西門子全集成自動(dòng)化解決方案在韶鋼3200m3高爐的應(yīng)用

　　前言：

　　目前，我國(guó)正處于工業(yè)化的中后期，較之以往更加注重推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(fèi)拉動(dòng)大，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、財(cái)政稅收、國(guó)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(shí)，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(guó)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(yùn)行，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)與其相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化與信息化水平提出了更新、更高的要求。

　　韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司

　　廣東省韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)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(guó)有企業(yè)集團(tuán);成為世界鋼鐵企業(yè)100強(qiáng)，中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)、廣東企業(yè)50強(qiáng);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(guó)重要的船板鋼生產(chǎn)基地。2009年，面對(duì)全球金融危機(jī)，韶鋼抓管理、練內(nèi)功、調(diào)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)創(chuàng)新，積極應(yīng)對(duì)，年產(chǎn)鋼422.68萬噸，鐵418.54萬噸，鋼材405.57萬噸，實(shí)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(hào)，船板鋼通過了中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、挪威、法國(guó)、日本、韓國(guó)、意大利等九國(guó)船級(jí)社工廠認(rèn)證;橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板首批通過中國(guó)船級(jí)社產(chǎn)品認(rèn)證;熱軋螺紋鋼筋、船板、Q345板獲得了國(guó)家冶金產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量金杯獎(jiǎng)。在珠三角、整個(gè)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(diǎn)工程、高速公路、地鐵項(xiàng)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(chǎng)、管理精益、技術(shù)創(chuàng)新、增強(qiáng)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(tuán)隊(duì)一流”品質(zhì)文化，以“誠(chéng)信、規(guī)范、業(yè)績(jī)、奉獻(xiàn)”的企業(yè)文化，全力打造裝備先進(jìn)、品質(zhì)精良、績(jī)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(jìng)爭(zhēng)力的鋼鐵精品基地。

　　據(jù)韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)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(yuǎn)程規(guī)劃，早期的5座350 m3小高爐因技術(shù)設(shè)備相對(duì)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(hào)高爐由中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司(CISDI)設(shè)計(jì)施工總承包，于2008年2月27日奠基，隨后開始進(jìn)行基礎(chǔ)施工。深圳市域展工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司作為西門子高級(jí)系統(tǒng)集成商為用戶提供全套自動(dòng)化系統(tǒng)集成解決方案。

　　高爐生產(chǎn)的工藝流程和特點(diǎn)

　　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?fàn)t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。

　　本項(xiàng)目以高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣為燃料，球團(tuán)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(gè)鐵口循環(huán)出鐵，高爐每天出鐵12次，每次出鐵時(shí)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(duì)環(huán)境污染，本次設(shè)計(jì)對(duì)原料供應(yīng)系統(tǒng)、礦槽、風(fēng)口平臺(tái)出鐵場(chǎng)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(dòng)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(dòng)化的目的，主要是保證高爐操作的四個(gè)主要問題：正確配料并以一定的順序及時(shí)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(dòng)化系統(tǒng)主要包括儀表檢測(cè)及控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和過程及管理用計(jì)算機(jī)。

　　適應(yīng)需求的最佳選擇

　　畢主任認(rèn)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(dāng)其沖成為了選型的關(guān)鍵指標(biāo)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(shí)準(zhǔn)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(cuò)，則會(huì)導(dǎo)致高爐拉風(fēng)、休風(fēng)的嚴(yán)重后果。此外，變頻器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)及高次諧波所形成的干擾,是嚴(yán)重影響控制和通訊系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素，因此，高爐生產(chǎn)的特點(diǎn)對(duì)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(chǎng)總線的SIMATIC PCS7 V7.0過程控制系統(tǒng)最終脫穎而出，擔(dān)負(fù)起了韶鋼8號(hào)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(hào)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(guó)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(xiàng)目具體實(shí)施

　　工藝概況

　　韶鋼8號(hào)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(gè)。其中燒結(jié)礦槽6個(gè);焦槽6個(gè);球團(tuán)礦槽3個(gè);塊礦槽2個(gè);雜礦槽2個(gè);小塊焦槽1個(gè)，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(jī)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(rùn)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(gè)風(fēng)口。

　　(5)出鐵場(chǎng)系統(tǒng)，包括南(C1)，北(C2)雙出鐵場(chǎng)， 4個(gè)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(tái)助燃風(fēng)機(jī)，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(jī)及其他檢測(cè)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(chǎng)除塵，以及爐頂除塵等

　　(12)水處理系統(tǒng)。

　　(13)焦?fàn)t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(chǎng)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?fàn)t煤氣加壓站，原燃料供料系統(tǒng)等。

　　采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建的高爐控制系統(tǒng)在功能上由兩級(jí)組成，第一級(jí)為基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，第二級(jí)為計(jì)算機(jī)管理控制級(jí)。一級(jí)和二級(jí)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，并可與企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫連接。

　　1.基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(一級(jí))

　　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(jī)、打印機(jī)等組成?？刂普?包括電源、CPU、Profibus DP接口模件、Ethernet接口模件)，按不同工藝單元部分進(jìn)行冗余或非冗余配置。HMI服務(wù)器(包括Ethernet接口和交換機(jī))冗余配置。所有控制站完成對(duì)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(jī)界面，可以對(duì)各工藝系統(tǒng)進(jìn)行包括總貌顯示、分組顯示、操作顯示、調(diào)整顯示、趨勢(shì)顯示、報(bào)警顯示等多種方式顯示和記錄，并對(duì)運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行及維護(hù)信息進(jìn)行管理等;通過鍵盤、鼠標(biāo)，按畫面操作提示，對(duì)各工藝系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)操作。打印機(jī)用于故障信息打印。冗余控制站：4臺(tái)(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(tái)(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?fàn)t煤氣加壓站) 2.計(jì)算機(jī)管理控制級(jí)(二級(jí))主要由3臺(tái)過程計(jì)算機(jī)服務(wù)器，2臺(tái)PC操作終端，打印機(jī)服務(wù)器及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，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(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、模型計(jì)算、技術(shù)計(jì)算的運(yùn)行、與計(jì)算機(jī)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(jī)主要用于生產(chǎn)報(bào)表打印。過程計(jì)算機(jī)通過基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)接口與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;通過以太網(wǎng)與其它生產(chǎn)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議為TCP/IP。

　　分布式控制遠(yuǎn)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(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線的連接方式充分滿足對(duì)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(jì)的高防護(hù)等級(jí)的分布式I/O系列—ET200pro。

        1.控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 I/O連接

        2. 控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 pro I/O連接

　　3. 控制主站通過PROFIBUS-DP與變頻驅(qū)動(dòng)器及編碼器連接

　　4.通過PROFIBUS-DP/FF耦合器與流量計(jì)等智能儀表連接

　　新技術(shù)與亮點(diǎn)

　　全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)為網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的PLC和DCS系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是控制功能由過去的控制室設(shè)備變?yōu)橹悄苄同F(xiàn)場(chǎng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)從最高決策到最低設(shè)備層的綜合管理和控制。

　　采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以后，由于分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測(cè)量、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可大幅減少變送器的數(shù)量，不再需要傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及相應(yīng)的復(fù)雜接線;同時(shí)還可明顯減少電纜橋架數(shù)量及安裝費(fèi)用并縮短這部分的項(xiàng)目工期。據(jù)信總工程師統(tǒng)計(jì)，本項(xiàng)目所用的信號(hào)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(shí)間內(nèi)完成線纜敷設(shè)、信號(hào)測(cè)試等工作在以前也是不可想象的;此外，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有自診斷的能力，可實(shí)時(shí)通過數(shù)字通信的方式把診斷信息發(fā)送給中控室，操作維護(hù)人員能夠方便地查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使得維護(hù)與診斷也變得更加輕松，成本隨之大大降低。

　　FF/PROFIBUS-DP耦合器

　　由于現(xiàn)場(chǎng)部分電磁流量計(jì)是基于FF總線協(xié)議的，為將流量計(jì)信號(hào)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(jiǎn)單的組態(tài)實(shí)現(xiàn)了FF總線儀表的輕松集成，F(xiàn)F/PROFIBUS-DP耦合器為國(guó)內(nèi)高爐控制系統(tǒng)的首次成功應(yīng)用。

　　獨(dú)立設(shè)置一臺(tái)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(dú)立的CAS的優(yōu)勢(shì)在于集中并長(zhǎng)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(jìn)行進(jìn)一步的處理和數(shù)據(jù)分析。對(duì)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(chǔ)方案很難實(shí)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(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)的訪問，使用戶維護(hù)起來感到極為便利。

　　完美表現(xiàn)

　　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(yàn)后，此次項(xiàng)目的實(shí)施克服了經(jīng)濟(jì)危機(jī)帶來的不利影響，幾方通力合作，進(jìn)展異常順利。據(jù)畢主任介紹，從2009年5月份進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)。10月17日，韶鋼8號(hào)3200m3高爐順利煉出第一爐鐵水，成功投產(chǎn)。在SIMATIC PCS7 V7.0的強(qiáng)力保駕護(hù)航下，韶鋼8號(hào)高爐投產(chǎn)后僅僅3天即達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，日產(chǎn)生鐵6780噸?！斑@是PCS7完美表現(xiàn)的有力證明，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)乃至世界大型高爐達(dá)產(chǎn)速度新紀(jì)錄，在場(chǎng)的來自寶鋼的專家都對(duì)這樣的驕人成績(jī)贊不絕口”，畢主任對(duì)于控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(dá)到的指標(biāo)都已在國(guó)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>