西門子數(shù)字化高爐解決方案在韶鋼3200m3高爐的應(yīng)用
［摘要］：廣東省韶關(guān)鋼鐵集團有限公司8號3200m3 高爐的控制系統(tǒng)采用了西門子公司提供的SIMATIC PCS7 V7.0數(shù)字化高爐解決方案。配置靈活的控制系統(tǒng)由主控制器、基于PROFIBUS總線的I/O、編碼器、變頻驅(qū)動器和高防護等級的ET200pro以及基于FF總線的智能儀表等多種設(shè)備組合而成，不僅可對高爐的各工藝參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集及歷史數(shù)據(jù)存儲,而且實現(xiàn)了高爐生產(chǎn)三電一體化及高爐數(shù)字化控制。本項目的成功投產(chǎn)將對同類型高爐控制系統(tǒng)的選型、實施提供參考并產(chǎn)生深遠影響。
［關(guān)鍵詞］：高爐 PCS7 現(xiàn)場總線 數(shù)字化 PROFIBUS
前言：
目前，我國正處于工業(yè)化的中后期，較之以往更加注重推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，涉及面廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、消費拉動大，在經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、財政稅收、國防建設(shè)以及穩(wěn)定就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用，同時，鋼鐵產(chǎn)業(yè)也面臨著產(chǎn)能過剩、低端產(chǎn)能較多的問題。為此，2009年國務(wù)院辦公廳公布了《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，旨在確保鋼鐵產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)運行，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動產(chǎn)業(yè)升級。鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展對與其相對應(yīng)的自動化與信息化水平提出了更新、更高的要求。
韶關(guān)鋼鐵集團有限公司
廣東省韶關(guān)鋼鐵集團有限公司1966年建廠，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為年產(chǎn)鋼600萬噸能力，集鋼鐵制造、物流、工貿(mào)為一體的大型國有企業(yè)集團；成為世界鋼鐵企業(yè)100強，中國企業(yè)500強、廣東企業(yè)50強；成為廣東重要的鋼鐵生產(chǎn)基地、高新技術(shù)企業(yè)和中國重要的船板鋼生產(chǎn)基地。2009年，面對全球金融危機，韶鋼抓管理、練內(nèi)功、調(diào)結(jié)構(gòu)、強創(chuàng)新，積極應(yīng)對，年產(chǎn)鋼422.68萬噸，鐵418.54萬噸，鋼材405.57萬噸，實現(xiàn)銷售收入141億元，總資產(chǎn)221億元。
“韶鋼”鋼材品牌獲首屆廣東省優(yōu)秀自主品牌稱號，船板鋼通過了中國、美國、德國、英國、挪威、法國、日本、韓國、意大利等九國船級社工廠認證；橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板首批通過中國船級社產(chǎn)品認證；熱軋螺紋鋼筋、船板、Q345板獲得了國家冶金產(chǎn)品實物質(zhì)量金杯獎。在珠三角、整個華南地區(qū)，韶鋼產(chǎn)品有著舉足輕重的影響。眾多高層建筑、重點工程、高速公路、地鐵項目等都指定使用韶鋼產(chǎn)品。
2010年，韶鋼提出鞏固成果防反復(fù)，內(nèi)降成本、外拓市場、管理精益、技術(shù)創(chuàng)新、增強持續(xù)盈利能力工作思路。培育“韶華永鑄、鋼鐵意志、集思廣益、團隊一流”品質(zhì)文化，以“誠信、規(guī)范、業(yè)績、奉獻”的企業(yè)文化，全力打造裝備先進、品質(zhì)精良、績效卓越，環(huán)保生態(tài)型、品種效益型、和諧穩(wěn)健型，華南地區(qū)最具競爭力的鋼鐵精品基地。
據(jù)韶關(guān)鋼鐵集團有限公司煉鐵部主任工程師畢勇先生介紹，在本次建設(shè)的3200m3 高爐投產(chǎn)之前，韶鋼已建有7座高爐。根據(jù)韶鋼發(fā)展的遠程規(guī)劃，早期的5座350 m3小高爐因技術(shù)設(shè)備相對落后、產(chǎn)能低下，將逐步被淘汰（淘汰產(chǎn)能250萬噸/年），截至目前已關(guān)停其中的3座，另外2座也即將完成各自的歷史使命。
韶鋼8號高爐由中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司（CISDI）設(shè)計施工總承包，于2008年2月27日奠基，隨后開始進行基礎(chǔ)施工。深圳市域展工業(yè)自動化技術(shù)有限公司作為西門子高級系統(tǒng)集成商為用戶提供全套自動化系統(tǒng)集成解決方案。
韶鋼8號高爐
高爐生產(chǎn)的工藝流程和特點
高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和爐渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。
高爐工藝流程簡圖
本項目以高爐煤氣、焦爐煤氣為燃料，球團礦、燒結(jié)礦為原料，采用4座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，富氧噴煤系統(tǒng)，攪籠法爐渣處理裝置，4個鐵口循環(huán)出鐵，高爐每天出鐵12次，每次出鐵時間112min。干法煤氣除塵系統(tǒng)、TRT余壓發(fā)電裝置將高爐煤氣全部回收。
為了減少粉塵對環(huán)境污染，本次設(shè)計對原料供應(yīng)系統(tǒng)、礦槽、風(fēng)口平臺出鐵場及爐頂設(shè)置環(huán)境除塵設(shè)施，使排放含塵濃度＜100mg/Nm3。
高爐自動化過程主要包含高爐本體控制、上料和配料控制、熱風(fēng)爐控制，以及除塵系統(tǒng)控制等。高爐自動化的目的，主要是保證高爐操作的四個主要問題：正確配料并以一定的順序及時裝入爐內(nèi)；控制爐料均勻下降；調(diào)節(jié)爐料分布及保持其與熱煤氣流的良好接觸；保持高爐整體有合適的熱狀態(tài)。高爐自動化系統(tǒng)主要包括儀表檢測及控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和過程及管理用計算機。
適應(yīng)需求的最佳選擇
畢主任認為，高爐控制系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)龐雜，為滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求，主控制器的處理能力首當其沖成為了選型的關(guān)鍵指標之一。而從工藝角度來看，高爐上料系統(tǒng)（含料車上料系統(tǒng)和爐頂布料系統(tǒng)）是煉鐵高爐中最重要的一環(huán)，及時準確的上料是保證高爐產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的前提。如果上料慢，趕不上料線，將影響產(chǎn)量；如果上料錯，則會導(dǎo)致高爐拉風(fēng)、休風(fēng)的嚴重后果。此外，變頻器在運行過程中產(chǎn)生的強磁場及高次諧波所形成的干擾,是嚴重影響控制和通訊系統(tǒng)安全運行的主要因素，因此，高爐生產(chǎn)的特點對控制系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性都提出了很高的要求。
經(jīng)過慎重篩選和綜合論證，基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的SIMATIC PCS7 V7.0過程控制系統(tǒng)最終脫穎而出，擔(dān)負起了韶鋼8號高爐數(shù)字化生產(chǎn)的重任。談到這套系統(tǒng)，畢主任不無感慨：“我們和西門子公司一直保持著良好的合作關(guān)系，7號高爐使用的PCS7系統(tǒng)以及之前大量的成功應(yīng)用都已證明，西門子公司具備的國際領(lǐng)先的技術(shù)、優(yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠的服務(wù)保障能力是值得我們信賴的！”
項目具體實施
工藝概況
韶鋼8號高爐工程包括1座容積3200m3的高爐及相應(yīng)的配套設(shè)施。主要工藝設(shè)施有：
（1）礦焦槽及上料系統(tǒng)，共設(shè)礦焦槽20個。其中燒結(jié)礦槽6個；焦槽6個；球團礦槽3個；塊礦槽2個；雜礦槽2個；小塊焦槽1個，以及皮帶輸送和小塊焦回收設(shè)備等。
（2）上料系統(tǒng)，上料主皮帶機及皮帶清洗設(shè)備等。
（3）無料鐘爐頂系統(tǒng)，包括無料鐘裝料設(shè)備，布料設(shè)備，爐頂液壓設(shè)備，干油潤滑設(shè)備，水冷卻設(shè)備等。
（4）高爐本體系統(tǒng)，包括爐體冷卻裝置，32個風(fēng)口。
（5）出鐵場系統(tǒng)，包括南（C1），北（C2）雙出鐵場， 4個出鐵口，泥炮及開鐵口裝置等。
（6）煤氣除塵系統(tǒng)，包括重力除塵器，干法煤氣布袋除塵（韶鋼院），減壓閥組，煤氣切斷閥等。
（7）熱風(fēng)爐及余熱回收系統(tǒng)，包括4座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，2臺助燃風(fēng)機，余熱回收裝置等。
（8）煤粉制備及噴吹系統(tǒng)，包括干燥爐，中速磨，收粉設(shè)施，噴吹設(shè)施，供煤設(shè)施等。
（9）爐頂余壓發(fā)電（TRT）系統(tǒng)（陜鼓成套），包括透平機及其他檢測和調(diào)節(jié)設(shè)備等。
（10）水渣系統(tǒng)，包括嘉恒水渣處理設(shè)施。
（11）除塵系統(tǒng)，包括礦焦槽除塵，出鐵場除塵，以及爐頂除塵等
（12）水處理系統(tǒng)。
（13） 焦爐煤氣加壓站
（14）原燃料供料系統(tǒng)
通過PCS7控制及監(jiān)視的范圍包括：高爐礦焦槽系統(tǒng)，上料系統(tǒng)，無料鐘爐頂系統(tǒng)，高爐本體系統(tǒng)，出鐵場系統(tǒng)，爐渣處理（水渣），煤氣除塵系統(tǒng)，熱風(fēng)爐及余熱回收系統(tǒng)，煤粉制備及噴吹系統(tǒng)，水處理系統(tǒng)，焦爐煤氣加壓站，原燃料供料系統(tǒng)等。
系統(tǒng)配置
系統(tǒng)配置圖
采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建的高爐控制系統(tǒng)在功能上由兩級組成，第一級為基礎(chǔ)自動化級，第二級為計算機管理控制級。一級和二級之間通過以太網(wǎng)進行通訊，并可與企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)進行無縫連接。
1.基礎(chǔ)自動化級（一級）
主要由控制站、HMI服務(wù)器、工程師站、操作員站、PROFIBUS、FF、Ethernet通信接口或交換機、打印機等組成?？刂普荆ò娫?、CPU、Profibus DP接口模件、Ethernet接口模件），按不同工藝單元部分進行冗余或非冗余配置。HMI服務(wù)器（包括Ethernet接口和交換機）冗余配置。所有控制站完成對各工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和初步處理，并執(zhí)行生產(chǎn)過程的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和邏輯順序控制。操作員站為用戶提供了友好的人機界面，可以對各工藝系統(tǒng)進行包括總貌顯示、分組顯示、操作顯示、調(diào)整顯示、趨勢顯示、報警顯示等多種方式顯示和記錄，并對運行設(shè)備的運行及維護信息進行管理等；通過鍵盤、鼠標，按畫面操作提示，對各工藝系統(tǒng)進行生產(chǎn)操作。打印機用于故障信息打印。
冗余控制站：4臺（礦焦槽及爐頂、熱風(fēng)爐、制粉及噴吹系統(tǒng)、煤氣除塵系統(tǒng)）
非冗余控制站：9臺（供料系統(tǒng)、礦焦槽除塵系統(tǒng)、高爐本體、南爐前系統(tǒng)、北爐前系統(tǒng)、南水渣系統(tǒng)、北水渣系統(tǒng)、循環(huán)水處理系統(tǒng)、焦爐煤氣加壓站）
2.計算機管理控制級（二級）
主要由3臺過程計算機服務(wù)器，2臺PC操作終端，打印機服務(wù)器及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)打印機，與通信接口等共同組成Client/Server體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器主要用于高爐過程數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫管理、模型計算、技術(shù)計算的運行、與計算機通信等。PC操作終端主要用于過程數(shù)據(jù)的監(jiān)視、操作數(shù)據(jù)設(shè)定輸入、模型數(shù)據(jù)的設(shè)定輸入等。打印機主要用于生產(chǎn)報表打印。過程計算機通過基礎(chǔ)自動化網(wǎng)絡(luò)接口與基礎(chǔ)自動化級進行數(shù)據(jù)通信；通過以太網(wǎng)與其它生產(chǎn)部門進行數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議為TCP/IP。
分布式控制遠程連接方式
由于高爐控制系統(tǒng)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)龐雜且分散在各控制室及室外，因此針對不同的現(xiàn)場設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計了多種現(xiàn)場總線的連接方式充分滿足對于數(shù)據(jù)通訊快速、穩(wěn)定的需求。除常規(guī)的ET200系列 I/O外,為適應(yīng)室外露天放置的操作箱的特殊需求，在本系統(tǒng)中特選用了西門子專為惡劣環(huán)境應(yīng)用設(shè)計的高防護等級的分布式I/O系列—ET200pro。
1.控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 I/O連接
爐體系統(tǒng)控制柜
2. 控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 pro I/O連接
轉(zhuǎn)鼓沖洗泵操作箱
3. 控制主站通過PROFIBUS-DP與變頻驅(qū)動器及編碼器連接
溜槽傾動變頻器柜
4.通過PROFIBUS-DP/FF耦合器與流量計等智能儀表連接
爐體流量計
部分上位機監(jiān)控畫面
韶鋼煉鐵部8號高爐工況綜合監(jiān)控畫面
韶鋼煉鐵部8號高爐上料監(jiān)控畫面
輔助畫面
輔助畫面
水渣監(jiān)控畫面
新技術(shù)與亮點
高爐數(shù)字化控制
傳統(tǒng)的PLC和DCS系統(tǒng)通常倚賴硬接線點到點或模擬信號方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V) 來監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，需要系統(tǒng)配置相應(yīng)的I/O模塊、端子柜/繼電器柜、接線端子塊、現(xiàn)場接線盒等，不可避免地要面對由此產(chǎn)生的復(fù)雜接線、施工量大、時間長、出現(xiàn)異常時難以準確迅速確定故障點并解除等諸多問題。為克服以上種種弊端，基于數(shù)字化通信方式的解決方案－－現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）應(yīng)運而生。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）為網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，總線僅依靠兩芯電纜以數(shù)字信號方式與鏈路上所有的現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，它的特點是控制功能由過去的控制室設(shè)備變?yōu)橹悄苄同F(xiàn)場儀表來承擔(dān)，控制功能分散化、全數(shù)字化，可以組成大型的開放式控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)從最高決策到最低設(shè)備層的綜合管理和控制。
采用數(shù)字化控制技術(shù)以后，由于分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測量、控制、報警和計算功能，因而可明顯減少電纜橋架數(shù)量及安裝費用并縮短這部分的項目工期。據(jù)信總工程師統(tǒng)計，本項目所用的信號電纜、橋架及施工量與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比至少節(jié)省60%。在如此短時間內(nèi)完成線纜敷設(shè)、信號測試等工作在以前也是不可想象的；變頻器通過現(xiàn)場總線掛接到FCS后，用戶不僅可在遠程實現(xiàn)基本的參數(shù)設(shè)定功能，而且還可讀取更多的狀態(tài)信息與診斷信息；此外，基于現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設(shè)備都具有自診斷的能力，可實時通過數(shù)字通信的方式把診斷信息發(fā)送給中控室操作站，借助于SIMATIC PCS 7工程系統(tǒng)集成的PDM（過程設(shè)備管理器）工具，操作維護人員可方便地對智能現(xiàn)場設(shè)備（可以是來自不同制造商的產(chǎn)品）進行集中組態(tài)、參數(shù)分配、調(diào)試以及診斷維護等工作，這樣就使得系統(tǒng)的維護與診斷變得更加輕松，成本亦隨之大大降低。
FF/PROFIBUS-DP總線耦合器
由于現(xiàn)場部分電磁流量計是基于FF總線協(xié)議的，為將流量計信號納入SIMATIC PCS7，用戶選擇了 FF/PROFIBUS-DP耦合器掛接至通訊網(wǎng)絡(luò)，通過簡單的組態(tài)實現(xiàn)了FF總線儀表的輕松集成，F(xiàn)F/PROFIBUS-DP耦合器為國內(nèi)高爐控制系統(tǒng)的首次成功應(yīng)用。
獨立設(shè)置一臺中央歸檔服務(wù)器（CAS）
在SIMATIC PCS7的7.0版本中,可通過一塊普通以太網(wǎng)卡將中央歸檔服務(wù)器(CAS)連接到以太網(wǎng)上。設(shè)置獨立的CAS的優(yōu)勢在于集中并長期存放歸檔數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)能從CAS容易的導(dǎo)出到MS Excel CSV文件中并進行進一步的處理和數(shù)據(jù)分析。對于高爐系統(tǒng)而言，爐壁溫度等數(shù)據(jù)往往需要保存5年以上，一般的數(shù)據(jù)存儲方案很難實現(xiàn)高效可靠的歸檔，而CAS完全可保證數(shù)據(jù)的完整性和長期歷史數(shù)據(jù)的訪問，使用戶維護起來感到極為便利。
完美表現(xiàn)
8號高爐中控室
在總包商、系統(tǒng)集成商和用戶都積累了大量西門子控制系統(tǒng)在高爐應(yīng)用的工程經(jīng)驗后，此次項目的實施克服了經(jīng)濟危機帶來的不利影響，幾方通力合作，進展異常順利。據(jù)畢主任介紹，從2009年5月份進入系統(tǒng)調(diào)試階段到2009年9月底全套控制系統(tǒng)已投入正常運轉(zhuǎn)。10月17日，韶鋼8號3200m3高爐順利煉出第一爐鐵水，成功投產(chǎn)。在SIMATIC PCS7 V7.0的強力保駕護航下，韶鋼8號高爐投產(chǎn)后僅僅3天即達到設(shè)計指標，日產(chǎn)生鐵6780噸?！斑@是PCS7數(shù)字化高爐解決方案完美表現(xiàn)的有力證明，創(chuàng)造了國內(nèi)乃至世界大型高爐達產(chǎn)速度新紀錄，在場的來自寶鋼的專家都對這樣的驕人成績贊不絕口”，畢主任對于控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的滿意之情溢于言表，“投入生產(chǎn)以來，無論產(chǎn)量、燃燒比還是綜合焦比，這座高爐達到的指標都已在國內(nèi)范圍名列前茅，這與西門子提供的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)保障都是密不可分的?！?/FONT>
未來，我們共同期待
對于鋼鐵企業(yè)而言，高爐生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的生產(chǎn)流程，如何有效地不斷提高煉鐵水平始終是擺在每一個鋼鐵企業(yè)面前的課題。展望未來，我國的高爐更加趨于大型化、高效化、現(xiàn)代化、長壽化、清潔化，高爐的數(shù)字化生產(chǎn)及在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)的廠級數(shù)字化管理、數(shù)字化經(jīng)營也將成為越來越多鋼鐵企業(yè)的共識與傾力達到的目標，也唯有如此才能使其自身在競爭激烈的市場上占有一席之地。此次西門子SIMATIC PCS7 V7.0在韶鋼8號高爐的成功應(yīng)用不僅給韶關(guān)鋼鐵集團有限公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益，進一步提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力，同時也保障了其實現(xiàn)社會效益和環(huán)境效益雙豐收。作為目前國內(nèi)綜合指標領(lǐng)先的高爐，韶鋼8號高爐已為多個正在籌建中的項目提供了配套控制系統(tǒng)的成功樣本。
“銀橋飛架錦江邊，綠水青山映碧天。 玉峰瓊樓增異彩，丹霞自古醉詩仙?！迸c南粵名山丹霞山遙遙相望的韶鋼正在這醉人美景的環(huán)抱中，站在企業(yè)發(fā)展的新起點上邁開自信穩(wěn)健的步伐，向著未來更高更遠的目標不斷前行。
本文標簽：西門子數(shù)字化高爐解決方案在韶鋼3200m3高爐的應(yīng)用
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