施耐德Quantum 系列PLC在高炉上料系统中
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1、概述
莱钢1#1000m3高炉2005年投产，矿槽炉顶上料系统设计采用施耐德公司昆腾系列PLC，该控制系统实现了对矿石、球团、烧结、焦碳等原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿；实现了炉顶各阀门的顺序自动开关，α、β、γ的角度自动设定以及其他相关辅助设备的自动控制；实现了对高炉矿槽炉顶上料系统的数据采集、数据显示与数据控制。该系统投运以来，运行稳定，效果良好。
2、高炉矿槽炉顶上料系统工艺流程简述
2.1 槽上控制工艺流程：
高炉槽上设计13个料仓，4个烧结矿仓(3#、4#、5#、6#)，2个焦炭仓（7#，8#），3个球团仓（9#、10#、11#），2个杂矿仓（1#、2#），1个焦丁仓。
槽上有3条打料皮带机，每条皮带机对应一辆卸料小车，采用卸料小车可以将胶带机输送的原料卸至不同的料仓，当采用卸料小车进行卸料时，卸料小车先开至所选择的料仓上方，然后启动胶带机，原料就经卸料小车卸到小车下方的料仓内。
2.2 槽下控制工艺流程：
高炉槽下设两个大烧结矿仓，两个小烧结矿仓，两个杂矿仓，三个球团仓，一个备用仓。每个矿仓下都有振动筛，筛除小于5mm的碎矿，大烧结矿仓的矿经过筛分后分别进入料坑的左右中间称量斗，小烧结矿仓的矿经筛分后分别进入各自配套的称量斗，然后经矿石皮带机集中运送，经料坑上方的翻板进入料坑中的矿石中间斗，经筛分后的5mm烧结矿经返矿皮带机运到碎矿仓。
焦炭设左右两个焦仓，仓下装有振动筛和振动给料机，焦炭经筛分后，大于20mm的块焦，分别直接进入料坑内的左右焦炭称量斗，筛下小于20mm的碎焦经SJ1、SJ2胶带机倒运到SJ3碎焦胶带机上，送至碎焦仓上振动筛，将碎焦分级成8mm以上和8mm以下两种产品，大于8mm的焦丁由SJ4胶带机运至焦丁仓，再经焦丁给料机到焦丁称量斗，然后到供料胶带机与烧结矿一起进入料坑中间斗。小于8mm的碎焦落入焦粉仓等待汽车外运。当料车到底后，相应的矿石中间斗或焦炭斗向料车装料。
2.3 炉顶控制工艺流程：
莱钢1#1000m3高炉炉顶采用无料钟串罐式炉顶，分为受料斗、料罐、气密箱等组成部分。在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉顶放散阀、均压阀、上密阀、柱塞阀、下密阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。料面检测设备采用机械探尺与雷达探尺相配合。
装料流程：焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉顶，倒入受料斗中，受料斗最多可装4车料。料罐放散完毕后打开上密阀和柱塞阀向料罐装料。装料完成后料罐进行均压。一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，首先打开下密阀并将料流调节阀打开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。在布料期间，通过γ射线探测料流，该装置可发出料罐清空信号。一旦料罐清空，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。
布料流程：一批料中，允许焦矿设定两个不同的料线位置。当探尺达到规定的料线位置后，自动提升到位，发出布料信号，下密封阀打开，布料溜槽进行启动。β角旋转到设定速度并且到达布料位置，开启料流调节阀，按照批重及规定的布料程序，调节料流调节阀开度和溜槽倾角，使每圈料流均匀、重量相等和首尾相接的向炉喉任意布料。为了减少料头料尾不均匀现象，每批料布完后，布料角度自动步进60度。
图一 高炉上料系统工艺流程图
3、控制系统硬件配置
整个上料系统采用一套PLC系统，两台上位机完成对整个上料系统的监控及数据采集等。自动控制系统采用Schneider TSX Quantum 系列PLC硬件组成基础自动化系统。采用MP7监控软件，编程软件采用Concept2.6，WINOOWs 2000作为系统平台界面，组成计算机化的操作系统，实现人机通讯。
控制器与上位机之间采用环形工业以太网进行通讯。主机控制单元接受由I/O接口收集的信号进行开关量和模拟量的处理后,将信号经I/O接口实现对设备的控制，与监控站及上位机通讯。这个系统配置如图二所示：
其中处理器采用昆腾系列140-CPU-534-14A，电源模块采用140-CPS-114-20，远程通讯模版采用140-NOE-771-01，I/O模板配置如下：数字量输入模板为140-DAI-753-00、140-DDI-353-00；数字量输出模板为140-DDO-353-00；模拟量输入模板为140-ACI-040-00；模拟量输出模板为140-ACO-130-00，远程I/O模版采用140 CRP 931 10、140 CRA 931 00。
4、矿槽炉顶上料系统控制功能
4.1 槽下控制部分
4.1.1槽下控制范围及内容
（1）实现对矿石、球团、烧结、焦炭等入炉原料的自动称量，并完成称量误差的自动补偿。
（2）实现槽下12个矿仓、12个称量斗、2条成品带、2条碎矿皮带、12台振动筛、4台给料机、1个翻板及碎焦系统的自动控制，实现自动备料和放料。
（3）可使用监控画面对上料系统设备的运行状态进行监视，对设备的运行进行软手/自动切换及手动启停设备，进行料单设定及更改等。
（4）对装料超时、放料超时、超满及设备运行故障等情况在“工艺流程画面”进行报警显示。
图二 控制系统硬件配置
4.1.2矿石称量斗的称量控制
当排料程序发出后，矿石称量斗闸门开，料排出。当称量值为控制值（初始时为设定值的95%）的5%时，发出料空信号并关闭闸门，当闸门关好并称空好后，振动筛或给料机开始启动。称量值到控制值（经补正）时，振动筛或给料机停机，进行满称量。若达110%控制值（经补正）时发出声光报警信号。振动筛或给料机启动Ts后，还未发出斗“满”信号，就发出上卡料报警信号。
4.1.3矿石称量斗的排料顺序
根据预先选定的装料程序，矿石中间称量斗一“空”且闸门关好，槽下翻板翻到位，矿石皮带机启动后，开始排料。
排料顺序：球团、杂矿单装时按料单内所填仓号的先后顺序进行排料（矿石称量斗排料最多不同时超过三个）。混装时先排一斗的球团或杂矿（排料单内球团或杂矿对应仓号的第一个斗），再排小烧或振大烧。当前一个称量斗闸门开启，发出空信号后，发出下一个斗排料指令。排料斗的闸门开到位延时Ts后，还未发出斗“空”信号，则发出下卡料报警信号。
4.1.4矿石中间称量斗称量控制
矿石中间称量斗称量控制分三种情况：
①大烧结矿振动筛供料：
当矿石中间称量斗“空”，闸门关好，设定好则发出同侧烧结筛运转指令，称量值达到控制值（初始时为设定值的95%）时，烧结筛停机，称量结束。称量值达110%控制值时发出音响报警信号。振筛启动延时Ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
②矿石皮带机供料：
当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当排料斗均放过料后，发出矿石中间斗装好信号，并发出皮带机停机指令。
③矿石皮带机和大烧结振动筛完成混装
当矿石中间斗料一“空”，并且闸门关好，槽下翻板翻好，便发出矿石皮带机运转指令，当相应的一个矿石排料斗放过料后，发出大烧结振筛启动指令，同时发出皮带机停机指令。当称量发出“满”信号时，发出矿石中间斗装好信号。
4.1.5焦炭称量控制
当焦炭称量斗一“空”，闸门关好并设定好后，发出焦炭振动筛运转指令，开始称量，称量值达到控制值时（初始时为设定值的95%），发出振动筛停机指令，称量结束，若达110%控制值时，发出报警信号。振筛启动延时Ts后，还未发出斗“满”信号，则发出“上卡料”信号。
4.2 炉顶控制部分
4.2.1炉顶控制范围及内容
（1）炉顶上至料罐下至探尺各设备的顺序控制。
（2）无料钟串罐式炉顶的装料及均压、放散控制。
（3）料流调节阀开度（γ角）、布料溜槽倾动角（α角）、布料溜槽旋转角（β角）的控制。
4.2.2炉顶装料控制
上次布料结束且下密阀关到位后，程序发出申请装料信号，料车开始装料，受料斗满且料罐空，放散阀打开，在放散过程中，一旦打开放散阀并料罐内压力等于大气压力，则认为放散OK。放散OK后开上密阀，上密阀开到位后开柱塞阀，料车开始下料。延时一定时间后柱塞阀关闭，关放散阀，关上密阀，炉料装入料罐中后开均压阀开始均压。这时受料罐发允许料车上行信号。
4.2.3炉顶布料控制
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