1 引言
燒結(jié)生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，它包括原料，配料，混料，燒結(jié)和成品系統(tǒng)等幾方面。原來(lái)的系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的單回路儀表控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的有效控制。這里我們采用PLC對(duì)其進(jìn)行控制，能夠取得較好的控制效果。
2 原料控制系統(tǒng)
(1) 熔劑系統(tǒng)
熔劑系統(tǒng)負(fù)責(zé)向配料系統(tǒng)提供消石灰、白云石、石灰石等原料。系統(tǒng)依有無(wú)上料要求來(lái)判斷料線是否運(yùn)行。由于三種物料共用一條主料線，因此設(shè)計(jì)了許多保護(hù)與判斷功能，用來(lái)防止混料;
(2) 鐵料系統(tǒng)
鐵料系統(tǒng)負(fù)責(zé)向配料系統(tǒng)提供鐵料。小車自動(dòng)找到要上料的物料槽之后，向料線發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，鐵料倉(cāng)庫(kù)給料圓盤則與當(dāng)前要上料的品種號(hào)進(jìn)行比較，結(jié)果相同的圓盤啟動(dòng)給料，反之停車。當(dāng)需要更換上料品種時(shí)，當(dāng)前工作圓盤離線，料線保持運(yùn)行，使原物料卸光，然后小車行至目標(biāo)槽，新的物料開始給料。若換槽而不換品種，則小車可帶料行走，料線不發(fā)生變化;
(3) 燃料系統(tǒng)
燃料系統(tǒng)負(fù)責(zé)向配料系統(tǒng)提供煤粉，由三段組成，每一段料線流程的動(dòng)作均依各段料線終點(diǎn)處卸料小車的位置和各受料料槽料位的變化情況而自動(dòng)決定小車的行進(jìn)目標(biāo)與料線的啟停。
原料系統(tǒng)的三個(gè)系統(tǒng)具有料線聯(lián)鎖、卸料小車自動(dòng)／手動(dòng)卸料、自動(dòng)尋找物料對(duì)應(yīng)關(guān)系和物料品種切換關(guān)系，自動(dòng)找槽定位等功能。
3 自動(dòng)配料系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)的工藝要求
配料系統(tǒng)的主要任務(wù)是按燒結(jié)機(jī)對(duì)物料的需求量，計(jì)算、分配、控制原料礦槽的下料量，以保證物料平衡和化學(xué)成分符合要求。工藝上對(duì)控制系統(tǒng)的要求是:
(1) 實(shí)現(xiàn)各配料秤和集料皮帶機(jī)的順序起停、單機(jī)起停和同時(shí)起停;
(2) 實(shí)現(xiàn)各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比計(jì)算功能
根據(jù)總量和各臺(tái)秤的配比，計(jì)算每臺(tái)秤的流量設(shè)定值;
(4) 流量計(jì)算功能
根據(jù)檢測(cè)到的重量信號(hào)和皮帶速度信號(hào)，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)物料的平均流量，以此平均流量作為反饋量進(jìn)行PID調(diào)節(jié);
(5) 報(bào)警功能
對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的故障如堵料、皮帶打滑、電機(jī)過(guò)流過(guò)載等進(jìn)行聲光報(bào)警，出現(xiàn)堵料情況時(shí)，要求自動(dòng)起動(dòng)礦槽上的振動(dòng)器電機(jī)，恢復(fù)下料后自動(dòng)停振;
(6) 熱備功能
要求兩個(gè)系統(tǒng)的兩臺(tái)上位機(jī)具有熱備功能，即每一臺(tái)上位機(jī)可同時(shí)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的下位機(jī)(PLC)進(jìn)行監(jiān)控;
(7) 報(bào)表打印功能
人工干預(yù)和定時(shí)打印各種時(shí)報(bào)、班報(bào)、月報(bào)等報(bào)表;
(8) 停電保護(hù)功能
停電后再次供電時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化復(fù)位，保證各臺(tái)設(shè)備均處于停機(jī)狀態(tài)，以防人身事故和設(shè)備事故的發(fā)生。
3.2 控制系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。控制設(shè)備選用德國(guó)SIEMENS公司的PLC系列可編程序控制器。每一配料系統(tǒng)都配有一臺(tái)上位機(jī)和一臺(tái)下位機(jī)。通過(guò)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，彼此相連。下位機(jī)的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可編程控制器，上位機(jī)采用臺(tái)灣研華公司的工業(yè)控制機(jī)IPC。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)配置的軟件有S7-400編程軟件和SIMATIC WinCC全面開放的新一代人機(jī)界面監(jiān)控軟件。STEP 7-400用于PLC的編程、調(diào)試和生成各種程序文檔，SIMATIC WinCC用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。
3.3 檢測(cè)和控制原理
系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖

物料重量通過(guò)荷重傳感器檢測(cè)，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的直流毫伏信號(hào)，再通過(guò)直流毫伏變送器變換為直流4～20mA信號(hào)，送到A/D模板。皮帶秤電機(jī)轉(zhuǎn)速由直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的直流電壓經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降壓，得到與轉(zhuǎn)速成正比的直流0～5V信號(hào)，送到A/D模板。假設(shè)某一時(shí)刻，皮帶秤有效稱量段上的物料重量為W，皮帶的線速度為V，有效稱量段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則該時(shí)刻物料的瞬時(shí)流量為
F=1/L×W×V (1)
根據(jù)式(1)，可以計(jì)算每一采樣時(shí)刻的瞬時(shí)流量，并進(jìn)一步計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的平均流量。將其與操作員通過(guò)鍵盤輸入的流量給定值比較，然后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算得到控制量，最后通過(guò)D/A模板輸出4～20mA的直流信號(hào)，控制變頻器改變輸出頻率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變物料流量的目的。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
SIEMENS公司的STEP7系列指令系統(tǒng)功能非常強(qiáng)，不僅有豐富的用于斷續(xù)控制的指令，而且有很多運(yùn)算和控制指令，如PID控制指令，數(shù)據(jù)類型近十種，包括整型、實(shí)型等等，這給編程帶來(lái)很大的方便。
控制軟件采用梯型圖語(yǔ)言編制。編程時(shí)，遵循軟件工程規(guī)范，根據(jù)結(jié)構(gòu)化、模塊化原則，把功能相對(duì)獨(dú)立的部分編制為一個(gè)子程序，盡量減少子程序之間的聯(lián)系，主程序依據(jù)不同條件調(diào)用各個(gè)子程序，完成相應(yīng)的功能．軟件部分包括:
(1) 主程序;
(2) 順序控制;
(3) 流量計(jì)算;
(4) 配比計(jì)算;
(5) PID調(diào)節(jié);
(6) 故障處理。
另外，上電復(fù)位時(shí)，CPU自動(dòng)調(diào)用故障例行子程序，完成上電保護(hù)功能。
在上述各個(gè)子程序中，流量計(jì)算中的數(shù)字濾波子程序非常重要。假如直接以瞬時(shí)流量作為反饋量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，那么由于物料流波動(dòng)很大，經(jīng)常造成瞬時(shí)流量大幅度變化，使調(diào)節(jié)過(guò)程不易平穩(wěn)。因此，我們利用數(shù)字濾波子程序計(jì)算平均流量并以此作為反饋值。

4 燒結(jié)系統(tǒng)
燒結(jié)機(jī)子系統(tǒng)將混合料經(jīng)點(diǎn)火爐點(diǎn)火燃燒，機(jī)上冷卻成燒結(jié)礦并破碎，使其成為合格的高爐原料。它是系統(tǒng)的核心，除了滿足工藝的常規(guī)流程控制外，主要還有下列模擬量控制:
(1) 鋪底料圓輥調(diào)速
控制鋪底料料層厚度，采用比率調(diào)節(jié);
(2) 混合料圓輥調(diào)速
控制燒結(jié)機(jī)料層厚度，采用比率調(diào)節(jié);
(3) 鋪底料給料機(jī)調(diào)速
預(yù)估鋪底料礦槽料位的變化，調(diào)節(jié)鋪底料料流量;
(4) 冷卻終點(diǎn)控制
通過(guò)調(diào)節(jié)燒結(jié)機(jī)機(jī)速，使冷卻終點(diǎn)溫度控制在一個(gè)人為的設(shè)定值范圍內(nèi);
(5) 爐溫調(diào)節(jié)
串級(jí)加比值調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為煤／空回路的串級(jí)輸入，溫度環(huán)采用PID調(diào)節(jié)，煤／空回路采用PI調(diào)節(jié)并按一定的工況所設(shè)定的比值自動(dòng)跟蹤;
(6) 物料平衡
使混合料槽物料的進(jìn)入量與燒結(jié)機(jī)的需求量保持基本平衡，采用模型來(lái)計(jì)算未來(lái)可能需要的總配料量。

5 燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其性能指標(biāo)
燒結(jié)燃燒系統(tǒng)是燒結(jié)工藝中影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量最直接和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，為了穩(wěn)定生產(chǎn)并保證燒結(jié)質(zhì)量，燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由三個(gè)分系統(tǒng)組成。
(1) 系統(tǒng):煤氣總管穩(wěn)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
可根據(jù)外部煤氣管網(wǎng)工況將總管壓力穩(wěn)定在4000Pa或4500Pa(根據(jù)設(shè)定)，因其檢測(cè)點(diǎn)距離調(diào)節(jié)閥較近，滯后小，系統(tǒng)靈敏，階躍響應(yīng)迅速;
(2) 點(diǎn)火器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)
通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣閥門開度，可控制點(diǎn)火器溫度，恒定在1200℃的設(shè)定值上。
(3) 空氣／煤氣比例隨動(dòng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)
通過(guò)調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)閥閥門開度，使進(jìn)入點(diǎn)火器的空氣流量自動(dòng)按設(shè)定的空／煤比系數(shù)跟蹤煤氣流量。
6 成品處理系統(tǒng)
成品處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)把燒結(jié)礦按粒度分類，一部分成品送高爐，一部分返回?zé)Y(jié)機(jī)作鋪底料，不合格品返回配料系統(tǒng)參與混合料配比。
除流程聯(lián)鎖控制外，本系統(tǒng)還有篩分(雙層振動(dòng)篩)流向選擇控制，燒結(jié)礦送高
爐流向控制。系統(tǒng)根據(jù)高爐的操作條件，一旦確認(rèn)是要料，燒結(jié)礦便能按控制的流向到達(dá)目的地。同時(shí)，無(wú)論何時(shí)高爐輸料皮帶發(fā)生故障，系統(tǒng)在幾秒鐘內(nèi)便能響應(yīng)，停止相應(yīng)的流程并保證其它流向正常工作。
7 卸灰系統(tǒng)
卸灰子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將燒結(jié)結(jié)礦中的不合格品以及除塵系統(tǒng)收集的粉塵送往配料系統(tǒng)參加配料，以改善混合料的造球性能。本系統(tǒng)除了控制輸料皮帶和卸灰設(shè)備按一定的“松散”關(guān)系聯(lián)鎖外，還控制燒結(jié)機(jī)下人煙道兩側(cè)的雙層卸灰閥按一定的部位和時(shí)間卸灰。
控制卸灰閥的時(shí)間是一條“環(huán)形”脈沖帶，它把均勻分布在左右煙道兩側(cè)的卸灰閥按高低序號(hào)向中間逼近的方法，定時(shí)啟動(dòng)卸灰，這保證了煙道卸灰的均勻性和具有一定的負(fù)壓。
8 鋪底料系統(tǒng)
鋪底料子系統(tǒng)用來(lái)向燒結(jié)機(jī)提供均衡的鋪底料，用以改善混合料在燒結(jié)過(guò)程中的透氣性并對(duì)臺(tái)車爐篦起一定的保護(hù)作用。
該系統(tǒng)具有較大的獨(dú)立性。通過(guò)與燒結(jié)機(jī)通訊，給料設(shè)備供給的鋪底料使鋪底料礦槽保持一定的料位。
9 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)在武鋼燒結(jié)廠自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，所設(shè)計(jì)的功能均已投入使用。無(wú)論在精度、穩(wěn)定性及其它一些控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)方面，均能達(dá)到滿意的效果。特別是配料總量自動(dòng)跟蹤、混合料加水控制和小容量礦槽物料平衡控制對(duì)保證工況正常，提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量發(fā)揮了良好的作用，又由于編程主要采用了梯形圖語(yǔ)言，使得用戶容易掌握，因而受到了用戶熱忱的歡迎。
另外，在降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境等方面也取得一定的成效。值得大力推廣。