高炉炉况参数监控系统

高炉炉况参数监控系统

罗仕佳

重钢集团电子有限责任公司 重庆 400080

摘要：本文主要论述了重钢2500m³高炉本体参数监控系统，高炉生产是个复杂的高温物理化学过程，其中各项过程参数是体现炉况是否正常的重要依据，这与高炉的操作密切相关。根据工艺要求对影响炉况的过程参数进行实时监控，便于操作人员监控。高炉炉况参数监控系统由西门子S7-400系统PLC组成，采用西门子WINCC软件实现实时监控，该系统实现了对过程参数的实时监控，故障信号的报警记录，历史数据的归档及每小时平均值报表。该系统具有精度高、安全、可靠的特点，为高炉的正常生产提供保障。

关键词：高炉本体；西门子WINCC；西门子PLC

1. 概述

高炉炼铁是现代钢铁生产的重要组成部分，是一个复杂的高温物理化学过程，不准确掌握炉内温度分布是不可能的，因此一般需要通过预测炉内温度来间接反映炉内温度的变化（铁水中的硅含量）。实际上，影响铁水含硅量的因素很多，可以分为两类：状态参数和控制参数。状态参数包括料速、透气性指数、风口状况、铁水与炉渣成分等；控制参数包括入炉原料的性质(成分、比重、配料比等)、装料方式、风量、风温、富氧量等，各个因素之间也存在交互影响。

为了更好地指导高炉操作，方便操作人员判断和掌握炉况变化趋势，加强炉况调整，稳定高炉平稳运行，一套集过程控制、数据采集、实时监控为一体的自动化系统是必不可少的。

2. 工艺简介

重钢2500m3高炉本体设有30个风口、3个铁口、1套十字测温装置、1套炉顶喷雾装置等，高炉冷却设备形式为冷却壁加冷却板复合式结构。炉缸、炉腹上部、炉腰、炉身为冷却壁；炉腹下部为铜冷却板，炉喉设2段钢砖；炉底设有冷却水管。冷却系统分软水密闭循环系统和中压工业水系统、回用工业水系统。炉体系统还设有炉身静压监测、冷却设备温度监测、冷却水系统监测及耐火材料温度监测设施等。

3. 系统设计方案

根据高炉需求，对一些重要的参数如温度、流量、压力，以及运行状况等等，由现场检测设备通过PLC系统及计算机网络，在上位机监控画面上显示出来。本系统硬件采用西门子S7-400系列PLC，软件使用STEP7编程软件及西门子WINCC上位机监控画面组成。

1.硬件系统

本系统主要由一个主站和三个从站组成，其中包含了1块中央处理器模块，1块通讯模块，4块电源模块，4块接口模块，35块模拟量输入模块，1块模拟量输出模块，10块数字量输入及2块数字量输出模块。

站与站之间通过主站接口模块IM460-3及从站接口模块IM461-3进行通讯连接。

中央处理器使用CPU 414-2DP模块，具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS DP/MPI接口，比较适用于大规模的I/O配置或建立分布式I/O系统。

通讯模块使用CP 443-1模块，用于工业以太网的 S7 CP，支持 ISO 和 TCP/IP 协议，具有 SEND-RECEIVE 和 FETCH-WRITE 接口，PROFINET IO 控制器，实现PLC之间或者与上位机的高速数据交换功能。

电源模块使用PS 407 20A模块，用于连接到85到264 VAC的AC线路电压或88到300 VDC的DC线路电压，并在二级侧提供5 VDC/20A和24 VDC/1A，实现对机架和模块的供电。

模拟量输入模块使用AI16×16Bit（6ES7 431-7QH00-0AB0）模块，接收4-20mA信号，用于对现场温度、流量，压力的数据采集。

模拟量输出模块使用AO8×13Bit（6ES7 432-1HF00-0AB0）模块，输出4-20mA信号，用于对调节阀（流量、压力）的控制。

数字量输入模块使用DI16×UC 120/230V（6ES7 421-1FH20-0AA0）模块，用于对设备运行状态（阀的到位信号、故障、自动/手动，液位计液位等）的检测。

数字量输出模块使用DO16×AC 120/230V/2A（6ES7 422-1FH00-OAAO）模块，用于对设备的控制。

2.软件系统

软件系统分别使用西门子STEP 7和西门子WINCC。

通过STEP 7编程软件实现对西门子PLC的硬件组态、通讯组态，对采集的设备状态和数据进行编程处理，以此来满足工艺需求的逻辑控制、对设备运行状态监控、对实时参数的监控。主要包括对减压阀组开度的调节；采集高炉本体各段冷却壁的温度，炉顶的温度、压力，热风温度、压力，冷风流量，富氧流量，冷却水温度、压力、流量，炉喉十字测温等；把采集的数据通过相应公式计算出工艺所需要的一些参数，如透气指数、炉复煤气量、煤气利用率等，并把这些参数和采集的数据做成报表，为高炉操作提供数据支撑。

计算机监控系统通过西门子WINCC软件来实现，用来对整个高炉本体系统的工艺流程及参数进行监控，并进行报警提示，历史数据归档。使操作人员可以及时的了解当前整个高炉系统的状态，便于判断、掌握炉况走向趋势，稳定高炉顺行。

4. 实现功能

1．炉顶冷却控制

　炉顶雾化冷却系统通过自动或手动方式控制喷嘴向高炉炉喉喷雾，使流经上升管的煤气温度控制在预定温度范围内。

2. 高炉本体各部耐火材料的温度监测

高炉耐火材料砌体设有大量的温度检测点，对各点温度进行记录并对重要部位的警戒温度进行报警(报警均为在线可调)，且还对各点温度值以及变化趋势做出趋势图。

3. 高炉冷却设备的温度监测

在冷却壁上设有温度监测点，监视其工作状况。将采集到的温度数据进行记录并作趋势图。

4. 高炉炉喉十字测温器的温度监测

高炉炉喉部设置1套十字测温器，由4支组成，3短1长。共设有21点温度测定的热电偶，将采集到的各点温度值进行处理，做成炉喉两个断面上的温度分布图显示在上位机画面上。

5. 炉喉钢砖下的温度监测

炉喉钢砖下8个方向上设置8点温度检测热电偶，该点温度可以反映炉体边缘煤气流的发展，将采集到的各点温度值进行处理，做成断面上的温度分布图显示在上位机画面上。

6. 高炉本体软水冷却系统控制

a）冷却水系统

主要冷却高炉本体的冷却壁、冷却板、炉底水冷管和热风炉系统的热风阀等。炉体软水系统分为八个区域，八个区域分别检测软水进出水流量和其中几段间联络水管的出水温度。

b）脱气罐水位控制

脱气罐水位控制由脱气罐上的水位计、设在水道专业的补水流量计和补水泵等组成。脱气罐正常控制水位为＋2100mm（在线可调）。当脱气罐内水位低于正常水位400mm（在线可调）时，开启补水泵充水；到正常水位时停止补水。

c）软水泵站监视

软水泵站的循环水泵( 含柴油泵 ) 的运转状态、补水泵的运转状态、软水的水质分析值、脱气罐的水位信号以及水位变化趋势图在上位机上显示记录。

7．高炉本体工业水冷却系统

高炉本体工业水冷却系统分为回用水和中压水两个部分。回用工业水冷却系统水量为100m³/h，水压为0.3MPa，供水温度为≤33℃，主要用于炉顶雾化冷却；中压工业水冷却系统水量为200m³/h，水压为1.0MPa，供水温度为≤33℃，主要用于十字测温冷却、风口事故用及炉顶雾化冷却装置事故用等。

8. 高炉本体各种计算

（1）炉身静压数据管理及压差计算；（2）高炉透气性指数计算；（3）高炉风口风速计算；（4）鼓风动能计算；（5）炉腹煤气量计算；（6）炉腹煤气量指数计算；（7）炉内透气阻力系统计算；（8）理论燃烧温度计算。

5. 结束语

高炉炉况参数监控系统实现了实时数据采集、画面监控、报警、趋势记录、报表记录等一系列功能。具有运行可靠，操作容易，维护方便，控制精度高等优点。

在选择适应高炉原燃料、外围生产条件下的各个参数直接决定高炉的生产指标和稳定顺行程度。该系统为高炉操作者进行指导，便于高炉操作者判断、掌握炉况走向趋势，为高炉的稳定生产起了十分积极的作用。

参考文献

[1]廖常初.S7300／400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]西门子公司.S7—300／400PLC编程手册[Z].北京：西门子(中国)有限公司自动化部，1998.

[3]西门子公司.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4]吴勤勤.控制仪表及装置 第三版[M].北京：化学工业出版社，2007.