引言
2000年以来，我厂先后建成了三座2600M3高炉，在中大型高炉工程施工建设运行上,其中在高炉自动控制系统的硬件设计、软件设计及软件调试方面, 更是通过不断的工程实践, 积累了一定的经验。把这些经验加以总结, 有助于今后的高炉自动控制系统构建工作。
1 工艺概况及自动控制系统
高炉生产主体工艺系统包括: 高炉矿、焦槽,上料(料车上料或皮带机上料) , 炉顶(无料钟炉顶或钟式炉顶) , 高炉本体, 出铁场, 粗煤气除尘煤气清洗(文氏管或比肖夫法) , 炉顶煤气余压发电( TRT) , 热风炉, 炉渣处理, 煤粉制备及喷吹等。高炉生产主要的辅助工艺系统包括: 高炉除尘系统,鼓风站,空压站,锅炉房,水处理系统,碾泥机,铸铁机,检、化验设施,生活福利设施等。
一般地, 高炉生产主体工艺系统与主要的辅助工艺系统分别由不同的控制系统进行控制。主体工艺系统采用三电(电气, 仪表, 计算机) 控制一体化程度较高的分布式控制系统进行集中控制、监视和操作; 主要的辅助工艺系统则视工艺过程控制的难易程度,选用独立的PLC(DCS) 或继电器(模拟仪表) 系统进行控制、监视和操作。主体工艺自动控制系统与辅助工艺PLC(DCS)或继电器(模拟仪表) 系统之间通过数据通信接口或I/ O 模件接线方式进行通信。本文仅对高炉生产主体工艺自动控制系统的各个设计阶段、内容,进行总结和介绍。
2 自动控制系统的组成及应用功能层次
高炉自动控制系统通常由常规检测仪表、电气传动系统及以计算机为主体设备的分布式控制系统共同组成。自动控制系统在系统应用功能上由4 级组成。第1 级为现场检测和传动级, 主要对工艺生产现场进行检测和驱动; 第2 级为基础自动化级, 主要完成生产过程的数据采集和初步处理, 数据显示和记录, 数据设定, 生产操作,执行对生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制; 第3 级为过程监控级, 主要完成生产过程操作指导, 作业管理, 模型计算, 数据处理及存储;系统与装置第4 级为生产管理级, 主要进行全厂生产信息管理。控制系统采用高速数据总线通信, 并留有与其他生产及管理部门通信的接口。第1 级属于常规检测仪表及电气传动系统;第2～4 级属于分布式控制系统。
3 自动控制系统设计阶段及主要内容
高炉自动控制系统的设计阶段按设计顺序可以分为:
(1) 控制系统装备水平的确定阶段;
(2) 分布式控制系统综合评估阶段;
(3) 控制系统初步设计阶段;
(4) 控制系统基本设计阶段;
(5) 控制系统详细设计阶段;
(6) 控制系统软件调试阶段。
3. 1 控制系统装备水平的确定阶段
主要包括:
3.1.1确定自动控制系统的设计原则
一般地, 设计应本着技术成熟, 装备先进, 适用性强,可靠性高的原则进行。
3.1.2 确定分布式控制系统的基本组成
分布式控制系统主要由控制站单元、操作显示站单元以及数据通信总线组成。各站点单元由数据通信总线联结在一起组成控制系统, 并通过数据通信总线进行相互间的通信,实现系统内部的数据共享。
3.1.3 确定自动控制系统的应用功能层次, 并提出各个应用功能层次上对系统硬件和软件的基本要求
在进行应用功能层次划分时,现场检测、传动级和基础自动化级是必需的;至于过程监控级和信息管理级,则应根据工程项目的资金情况及用户的生产管理水平决定取舍。
3.1.4提出自动控制系统的合理控制范围及主要控制和管理功能
一般地, 高炉生产主体工艺系统宜纳入控制范围。
3.1.5 推荐几种典型的分布式控制系统构成方案
高炉自动控制上所应用的分布式控制系统, 一般按对电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能的不同侧重分为两类: 一类是电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能均由同一类型控制器进行控制的全DCS 控制系统,如美国西屋(Westinghouse) 公司的OVATION 控制系统, 德国西门子公司的PCS7 控制系统等; 另一类是电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能分别由不同类型控制器进行控制的“PLC + DCS”控制系统, 如由美国霍尼韦尔公司的仪表连续调节控制器HPM 与美国GE 公司的电气逻辑顺序控制PLC 共同组成的Total Plant 控制系统,由日本横河公司的仪表连续调节控制器FCS 与日本安川公司的电气逻辑顺序控制器CP23500H 共同组成的控制系统等。
3.1.6提出国内外设备分交意见。
3.1.7进行自动控制系统投资估算。
3. 2 分布式控制系统综合评估阶段
主要从以下几个方面对用户认可的几种系统构成方案进行综合评估和比较,选出在技术性能、使用性能、可靠性等方面均比较出色的控制系统。
(1) 对控制系统控制站单元的技术性能进行评估。包括现场数据采集能力及信号隔离措施;输入及输出信号处理精度; 内存容量及存储数据掉电保持时间;模件能否带电插拔及容错能力;应用软件的组态方式。
(2) 对控制系统操作站单元的技术性能进行评估。包括内存容量及CRT 分辨率;实时多任务操作系统的可靠性; 是否具备多种应用支持软件(如图形组态软件, 数据库管理软件, 报表生成软件, 历史趋势软件, 故障报警软件, 以及系统维护软件等) ;图形软件的组态方式。
(3) 对控制系统通信单元的技术性能进行评估。包括通信网络结构及网络控制方式; 通信网络容量及数据传输速率;通信网络容错能力。
(4) 对控制系统综合性能进行评估。包括控制系统的开放性和可扩展性; 是否兼容其它自动化软、硬件产品;是否很容易地对系统硬件和软件进行升级;控制系统的可靠性;系统的容错能力和平均无故障时间是否满足要求等; 控制系统的经济性,着重考察系统的性能价格比;控制系统在高炉控制上的的应用业绩; 控制系统供应商的售后服务能力。
3. 3 控制系统初步设计阶段
主要是以控制系统装备水平阶段确定的原则为依据, 以对分布式控制系统综合评估后得出的结论为基础, 并结合工艺实际情况进行控制系统的初步配置。其主要工作内容包括:
(1) 结合工艺及用户意见确定控制系统控制范围,分布式控制系统基本构成方案和主要控制、管理功能。
(2) 明确三电专业分工,对三电专业各自应完成的控制及管理功能进行划分。
(3) 确定系统操作方式。一般有自动、半自动、手动和机旁手动4 种操作方式。
(4) 初步确定常规检测仪表及电气传动系统设备选型。系统与装置
(5) 初步确定分布式控制系统硬件及支持软件组成;估算控制系统输入和输出点数,初步确定输入和输出控制点技术规格及控制点备用量; 确定数据通信总线介质;确定系统的冗余方式。
(6) 确定控制系统电源条件。其中,分布式控制系统一般应考虑不停电电源措施。
(7) 确定控制系统安装场所。应使控制系统的输入/ 输出接口尽量接近控制对象。(8) 确定控制系统抗干扰措施,接地措施。
(9) 确定国内外设备分交范围。
(10)进行控制系统投资概算
注意: 如果需要从国外引进自动控制系统设备, 在初步设计阶段还应进行引进项目建议书及引进询价书的编制工作,并着手准备对外技术交流和引进谈判。
3. 4 控制系统基本设计阶段
基本设计阶段是自动控制系统设计中最为重要的设计阶段。该设计阶段主要以控制系统初步设计阶段确定的内容为基础, 对系统硬件和软件进行总体方面的设计。功能规格书是基本设计阶段主要的设计文件,它是系统详细设计、软件设计和软件调试工作的指导性文件。功能规格书的主要内容包括设计<
