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[摘要]：开铁口机及泥泡是炼铁厂的一种常用设备，用来打开铁口及快速堵铁口，实现现代化高炉炼铁。它们的可靠性和使用性能直接關系到高炉炼铁的生产效率。为了提高劳动生产率，提高经济效益，在银山型钢3200m3高炉炉前自动控制工程的设计上做了充分长远的考虑，引进国内外先进设备与先进技术，全面实现炉前开铁口和堵铁口的自动控制，以适应未来发展的需要。
关键词：自动控制S7-400PLC S7-300PLC
Abstract: the open mouth and mud bubble iron machine is a kind of common iron equipment, used to open mouth and fast iron iron wall mouth, blast furnace ironmaking modernization. Their reliability and performance of blast furnace ironmaking directly related to the production efficiency. In order to improve labor productivity, improve economic efficiency, in YinShan steel 3200 m3 blast furnace in automatic control engineering before fully on the design of looking to the future, and the introduction of foreign advanced equipment and advanced technology, achieve open mouth and iron before furnace iron wall automatic control of the mouth, in order to adapt to the needs of the development of the future.
Key words：Automatic control S7-400 PLC S7-300PLC
中图分类号：TF325.6 文献标识码：A 文章编号：
山东钢铁莱钢银山型钢3200m3高炉炉前自动控制系统工程是炼铁生产线的重要系统。其智能化、高效化是发展趋势所在。在高炉生产过程中炉前是环境恶劣、劳动强度较大的场合。炉前设备历来都是操作人员手动操作，若远离铁口则不能近距离观察，若离铁口太近则相关的电气设备又无法正常使用，导致生产操作中相关的一些设备参数只能靠经验积累而无量化概念，因此炉前设备的智能控制配备是很必要的。炉前设备的智能化指炉前设备的控制是以PLC（可编程逻辑控制器）为控制中心，通过使用终端（操作台、遥控器、液压站等）对设备实现程序控制、遥控，并能对相应的设备参数（如打泥压力、流量等）进行设置、调整、显示和记录。智能化控制系统根据用户的使用要求、配置状况，可选择高、中、低档几种方案。本项目改造完善后，实现了一人、无距离限制开堵出铁口的理想效果。
1、国内外研究现状分析及发展方向
1.1 控制系统的现状
该自控系统现采用由西门子S7-400PLC集成控制，通讯通过PROFIBS-DP协议完成，下设3个远程机架、4个远程操作台，8个泥炮编码器、4个远程液压站。其中还有8个开铁口机编码器通讯是走SSI协议，由硬线直接连接到远程机架模板。见系统硬件配置图：
系统硬件配置图
1.2本系统存在问题
自投入生产以来，通讯网络的稳定、液压站的运行状态、阀台的信号到位以及机械设备的调整都存在大大小小的问题，高炉每次出铁时必须用其打开出铁口以及封堵出铁口，它们的性能和效率直接影响到高炉的正常稳定生产，为此，我们应该在现有自控设备基础上，通过优化网络回路，屏蔽掉干扰信号，增加稳压电源，加装远程启停泵条件，完善远程遥控信号稳定以及和机械人员配合调整机械位置。这样才能使炉前操作工摆脱了地域操作限制，随时随地的监控设备动作情况，以及更好的完善了网络，使系统更加稳定可靠。大大提高了操作精度，是高炉生产稳定顺行、高产高效的强有力的保障。
1.3 国内外同行对比
与其他同行业的高炉炉前自控系统比较而言，这套系统是以可靠性强、操作安全性高、控制系统远距离人工操作、可编程控制器（PLC）为核心而构成的全分布式网络化控制系统，控制器远程站之间、控制器与监控站、控制器与编码器之间的通讯数据速度快、程序执行周期短的特点；通过模块化编程，运用多种控制操作模式，全面实现了炉前设备在标准模式、维修模式、遥控模式以及故障紧急模式下的开口及堵口控制，自动控制水平高，已达到国内先进水平。
2、研究内容与技术路线，项目的技术创新点
2.1项目内容与技术路线
2.1.1全面实现仪电合一
为了便于管理与维护，电控系统和仪控系统设置为三电一体化（EIC）控制，统一由PLC完成其控制功能。其中铁口开口机系统、液压泥炮系统所有设备的参数及液压站的部分参数均引入炉前主控室内，例如开口机开口压力、旋转角度、进给速度、泥炮打泥量检测等关键参数，实时监控炉前设备的每一个状态，实现了全面EIC一体化的系统。
2.1.2基础网络重组
高速以太环网技术应用
本套计算机网络系统采用高速以太环网，以WINCC软件实现监控终端的集中显示、操作和故障自诊断。主PLC采用以太网模板西门子CP 443-1，此技术要点是通讯和连网模块控制从（或至）CPU的数据传输，获得通讯接口的最大灵活性。机架之间通过PROFIBUS协议通讯，每个机架通过I/O字数的限制以保证数据采集的快速性、实时性。整个系统具有开发周期短，系统扩展性好，用户编程方便等诸多优点。
另外，运用各个铁口控制器之间的通讯技术，将各设备的运行状态实时传送给主PLC控制系统进行控制，以便主PLC系统能够适应各铁口设备各种运行状况，运用复杂性分析控制技术，设计各铁口设备动作的触发条件。
C脚本技术开发
通过数据库组态、编辑C脚本，在主控室客户机显示各铁口开口机系统、泥炮控制系统、炉前液压控制系统重要参数的历史趋势，并可随时打印，大大提高了工作效率和操作管理水平。
2.1.3 PLC与HMI的完美集成
WINCC6.0是一个多用户实时SCADA软件解决方案，Microsoft SQL sever 2000被集成在WINCC软件中，使WINCC提供重要的SCADA功能。另外，WINCC“逢变则报”的数据驱动方式，使其具备超大容量的实时数据库。在此基础上，开发实现了历史数据、报警记录、历史记录和报表打印等，形成了友好的人机界面。
2.1.4 全数字编码精确测量、定位技术
在自动化领域，旋转编码器是一种检测角度、位置、速度和加速度的检测装置。它将输入给轴的角度量，利用转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小、精度高、工作可靠接口数字化等优点。它广泛应用于数控冶金行业、机床、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。本系统中大臂前进后退角度测量，小车钻孔锤击位置测量均采用了高精度的编码器测量技术。其中：大臂前进后退位置测量，小车钻孔前进位置角度测量，均采用绝对值式编码器。绝对值式编码器为每一个轴位置提供一个独一无二的编码数字值，减轻了电子接收设备的计算任务，省去了复杂而又昂贵的输入装置，电源切除后位置信息不会丢失，保证了数据采集的精确性与不间断性。
由于数据传输距离比较远，运用数字控制技术，我们在模板配置上直接采用西门子编码器专用模板，直接将数字信息输出转换成模板可以接收的二进制数，以便CPU进行最优处理。
2.1.5 多种操作方式，实现快速稳定的控制开口堵口
炉前开堵铁口采用纯手动操作、电动操作台操作、紧急蓄能器操作、电动遥控操作等多种操作模式，紧急蓄能器操作仅在少数情况下使用，遥控及操作台操作为电动自动工作。
为了保护开铁口机及泥炮设备本身不被烧坏，创造性的实现了快速时间开堵铁口，其时间严格控制在15秒以内。设计思想是通过PLC运算输出信号给液压站，液压站升压保压后，做出最快时间参数的反应，实现了快速稳定的控制开口堵口。
2.2 该项目控制系统的技术创新点
2.2.1运用网络通讯功能增强控制系统稳定性
由于改造前通过单CPU下带20个远程站，其网络通讯为线性结构，其控制设备较多，在长期恶劣的生产过程中，由于硬件模板设备本身磨损或质量问题容易出现网络通断信号不稳定现象，致使炉前生产不能按照程序逻辑进行下去，就会影响高炉生产的正常进行。因此，为了增强控制系统网络稳定性，我们研发人员在网络结构上做出了重组，程序硬件完成升级处理，即：把原有单CPU带4个铁口设备的线性网络结构，改为用S7-400PLC带4套S7-300PLC，每套S7-300PLC即控制一个铁口设备工作，并每套S7-300PLC下设一个液压站系统的树形网络结构。这样，有利的避免了网络中断造成的，高炉不能正常开堵铁口的生产故障。
2.2.2无线遥控器的投入使用
随着在现代冶煉技术的发展进步，现代化大型高炉均采用高冶炼强度、高顶压的冶炼方法，高炉炉容加大，导致炉墙增厚，炉门变深，至使开铁口机必须增加开口能力及工作行程。另外，开铁口机的工作位置处于铁水喷溅范围之内，环境温度高400℃，粉尘浓度达6g/～8g/。在打开铁口瞬间，喷出的铁水具有很高的速度，设备容易被烧毁，操作人员安全也有高风险。鉴于恶劣的工作环境及苛刻的工艺要求，本次项目通过PLC系统E框架来完成系统控制，采用现场无线遥控器完成，操作人员的远程及高精确度的操作控制，这样大大提高了操作人员工作效率和劳动精度，使高炉生产顺行稳定，出铁正点率高，为高炉长寿、高产、优质、低耗奠定了良好的基础并产生了巨大的社会效益。
2.2.3故障自诊断报警系统
随着莱钢自动化控制技术的不断发展和提高，莱钢的生产已与自动化系统的正常运行密不可分。为了使整个系统稳定顺行，我们特别设计了故障自诊断报警系统，为了提高本系统的准确性，我们采用了一些先进的自动控制和人工智能技术。
由于炉前系统设备现场环境恶劣，设备元器件故障率大，参数特性不稳定性，给经典故障诊断方法带来了困难。因此，在故障自诊断报警系统的研发过程中，我们借鉴了具有诊断速度快、容错能力强、精度高并基于模糊诊断法、神经网络诊断法和专家系统诊方断法的现代智能诊断思想，采用分布式故障检测诊断结构，结合高炉系统的实际情况给出此系统的故障诊断案。
从本系统的运行情况来看，自动报警诊断的研发运用使整个炉前系统运行稳定，为维护人员重新校验更换编码器及处理故障赢得了时间，减少了设备事故和故障率，有利于高炉生产和炉况的稳定，为莱钢年产千万吨钢的生产目标的实现提供了强有力的保障。
3、结论：
山东钢铁莱钢型钢炼铁厂3200 m3高炉出铁口区域采用计算机控制后,提高了自动化装备水平,其主要工艺过程的控制,技术先进,生产指标控制稳定,节能降耗显著,其它炼铁厂家采用自动控制提供了参考依据。同时，由于该炉前系统自动化程度高，有利于减少设备的故障率、减轻工人的劳动强度，同时在职工的人身安全,环境保护方面也更有益处。该系统性能可靠，系统在线运行率达100％，软件设计完全满足现场需要，保证了开铁口、堵口过程的安全，产生了可观的经济效益，具有良好的推广价值。该项目对提高高炉出铁稳定效率及节能减排具有很好的效果，可应用于2000m3以上级大型高炉。
参考文献
1.连续出版物：白荣荣, 浅谈现场总线技术在电力自动化中的应用, 内蒙古科技与经济2007--03S
2.连续出版物：蒋中鸿, 棒材生产的电气自动化控制系统, 上海电器技术 1999--4。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：自动控制S7-400PLC S7-300PLC
Abstract: the open mouth and mud bubble iron machine is a kind of common iron equipment, used to open mouth and fast iron iron wall mouth, blast furnace ironmaking modernization. Their reliability and performance of blast furnace ironmaking directly related to the production efficiency. In order to improve labor productivity, improve economic efficiency, in YinShan steel 3200 m3 blast furnace in automatic control engineering before fully on the design of looking to the future, and the introduction of foreign advanced equipment and advanced technology, achieve open mouth and iron before furnace iron wall automatic control of the mouth, in order to adapt to the needs of the development of the future.
Key words：Automatic control S7-400 PLC S7-300PLC
中图分类号：TF325.6 文献标识码：A 文章编号：
山东钢铁莱钢银山型钢3200m3高炉炉前自动控制系统工程是炼铁生产线的重要系统。其智能化、高效化是发展趋势所在。在高炉生产过程中炉前是环境恶劣、劳动强度较大的场合。炉前设备历来都是操作人员手动操作，若远离铁口则不能近距离观察，若离铁口太近则相关的电气设备又无法正常使用，导致生产操作中相关的一些设备参数只能靠经验积累而无量化概念，因此炉前设备的智能控制配备是很必要的。炉前设备的智能化指炉前设备的控制是以PLC（可编程逻辑控制器）为控制中心，通过使用终端（操作台、遥控器、液压站等）对设备实现程序控制、遥控，并能对相应的设备参数（如打泥压力、流量等）进行设置、调整、显示和记录。智能化控制系统根据用户的使用要求、配置状况，可选择高、中、低档几种方案。本项目改造完善后，实现了一人、无距离限制开堵出铁口的理想效果。
1、国内外研究现状分析及发展方向
1.1 控制系统的现状
该自控系统现采用由西门子S7-400PLC集成控制，通讯通过PROFIBS-DP协议完成，下设3个远程机架、4个远程操作台，8个泥炮编码器、4个远程液压站。其中还有8个开铁口机编码器通讯是走SSI协议，由硬线直接连接到远程机架模板。见系统硬件配置图：
系统硬件配置图
1.2本系统存在问题
自投入生产以来，通讯网络的稳定、液压站的运行状态、阀台的信号到位以及机械设备的调整都存在大大小小的问题，高炉每次出铁时必须用其打开出铁口以及封堵出铁口，它们的性能和效率直接影响到高炉的正常稳定生产，为此，我们应该在现有自控设备基础上，通过优化网络回路，屏蔽掉干扰信号，增加稳压电源，加装远程启停泵条件，完善远程遥控信号稳定以及和机械人员配合调整机械位置。这样才能使炉前操作工摆脱了地域操作限制，随时随地的监控设备动作情况，以及更好的完善了网络，使系统更加稳定可靠。大大提高了操作精度，是高炉生产稳定顺行、高产高效的强有力的保障。
1.3 国内外同行对比
与其他同行业的高炉炉前自控系统比较而言，这套系统是以可靠性强、操作安全性高、控制系统远距离人工操作、可编程控制器（PLC）为核心而构成的全分布式网络化控制系统，控制器远程站之间、控制器与监控站、控制器与编码器之间的通讯数据速度快、程序执行周期短的特点；通过模块化编程，运用多种控制操作模式，全面实现了炉前设备在标准模式、维修模式、遥控模式以及故障紧急模式下的开口及堵口控制，自动控制水平高，已达到国内先进水平。
2、研究内容与技术路线，项目的技术创新点
2.1项目内容与技术路线
2.1.1全面实现仪电合一
为了便于管理与维护，电控系统和仪控系统设置为三电一体化（EIC）控制，统一由PLC完成其控制功能。其中铁口开口机系统、液压泥炮系统所有设备的参数及液压站的部分参数均引入炉前主控室内，例如开口机开口压力、旋转角度、进给速度、泥炮打泥量检测等关键参数，实时监控炉前设备的每一个状态，实现了全面EIC一体化的系统。
2.1.2基础网络重组
高速以太环网技术应用
本套计算机网络系统采用高速以太环网，以WINCC软件实现监控终端的集中显示、操作和故障自诊断。主PLC采用以太网模板西门子CP 443-1，此技术要点是通讯和连网模块控制从（或至）CPU的数据传输，获得通讯接口的最大灵活性。机架之间通过PROFIBUS协议通讯，每个机架通过I/O字数的限制以保证数据采集的快速性、实时性。整个系统具有开发周期短，系统扩展性好，用户编程方便等诸多优点。
另外，运用各个铁口控制器之间的通讯技术，将各设备的运行状态实时传送给主PLC控制系统进行控制，以便主PLC系统能够适应各铁口设备各种运行状况，运用复杂性分析控制技术，设计各铁口设备动作的触发条件。
C脚本技术开发
通过数据库组态、编辑C脚本，在主控室客户机显示各铁口开口机系统、泥炮控制系统、炉前液压控制系统重要参数的历史趋势，并可随时打印，大大提高了工作效率和操作管理水平。
2.1.3 PLC与HMI的完美集成
WINCC6.0是一个多用户实时SCADA软件解决方案，Microsoft SQL sever 2000被集成在WINCC软件中，使WINCC提供重要的SCADA功能。另外，WINCC“逢变则报”的数据驱动方式，使其具备超大容量的实时数据库。在此基础上，开发实现了历史数据、报警记录、历史记录和报表打印等，形成了友好的人机界面。
2.1.4 全数字编码精确测量、定位技术
在自动化领域，旋转编码器是一种检测角度、位置、速度和加速度的检测装置。它将输入给轴的角度量，利用转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小、精度高、工作可靠接口数字化等优点。它广泛应用于数控冶金行业、机床、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。本系统中大臂前进后退角度测量，小车钻孔锤击位置测量均采用了高精度的编码器测量技术。其中：大臂前进后退位置测量，小车钻孔前进位置角度测量，均采用绝对值式编码器。绝对值式编码器为每一个轴位置提供一个独一无二的编码数字值，减轻了电子接收设备的计算任务，省去了复杂而又昂贵的输入装置，电源切除后位置信息不会丢失，保证了数据采集的精确性与不间断性。
由于数据传输距离比较远，运用数字控制技术，我们在模板配置上直接采用西门子编码器专用模板，直接将数字信息输出转换成模板可以接收的二进制数，以便CPU进行最优处理。
2.1.5 多种操作方式，实现快速稳定的控制开口堵口
炉前开堵铁口采用纯手动操作、电动操作台操作、紧急蓄能器操作、电动遥控操作等多种操作模式，紧急蓄能器操作仅在少数情况下使用，遥控及操作台操作为电动自动工作。
为了保护开铁口机及泥炮设备本身不被烧坏，创造性的实现了快速时间开堵铁口，其时间严格控制在15秒以内。设计思想是通过PLC运算输出信号给液压站，液压站升压保压后，做出最快时间参数的反应，实现了快速稳定的控制开口堵口。
2.2 该项目控制系统的技术创新点
2.2.1运用网络通讯功能增强控制系统稳定性
由于改造前通过单CPU下带20个远程站，其网络通讯为线性结构，其控制设备较多，在长期恶劣的生产过程中，由于硬件模板设备本身磨损或质量问题容易出现网络通断信号不稳定现象，致使炉前生产不能按照程序逻辑进行下去，就会影响高炉生产的正常进行。因此，为了增强控制系统网络稳定性，我们研发人员在网络结构上做出了重组，程序硬件完成升级处理，即：把原有单CPU带4个铁口设备的线性网络结构，改为用S7-400PLC带4套S7-300PLC，每套S7-300PLC即控制一个铁口设备工作，并每套S7-300PLC下设一个液压站系统的树形网络结构。这样，有利的避免了网络中断造成的，高炉不能正常开堵铁口的生产故障。
2.2.2无线遥控器的投入使用
随着在现代冶煉技术的发展进步，现代化大型高炉均采用高冶炼强度、高顶压的冶炼方法，高炉炉容加大，导致炉墙增厚，炉门变深，至使开铁口机必须增加开口能力及工作行程。另外，开铁口机的工作位置处于铁水喷溅范围之内，环境温度高400℃，粉尘浓度达6g/～8g/。在打开铁口瞬间，喷出的铁水具有很高的速度，设备容易被烧毁，操作人员安全也有高风险。鉴于恶劣的工作环境及苛刻的工艺要求，本次项目通过PLC系统E框架来完成系统控制，采用现场无线遥控器完成，操作人员的远程及高精确度的操作控制，这样大大提高了操作人员工作效率和劳动精度，使高炉生产顺行稳定，出铁正点率高，为高炉长寿、高产、优质、低耗奠定了良好的基础并产生了巨大的社会效益。
2.2.3故障自诊断报警系统
随着莱钢自动化控制技术的不断发展和提高，莱钢的生产已与自动化系统的正常运行密不可分。为了使整个系统稳定顺行，我们特别设计了故障自诊断报警系统，为了提高本系统的准确性，我们采用了一些先进的自动控制和人工智能技术。
由于炉前系统设备现场环境恶劣，设备元器件故障率大，参数特性不稳定性，给经典故障诊断方法带来了困难。因此，在故障自诊断报警系统的研发过程中，我们借鉴了具有诊断速度快、容错能力强、精度高并基于模糊诊断法、神经网络诊断法和专家系统诊方断法的现代智能诊断思想，采用分布式故障检测诊断结构，结合高炉系统的实际情况给出此系统的故障诊断案。
从本系统的运行情况来看，自动报警诊断的研发运用使整个炉前系统运行稳定，为维护人员重新校验更换编码器及处理故障赢得了时间，减少了设备事故和故障率，有利于高炉生产和炉况的稳定，为莱钢年产千万吨钢的生产目标的实现提供了强有力的保障。
3、结论：
山东钢铁莱钢型钢炼铁厂3200 m3高炉出铁口区域采用计算机控制后,提高了自动化装备水平,其主要工艺过程的控制,技术先进,生产指标控制稳定,节能降耗显著,其它炼铁厂家采用自动控制提供了参考依据。同时，由于该炉前系统自动化程度高，有利于减少设备的故障率、减轻工人的劳动强度，同时在职工的人身安全,环境保护方面也更有益处。该系统性能可靠，系统在线运行率达100％，软件设计完全满足现场需要，保证了开铁口、堵口过程的安全，产生了可观的经济效益，具有良好的推广价值。该项目对提高高炉出铁稳定效率及节能减排具有很好的效果，可应用于2000m3以上级大型高炉。
参考文献
1.连续出版物：白荣荣, 浅谈现场总线技术在电力自动化中的应用, 内蒙古科技与经济2007--03S
2.连续出版物：蒋中鸿, 棒材生产的电气自动化控制系统, 上海电器技术 1999--4。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。