下到爐頂傳送的其它數據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據

要料信號：下密開到位，料流非關，則向槽下發出要料信號，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

煉鐵工藝的實現必須滿足電氣、儀表和計算機網絡資源共享，實現EIC三電一體化；編程及控制統一，能在同一個網絡上，通訊方便，系統開放性好，采購成本較低，性價比高的特點。為此Industrial^IT AC800F控制系統以其靈活的通訊協議配置，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的。

4 控制系統方案及結構概述

為保證高爐生產過程的安全、連續、穩定生產，過程控制站、網絡系統、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網配置，通訊速率可達100Mbit，使得通訊網絡更加迅捷、安全。高爐按區域共設置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，任何一臺出現故障時，其功能都可以在其備用操作站上實現，并在操作站上對所有這些信號可實現控制、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版本組態軟件，運行在 Windows XP sp2系統下。工程師站使用以太網與過程站及操作員站進行通信，可以實現硬件編輯、過程站編程調試、操作員站組態。

ABB AC800F CBF9.1軟件不僅可用于過程站編程組態，還可以完成操作員站畫面、記錄與歸檔信息的組態；同時還是一種高性能的過程調試工具。AC800F  CBF9.1建立統一的數據庫，支持同一個項目下所有資源的調用，真正實現了數據共享；豐富的功能模塊庫，用于實現不同的控制、通訊及運算的需求。此外，還支持用戶自定義接口，根據用戶要求開發功能塊即用戶自定義功能塊，方便用戶組態；支持現場總線設備的數據讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標準 IEC 1131-3*兼容,可以根據用戶實際控制要求，任意選用 FBD、LAD、IL、SFC 等編程方式。系統具備大量標準功能塊及功能子程序，如調節塊具備標準、比率、步進、2位、3位、變參數等功能塊供用戶根據實際情況選用。ABB AC800F CBF9.1軟件支持離線編程及在線修改參數，被修改的參數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現場的DELL計算機。操作員站安裝 DIGIVIS軟件，中文語言,軟件運行環境為 Windows XP操作系統。操作員站使用以太網與過程站及其它設備進行通信，操作員站之間數據及畫面*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。此系統還可實時診測顯示：系統總貌、系統過程站和系統模件三大部分，診斷狀態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，畫面可以進行靈活操作，支持FTP協議數據遠傳功能；DIGIVIS還可以實現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，確保數據同步，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總線替代了來自現場傳感器與執行器的昂貴的信號傳輸線。

D、過程站采用赫斯曼環網交換機通過環形光纖以太網與操作員站及其它設備進行通信。環形光纖以太網采用全局數據庫,所有變量及標簽均可以在環形光纖以太網范圍共享。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的可靠性比傳統的DCS系統有很大提高。主要技術指標有：

a、 AC800F中央控制器中預裝有冗余軟件，用戶在組態時可*忽略其冗余特性，象對非冗余系統組態一樣只需輸入用戶程序。

b、事件驅動同步功能,對于執行后能引起 兩個冗余 CPU的內部狀態不同的所有命令，如更新過程映象區，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  工藝過程的實現及運行效果

高速以太網、Profibus DP/PA等幾種協議的靈活應用,使系統方便地與其它PLC或現場總線儀表互連,實現系統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，生產事故的發生。“熱態備用”的冗余概念使得設備故障處理速度快，實現了設備信息的自動化、網絡化。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，收到了可觀的經濟效益。

6    應用體會

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

6.1、通訊環路的迅捷和安全

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

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、穩定生產，全系統控制站處理器和電源均采用冗余配置。配套系統配置的操作員站,可互做冗余使用，任何一臺出現故障時，其功能都可以在其它操作站上實現； AC800F硬件采集的各類模擬信號數據準確、誤差小，而且信號質量好，故障率低。

7 意見及建議
   AC800F控制系統來對高爐生產的穩定起到了至關重要的作用，但是隨著公司ERP二級網絡的升級，基礎自動化逐漸與管理層建立了數據交換接口，數據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。