热风炉自动控制系统

1、热风炉自动控制系统孟照崇 控制工程2015 153085210040摘要：本论文主要叙述中小型高炉炼铁自动化系统结构、功能及主要系统的自动控制的原理及其实际应用。着重叙述了热风炉的参数控制过程（热风炉检测仪表及控制系统，热风炉换炉自动控制系统，）和应用。关键词：热风炉；自动控制；应用Abstract ：This thesis mainly narrates the middle and small scale blast furnace iron-smelting automated system structure, function and mainly control the princ

2、iple of the system automatically and it is physically applied. Emphasized to describe a process (hot-blast stove detection instrumentation and control system, the hot-blast stove trades the stove automatic control system) that hot-blast stove parameter control and aplly.Keywords: Hot-blast stove； au

3、tomatic control； application1.前言高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。传统的完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都是具有完善的基础自动化和使用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流

4、量，并对基础自动化的热风炉燃烧自动控制系统进行有关的设定。在国外，已经使用人工智能的方式来代替数学模型，如日本川崎钢铁公司就开发了模糊控制系统取代数学模型。日本钢铁公司（新日铁）也使用专家系统来取代数学模型。设计方案：高炉热风炉系统的基本组成：高炉本体、储矿槽、出铁场、除尘器、热风炉和辅助系统（煤气清洗、炉顶煤气余压发电（TRT）、水渣、水处理和制煤粉车间）等组成.研究内容：1.设计高炉热风炉系统各种工艺设备（如：热风炉顺控和换炉操作等）启动、停止以及过程参数（如：包括高炉本体数百项温度、压力、流量数据，综合鼓风的风量、风温、富氧量与富氧压力、喷媒量与喷媒压力，上料过程、布料过程的模拟盘、热风

5、炉转台的转换等）的检测、报警、联锁系统。2.设计、实现PID调节回路的连续控制和逻辑控制功能。3.对各种参数（如：热风炉余热量、冷风温度、送风温度、煤气流量和冷风流量）进行实时、历史趋势记录，生成班、日、月统计表。研究目标：1.在上位机实现高炉热风炉系统的自动控制、手动控制及就地显示。2.系统采用分布I/O方式，设计实现高炉热风炉系统操作站与PLC高炉热风炉控制系统间的数据交换和通讯。为提高生产安全性，要保证基本联锁要求。高炉热风炉系统过程控制技术主要的作用有：1、节能降耗2、改善环境3、提高效率因此，高炉热风炉自动控制系统的设计及应用、推广成为高炉热风炉技术发展的主要方向之一。1.2高炉炼铁

6、生产工艺流程现代大型高炉车间生产工艺流程，包括主体和辅助系统，主体系统包括五部分；高炉本体、储矿槽、出铁场、除尘器、和热风炉。辅助系统则有煤气清洗、炉顶煤气余压发电（TRT）、水渣、水处理和制煤粉车间等。其工艺流程如图1所示：循环泵堆存待用瓦斯泥澄清水煤气用户瓦斯灰堆存铁水原燃料高炉炉渣煤气渣场水淬碎石铺路，注混凝土水泥混合材料铸铁提钒炼钢重力除尘煤气烧结矿配料水洗涤塔含尘废水图1高炉工艺流程图1.3高炉炼铁主要设备高炉本体是冶炼生产的主要设备，它是由耐火材料砌筑的竖式圆筒型炉体，最外层是由钢板材料制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。要完成高炉炼铁生产，除高炉本体外，还必须其它附属系统

7、的配合，它们是： （1）供料系统：包括贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分等一系列设备，主要任务是及时、准确、稳定的将合格原料送入高炉。（2）送风系统：包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，主要任务是连续可靠的供给高炉冶炼所需热风。（3）煤气除尘系统：包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，主要任务是回收高炉煤气，使其含尘量降至10mg/m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。（4）渣铁处理系统：包括出铁场、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，主要任务是及时处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉生产正常化进行。（5）喷吹燃料系统：包括原料的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等

8、系统，主要任务是均匀稳定的向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。2热风炉控制系统2.1高炉操作的计算机控制2.1.1计算机控制系统的配置高炉计算机控制的范围日益扩大，采用多台计算机使功能分散但又能集中操作，即所谓集中分散系统，是当前计算机配置的主流。主要配置形式有两种:多级系统一般采用两级计算机系统，即由过程计算机和局部控制系统组成。局部控制级由控制微机或可编程控制器(PLC)及检测元件、变送器等装置组成，担负大量数据的采集和有效处理，完成各子系统的局部控制。过程计算机则担负数模计算，并与原料和炼钢联系，建立大容量数据库，集中显示，监视局部控制及操作，完成对高炉的总体控制。宝钢1号高炉即

9、为此类计算机系统配置。分布系统不设过程计算机而将其功能分散到各个以微机为中心的局部网络站(DPV)或集散系统(II3C)中，还取消了专用通讯指挥器，把指挥和控制通讯功能分散到各站。台湾钢铁公司3号高炉采用这种计算机系统，称为WBt'F系统。2.1.2计算机控制的职能高炉计算机控制的职能如下:（1）原料准备及运输:的原料场堆、取料机控制监视其工作状态和位置，计算收、支库存量及打印清单等。1) 矿槽控制矿槽贮料分配及槽存情况，水分测量，物料称量及补正，配料计算及高炉装料控制等。原料来自原料场至矿槽以及装人炉内的料批等全线跟踪。3) 炉顶装料控制炉顶均压系统及装料程序的控制，装料制度选择及料

10、面高度测量。 4) 原料和装料情况显示及报表打印。（2）高炉操作控制:1) 高炉操作数据的采集、处理、贮存与显示，高炉生产报表打印。2) 送风系统控制，即风温、湿分、风量控制。3) 喷吹系统控制，即喷吹量控制及喷吹系统运行控制。 4) 出铁控制，即出铁量控制、渣铁温度测量，出铁场除尘控制，5) 高炉过程(热状态、气流分布、铁水成分等)控制，及炉况诊断。6) 高炉冶炼技术指标计算，各冶炼模型计算。（3）热风炉控制:1) 换炉程序控制;2) 热风沪工作方式控制，即热风炉组循坏送风或并联送风控制，倒流休凤; 3) 热风炉燃烧控制;4) 热凤炉燃烧及传热模型计算。（4）高炉煤气系统控制:1) 炉顶压力

11、控制与调整; 2) 余压发电控制; 3) 煤气清洗控制，即洗涤塔喷水及水位控制;4) 炉顶煤气成分分析。（5）高炉冷却水系统控制:1) 一次新水控制; 2) 二次循环水控制; 3) 换热器工作控制。（6）高炉设备工作监测，即冷却系统漏水检测、报警等。2.1.3计算机的特点和控制方法高炉过程极为复杂，它不仅是气、固、液三相闻的传热、传质、动量传递和复杂的化学反应过程的逆流反应器，而且是最大规模的生产设备，输人输出量都极大，很难控制其输入条件恒定不变。此外，各种因索的变化影响具有很长的延迟特性，更增加了控制的难度。把高炉作为恒稳态对象来控制并不成功，采用功态控制和动态模型是当前的主要方向。控制高炉

12、的输人变量，减少各种千扰因素造成的影响是控制的主要任务。一般采用两种方法控制高炉:一是前馈控制，消除输入参数的干扰，如称量补正、水分补正、风温、温度和风量的控制等;二是反馈控制，根据产品结果对预想不到的因素或前馈控制不住的因素变化进行反馈控制。2.2热风炉系统设备组成本高炉配有四座顶燃式热风炉。热风炉系统包括4座热风炉、2台助燃风机和1座液压站组成。每座热风炉安装了11台阀门，分别是：冷风阀(LFF)、热风阀(RFF)、冷风充压阀(LCF)、冷风调节阀（LTF）等。燃烧系统阀门有：废气阀(FQF)、烟道阀(YDF)、助燃空气燃烧阀(ZQF)、助燃空气调节阀（ZTF）、高炉煤气燃烧阀(RSF)、

13、高炉煤气切断阀(MQF)、高炉煤气调节阀(MTF)等。另外还有3台公共辅助阀门，分别是热风炉倒流休风放散阀、混风切断阀、混风调节阀。冷风充压阀热风阀高炉煤气切断阀2高炉煤气调节阀2助燃空气燃烧阀2冷风调节阀热风炉MMM助燃空气管热风管煤气管冷风总管M煤气管助燃空气管废气管助燃空气燃烧阀1烟道阀冷风阀废气阀M高炉煤气燃烧阀2高炉煤气切断阀1高炉煤气调节阀1高炉煤气燃烧阀1助燃空气调节阀1助燃空气调节阀2图2热风炉系统结构图2.3热风炉的作用本高炉配有四座顶燃式热风炉，主要负责燃烧、蓄热、给冷风加热，并将热风送进高炉。即热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，他是按“蓄热”原理工作的热交换器。在燃烧

14、室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而备加热并送出。高炉一般装有34座热风炉，在“单炉送风”时，两或三座在加热，一座在送风，轮流更换，在“并联送风”时，两座在加热两座在送风。2.4热风炉控制功能本系统根据工艺要求，对热风炉本体及附属系统（如送风系统，高炉煤气系统、冷风系统、预热系统、热风阀冷却系统等）的有关热工参数进行显示。并对有关参数进行趋势记录，对煤气流量和冷风流量进行计算，同时提供必要的电气联锁信号。 热风炉由耐火材料砌筑而成，可承受极高的温度及温度变化，在热风炉燃烧期，高炉煤气和助燃空气在

15、燃烧室内燃烧。燃烧废气通过烘顶后进入蓄热室格子砖，热量传递给格子砖，单烘顶温度荷废气温度达到规定值后燃烧期停止，废气由烟囱排出大气。热风炉准备向高炉提供热风。即进入送风期。在送风期，冷风以相反的方向吹入格子砖。空气被加热，离开热风炉成为热风，热风经热风支管、主管、围管进入高炉。由于一个热风炉的作用是间断的热交换，而高炉需要提供连续的热风，所以三或座热风炉是必要的。热风炉的控制功能可分为以下三个主要部分：-热风炉燃烧-热风炉顺控和换炉-热风炉本体和热风公共部分热风炉燃烧由控制系统程序控制，它完成热风炉荷热过程的调节控制和设计值计算即监视控制等。热风炉顺控和换炉操作：由来自控制系统的热风炉换炉逻辑

16、中的顺序开始指令执行，液压和电动阀门按要求的位置顺序动作，具有用于操作者的状态指示和报警。用于全部高炉操作的热风和热风炉公共部分是必要的，也由控制和控制系统。所有4座热风炉公共部分的项目均包含在此设备组中。2.5热风炉自动控制系统及其控制方案2.5.1热风炉工艺流程及工艺控制要求1.热风炉工艺流程热风炉主要任务，是将由冷风总管送来的冷风经热风炉送风系统阀门送至热风炉加热后，再送到高炉2.热风炉的工作状态热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。(1) 热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产

17、生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(2) 热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(3) 热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。3.热风炉工作状态的转换热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时，应保证整

18、个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。热风炉工作状态改变周期顺序如下：燃烧 休止 送风 休止 图3热风炉工作状态改变周期图2.5.2高炉热风炉仪表控制要求1.高炉热风炉仪表控制的主要功能(1) 助燃空气总管压力检测和控制本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。(2) 净煤气总管温度检测、压力检测和控制(3) 热风炉燃烧控制高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。燃烧控制得好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最

19、关键的控制环节之一。(4) 热风炉混风温度控制热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。在基本工作制时,靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送,故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。（5）冷风温度和富氧自动控制、送风湿度控制。2.高炉热风炉仪表控制的主要参数高炉热风炉控制系统主要参数有：拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、净煤气总管压力和净煤气总管流量。2.5.3热风炉燃烧过程控制 1.热风炉的燃烧过程及控制热风炉燃烧控

20、制主要包括拱顶温度控制、废气温度控制、空燃比控制、废气中含氧量分析。热风炉燃烧所用的燃料为焦炉煤气()和高炉煤气(),两种燃料进入热风炉燃烧室后,在燃烧混合器内进行混合,再与助燃空气一起通过陶瓷烧嘴进行燃烧。热风炉的燃烧时间约为110min左右。燃烧时，炉体温度达1050度左右，拱顶温度最高不得超过1350度。热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值（空燃比）来实现。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说,包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。热风炉的燃烧过程如图所示，它分为加热期和蓄热期。在加热期内，在限

21、定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限(图2-3中350),否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。燃烧期蓄热期 t烟气温度煤气流量助燃空气量拱顶温度350280图4热风炉燃烧过程原理图下面

22、分别介绍几种具有代表性的热风炉燃烧控制系统。1) 三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制（图 5）。燃烧控制以拱顶温度为目标值来控制COG量，以废气温度为目标值来控制BFG量。 图5 配三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制COG/BFG之间的比率和两种煤气与助燃空气的比率可由计算机根据数学模型演算的结果来设定，当计算机故障或停运时，可由手动设定器来进行人工设定。燃烧控制以BFG流量为主导，根据燃烧模型计算热风炉蓄热室的蓄热量，推算出BGF流量调节器的设定值，再从其中减去温度调节器额输出后，作为最终设定值。COG量I01的 设定值可由下式求出；I01n1I1- 式中；n1-COG/BFG比率；I1-BFG流量

23、信号；-拱顶温度调节器的输出信号。 助燃空气流量ICE应为燃烧COG和BFG所需助燃空气量之和。燃烧BFG所需空气量I02为；I02n2I1 式中； n2-燃烧BFG的空燃比；I1-BFG流量信号；I02-比率设定器的输出信号 燃烧COG和BFG之和所需的空气量为； I03n3I2+ I02 式中； n3-燃烧COG的空燃比；I1-COG流量信号；I03-空气流量的设定信号 由于空气流量的设定值要根据COG和BFG的流量来确定，在燃烧初期建立空气流量时只有煤气量先行，煤气量先行会冒黑烟，为了不因煤气先行冒黑烟，在系统中设置空气流量初期开度设定器。2) 配两孔燃烧器的热风炉燃烧控制（图 6）。燃

24、烧初期，煤气和空气流量按比率设定器所设定的空燃比进行燃烧；I01n1I1 + 式中；n1-空燃比；I1-煤气流量信号；I01-空气控制器的设定信号 -拱顶温度控制器的输出信号。图6 配两孔燃烧器的热风炉燃烧控制当拱顶温度升至设定值时值增加，随之I01也增加，即加大空气流量来使拱顶温度保持一定值。燃烧初期，利用温度偏差监视器开关信号将调节器置于手动状态，从燃烧初期过渡到蓄热期时，拱顶温度进入偏差监视器的设定值时（设定值规定在拱顶温度调节器的设定值下面一点），监视器的接点断开设定器使拱顶温度调节器由手动转为自动。当燃烧进入蓄热饱和区时，即废气温度升至监视器的设定值，其接点将废气温度调节器由手动转为

25、自动。由于调节器的反作用，其输出随废气温度的上升而减小，当达到设定值后就开始减小煤气量，随之空气流量亦自动按比例减小。2.热风炉燃烧控制系统方框图热风炉燃烧控制系统方框图所示，在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的

26、煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350内，当废气温度达到

27、350时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。空气流量检测煤气流量检测空气流量调节阀煤气流量调节阀废气温度调节单元煤气流量设定单元空燃比设定单元低选单元运算单元煤气流量调节单元空气流量调节单元煤气初期开度设定单元空气初期开度设定单元废气温度检测拱顶温度检测图7热风炉燃烧控制系统框图3.燃烧控制器设计 根据热风炉在加热期控制的主要目标是拱顶温度以及在蓄热期控制的主要目标是废气温度,本论文设计的控制器包括两个部分:根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器和根据废气温度调节的废气温度控制器。在加热期使用拱顶温度控制器，当烟道废气温度达到280时，废气温度控制器投入自动。(1) 最佳空燃比控制器最佳空燃比

28、控制器为PID控制器，输入量为拱顶温度，输出量为最佳空燃比。(2) 废气温度控制器 废气温度控制器为PID控制器，输入量为废气温度，输出量为煤气流量。2.5.4混风温度控制方案1.混风温度控制要求(1)混风温度控制的目的为保证高炉的稳定工作，要求:送风温度保持在1000，不能出现大的波动,如图2-5所示。开始送风时风温较高，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风。风温达到可以使用PID调节时，转换为自动，进行PID调节。图8温度控制要求2.混风温度控制系统的主要参数（1） 热风炉风温对象传递函数：（2） 要求控制风温：1000左右可设定（3） 要求控制风温在±10C&

29、#176;（4） 新炉送风时，相当产生t=20C°的扰动。3.混风温度控制策略高炉热风炉混风温度控制系统工艺情况如图2-6所示 ，为单炉送风即每次一座热风炉送风，经过一段时间后，热风温度下降，第二座热风炉送风，第一座热风炉转燃烧，如此循环下去保证热风不间断。HC2008-SEG1HS2HS3HS4HSMZI2008TIC2008SEQ 高炉 图9热风炉温度控制系统工1HS-4HS -1-4号热风炉，SEQ顺序控制程序，ZI-阀位指示， M-电动调节阀 HC-手动控制输出, TIC-温度PID控制送风温度控制通过调节混风阀的开度来控制往热风中送入的冷风，来控制送风温度。为安全起见，在送

30、风管道上安装有两只热电偶，选择其中之一作为测量值。送风温度控制设计为PID控制回路，以确保较高精度的控制。 为了补偿新的炉送风时风温较高，可在新炉送风时，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风，然后设置为自动进行自动调节。4.混风温度控制的实现根据控制需要，将 PID功能块与逻辑控制相结合，可适应各种控制回路。所以利用SFC很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式。图2-7显示了热风炉混风温度控制系统顺序控制的工作流程：各个热风炉的状态转换由电气换炉控制系统控制，当送风管道里面混风后的风温低于要求温度的时候，对各个热风炉的工作状态进行切换，将新的热风炉转为送风状态，原送风炉

31、转为燃烧状态。结束退出？置PID回路自动置初始开度PID回路手动？PID调节置手动有新炉送风？开始混风全自动？开始图10热风炉混风温度控制系统的工作流程5热风温度自动控制图从鼓风机来的风温大约150200，经过热风炉的风温可高于1300，而高炉所需的热风温度约为10001250，且需温度稳定。单炉送风时，其温度控制根据混风调节阀配置而异，有两种方式，一种是控制公用的混风调节阀位置，改变混入的冷风量以保持所需的热风温度，系统还设有高值选择器和手动设定器，以避免在换炉时出现过高的风温，预先打开混风调节阀；另一种是控制每座热风炉的混风调节阀，用一台风温控制器切换工作，不送风的热风炉，其混风调节阀的开

32、度由手动设定器设定。并联送风有两种方式，即热并联和冷并联。一般先送风的炉子输出风温较低，而后送风的炉子输出风温较高，故热并联时调节两个炉子的冷风调节阀以改变两个炉子的输出热风量的比例即可维持规定的风温（图 3）在冷并联时，两个炉子的冷风调节阀全开，和单炉送风类似控制混风管道的混风调节阀阀开度改变混入冷风量以保持风温稳定。图11 热风温度自动控制系统（a）带公共混风阀的单炉送风；(b)每个热风炉带混风阀的单炉送风；(c)热并联送风。2.5.5冷风温度和富氧自动控制两者均是串级控制系统。即各自有一个流量自动控制回路，而其定值则由总风量经过比率设定器来设定，即喷入蒸汽量和氧量与风量成比例。对于湿度，

33、冷风管道还装有氯化锂温度计和湿度控制器MIC相连。单湿度偏离规定值时则修正蒸汽控制系统以保持鼓风中温度恒定。图12 冷风温度和富氧自动控制2.56送风湿度控制湿度控制的仪表流程如图4所示。湿度检测装置包括氯化锂及其恒温箱，气样处理系统以及绝对湿度变换器等。变换器的输入信号为探头的阻值变化，输出信号为420mA直流电流或15V直流电压。图13 送风湿度控制系统控制系统一般为串级配比方式，副回路为冷风流量与调湿蒸汽流量配比，主回路为加湿后的送风湿度，湿度的量程为540g/m3。冷风流量（包括扣除富氧部分）信号IB经阻尼器后在比例设定器RB中进行如下运算后输出信号IS作为蒸汽流量调节器的外设定值：

34、ISnIB+ 式中 IB风量信号； n比值系数； 湿度调节器的输出信号（RB的外偏置）； RB的内偏置系数n可在0.11.0的范围内变更，而 可在-1000+100内设定。由于系统处于平衡时湿度调节器的输出为50（12 mA），此时为了使IS和IB配比不受的影响，故需将 设定为-50。由于湿度调节回路的时间常数大，为防止调节器输出出现积分饱和，调节器最好带抗积分饱和功能。 除湿度调节以外，还可根据送风流量，蒸汽流量及大气湿度（或冷风脱湿湿度）来自动算出湿度的计算值，并与湿度计的实测值相比较，如差值过大则发出报警信号。三 系统的基本配置3.1高炉炼铁的基础自动化为实现炼铁生产工艺的自动化目标，人

35、们不断推进着炼铁过程的基础自动化和计算机的应用。在组成炼铁工艺流程的各控制子工序中，已经实现基础自动化的工序有：（1）槽下配料系统的称量与配料过程的计算机自动化控制；（2）卷扬上料系统的上料、布料过程的计算机自动化控制；（3）喷吹媒粉的计算机自动化控制；（4）热风炉燃烧过程与送风的计算机自动化控制；（5）炉前出铁作业的机械化、自动化；（6）高炉值班室用PLC或DCS计算机系统取代高炉仪表，实现工艺参数的集中监控。在传统炼铁工艺中，工长是通过几十块高炉仪表来监控炼铁过程的。它包括高炉本体数百项温度、压力、流量数据的监测，综合鼓风的风量、风温、富氧量与富氧压力、喷媒量与喷媒压力的参数的检测控制以及

36、上料过程、布料过程的模拟盘等，高炉值班室应用计算机取代高炉仪表后，实现了高炉本体参数、槽下配料称量系统、卷扬上料布料系统、热风炉系统以及喷媒系统的工艺参数集中监控。多台PC机集中显示各种监控画面、趋势图与模拟图的应用，使计算机比仪表能够更直接、更形象、更可靠的反映了高炉过程的动态变化特征。3.2高炉自动化控制范围高炉自动化控制范围分以下两个部分：（1）PLC1系统：包括槽下PLC（2）PLC2系统：包括本体PLC（3）PLC3系统：热风PLC及除尘PLC说明：槽下PLC：控制槽下设备及炉顶设备。本体PLC：高炉本体仪控设备及相关设备。热风PLC：热风系统设备，主要为仪控设备及阀门等。除尘PLC

37、：干法除尘设备，各箱体阀门及仪表检测控制设备3.3高炉自动化控制的主要功能高炉电气传动及自动化控制系统主要完成各种工艺设备启动停止以及过程参数的检测、报警、联锁、PID调节回路的连续控制和逻辑控制，并对各种参数进行实时、历史趋势记录，生成班、日、月统计报表。3.4高炉自动化系统基本配置高炉自动化系统采用分布I/O方式，实现PLC与扩展机架、远程站之间的数据通讯，工业Ethernet网实现PLC相互之间，PLC与计算机操作站（OS系统）之间的数据交换和通讯。高炉自动化系统组成包括（一座高炉）：4套PLC： 1PLC-槽下及炉顶PLC系统；2PLC-本体PLC系统；3PLC-热风炉PLC系统；4P

38、LC-布袋除尘PLC系统。5#、6#高炉采用一套PLC系统完成槽上供料系统及供料除尘的控制和信号的采集。6套上位机和一个工程师站：OS1、OS2-槽下及卷扬和炉顶操作站、OS3、OS4-高炉本体操作站预留工程师站接口、OS5、OS6-高炉热布操作站、OS7-工程师站。3.5配置方案（1）高炉自动化硬件基本配置：高炉自动化系统PLC分别采用西门子公司S7系列产品，CPU选用6ES7400系列， I/O模板采用24V配电模板。所有上位机操作站均采用研华工业控制计算机，工控机具体配置 P4/2.0G/512M/80G/52XCD/1.44M,显示器为22"CRT显示器。上位机操作站、工程师

39、站操作系统均采用微软公司的Windows2000操作系统；自动化编程，过程控制软件采用STEP7 5.3；前端开发软件采用WINCC6.0。（2）高炉电气传动基本配置：高炉电气传动系统中主卷扬采用施奈德公司ATV71系列产品；布料器倾动采用ATV-58HU90N4变频器、溜槽旋转电机采用施奈德公司ATV-58HD16N4变频器；探尺选用西门子公司6RA70系列产品；低压电器元件采用施耐德系列产品；PLC隔离继电器采用OMROM产品；自动化系统配置的UPS电源，采用山特UPS电源；其他元件选用国内外较高质量产品；3.6网络组成（1）Ethernet网络，Ethernet网络是工厂级智能自动化相互

40、通讯的解决方案。主要实现各个PLC相互之间，PLC与计算机操作站（OS系统）、工程师站之间的数据交换和通讯，另外提供通讯接口，以便和公司ERP系统连接，实现公司级的自动化管理。（2）PROFIBUS-DP网络，PROFIBUS网络是现场设备之间通讯的经济的解决方案。主要实现PLC与远程ET200M站之间的数据通讯，这样即保证了系统运行的可靠性，又可以节省大量的控制电缆，为用户节省投资。3.7高炉专用检测仪表由于高炉是密闭机组，故监测仪表是至关重要的。高炉检测仪表和传感器大致分为；（1）检测高炉排出的气体成分、温度、压力等的常规传感器，（2）检测炉顶处装入原料的分布、温度、压力和气体的成分等传感

41、器；（3）检测炉喉处的原料、气体的流动、温度、压力、成分等传感器；（4）检测炉腹-风口部位的焦炭、熔融物、气体的流动、温度、压力、成分等传感器；（5）检测渣、铁温度和成分的传感器。现在的高炉作业与以前大不一样，它需要在维持炼铁厂煤气平衡的基础上以总成本最低为标准，第一，必须迅速适应炼铁厂整体煤气的平衡；第二，要大量应用廉价原料；第三，要减轻炼钢过程的负担而需生产低硅生铁；因此，对今后高炉仪表和传感器的要求不可缺少的是要迅速测出高炉内的动态状态，得到准确的信息以便进行高效率的多方面的分析与评价。但是现在的仪表和传感器要直接得到信息还有很大距离，许多检测还未解决。故仪表和传感器今后的工作是；（1）

42、提高现有传感器信息的质量，包括提高信息的可靠性和提高信息的获取次数；（2）为了有效利用仪表和传感器，要强化支持机构（维护部门）；（3）开发新的传感器，特别是测量炉子内部的传感器。高炉常用的监测仪表及其作用如下:（1）热风压力计 热风压力与炉料透气性、风量、喷吹物量、炉缸积存渣铁量、炉缸工作状况等有关，反映顺行程度和炉缸热制度的变化。炉况正常时，热风压力曲线稳定，波动微小，并与风量相对应;炉温向热时，风压升高，风量减少;向凉时则相反。气流失常，炉况不顺时，风压剧烈波动。（2）风量计 一定的冶炼条件有其适宜的风量，并与风压相匹配。影响风压的因素也影响风量。情况正常时，风量与风压的波动都微小;不正常

43、时则此消彼长。（3）护顶压力计 常压高炉炉顶煤气压力曲线有一平稳基线。若基线值升高，表示护内边缘或中心气流过分发展，或产生管道，后者压力值升高尤大。若基线值偏低，表示炉内透气性变坏。崩料时基线波动剧烈;悬料时基线值降低甚至趋近于零。将炉顶压力与风压两相对照，更能判明问题。高炉高压操作时，炉顶压力值对判断炉况的作用减少。 炉顶压力计还可反映能煤气及清洗系统的工作情况。（4）炉身静压力计 在高炉不同高度测量炉身静压力，可以较早得知炉况变化，并能较准确判断局部管道和悬料位置，以便及时采取措施。现代高炉一般在35个水平面上装设24个取压口以测量炉身静压力，为推断软熔带位置也可在高炉上设置多层取压平面。

44、炉身静压力检测主要困难在于取压口不可靠，因为该处不仅高温，多粉尘，且易结焦堵塞，进来较成功的是采用连续吹扫取压口。它利用炉内压力p等于恒流阀后取压口处压力p1减去取压口至炉内的压力损失p（p的测量方法，可用吹气时测得的p1值减去关闭吹气时测得的p1值即可，用指示针指示仪时可以按此拨零位），测量p1就可以求出炉内压力p，但p将与流过吹扫氮气流速的平方成比例，故首先必须使吹扫氮气流量恒定而需设置恒流阀，这个恒流阀是一个自力式流量调节器，流量可任意在30300L/min范围内设定，进气压力应为0.50.7Mpa。一般氮气流量可在200300L/min范围内选取，过小，取压口易于堵塞，过大，测量误差大

45、。炉身静压力计分层安装在炉身各方位，成为一套静压力计组，可反映炉内各方位不同高度的煤气压力变化。当某处压力升高而风压尚无变化时，说明该处上部炉料透气性变坏;若风压也升高，说明该处上、下的透气性都变坏。较之单凭风压计不仅能提前发现透气性变化引起的护缸变化，而且能推测方位和程度。静压力计管道堵塞时将产生压力降低假象。 此外还有压差计(热风压力与炉顶压力之差)，上下部压差计(下部静压力与上部静压力相连为上部压差，热风压力与下部静压力相连为下部压差)，透气性指数计等，都是将有关单项监测予以综合的指示仪表。（5）料线检测现代高炉均装有25根探尺，装料时由卷扬机把它提起，检测时下放或随料面自然下降，探尺的

46、位移信号经自整角机发送器带动控制室内的自整角机接受器，后者带动记录仪表指针进行记录，或带脉冲发生器，送DCS进行检测。此外，还设有另一套自整角机观测下料速度。由于自整角机接受器有跟随误差，为此进来采用S/D变换方式，即直接把自整角机转角（料线值）变换成数字量，指示料线值，经时间处理后还可输出下料速度值，这种仪表还没有最高最低料线等报警功能。（6）炉顶温度计测示上升管中的煤气温度。从各个上升管煤气温度的差别可判断炉内气流的分布，从温度变化可判断煤气利用的好坏。煤气分布均匀，利用程度好，则炉顶温差小，形成一定宽窄的温度带。边缘气流过分发展时温度带变宽，中心气流过分发展时温度带变窄。低料线时炉顶温度

47、升高，管道行程时各七升管温差增大，且管道方位的温度特高。悬料时护顶温度升高。（7）炉喉温度计炉况正常时，炉喉各点温度相近且稳定;边缘煤气发展则温度升高，巾心气流发展则相反。炉料分布不均、偏行、管道行程或结瘤时，炉喉四周各点温度差增大，温度高的方向气流较强。 （8）炉身温度计指示炉身四周各层的温度，反映周向的气流分布，还可据此推测炉衬浸蚀或结厚、结瘤等情况。 炉身及炉腹采用冷却壁的高炉，可在不同方位各层冷却壁上设测温元件，其温度指示的作用与炉身温度计同，并反映冷却壁工作情况。（9）炉喉煤气成分测定炉喉煤气成分测定一是定时取各半径上几个点(常为五点)的煤气样，分析一氧化碳:含量，分别按所在半径上的

48、位置描成曲线，煤气通过较多处的ca z含量低，煤气通过较少处的含炭量高，比较各曲线可以判断气流分布情况。二是指料面上混合煤气的一氧化碳:和氢气含量。煤气利用好、燃料比低的炉顶煤气中CUE含量多，煤气发热值低。冷却器件损坏向炉内漏水时，煤气中Hz量明显增多。 （10） 风口前端温度测量 高炉炉缸热状态难以直接测量，故利用嵌入高炉风口前端上部沟槽里的镍铬镍硅铠装热电偶测量风口附前端近的热状态，根据这风口水箱前端温度X，按下列统计回归公式，求出对应的风口区域温度Y。 Y=608.5+6.97X3.8热风炉系统仪表检测和控制系统的配备本高炉热风炉自动化设计包括拱顶温度、炉身温度、煤气和空气预热前后的温

49、度、压力；煤气和空气的流量检测；冷风压力、流量、温度检测等主要参数，并有煤气、空气燃烧控制、空气预热量温度控制、风温控制、空气总管压力和煤气总管压力控制等18套自动调节系统。流量检测元件及执行机构对整个控制系统尤为重要，针对双预热系统中温度高、管道口径大且有耐火砖内衬的特点，高温空气流量的检测引进了美国泰克公司生产的矢量流量计。该流量计利用矢量和的原理将探头的各方向力折算成水平方向来计算流量，并配有温度补正。助燃空气用调节阀选用了无锡工装生产的6000J电动高温蝶阀，工作温度为650、工作压力为0.6Mpa、管径为1400m。这种阀门在阀板之间采用平面接触，引进了日本先进的密封技术，因而使其达

50、到了良好的密封效果。执行机构为大连引进的西门子电动执行器并智智能手操，操作调整都十分方便，所有变送器均选用智能化变送器，常规仪表均为国内配套。（1）油温检测： 拱顶温度、热风温度、冷风温度、助燃风温度、煤气湿度显示与记录。废气温度显示、记录与报警。（2）压力与差压检测：热风、煤气、冷却水压力显示与报警；冷风压力显示与报警，当冷风压力低于设定值时，发出报警信号，提示有关工作人员立即关闭正在送风的热风炉的热风阀和冷风阀。预热器前后助燃风、预热器前后烟气压力检测并在系统内部做助燃风、烟气差压显示。冷风阀前后差压检测，当差压值小于20Kpa时，发出开冷风阀连锁信号。烟道阀差压检测：当差压值小于20Kp

51、a时，发出开烟道阀连锁信号。（3）流量检测：冷风、助燃风、煤气、冷却水流量显示与记录。工艺参数：压力检测点共计 7点压差检测点共计 6点流量检测点共计 4点阀位检测点共计 18点温度检测点共计 12点热电阻PT100 5点热电偶K型 4点热电偶S型 3点3.9高炉自动化仪表的选型（1）常规模拟仪表在高炉上用的模拟仪表，多采用以集成电路为基础的电动单元组合仪表。系统各设备间的联络信号为国家统一标准的420mA直流电流或15V直流电压信号。差压、压力便送器均为二线制，即变送器的电源与信号共用两根导线。近年来这类变送器的技术发展很快，目前普遍采用的有电容式、振弦式及扩散硅式等。其精度在一定范围为0.

52、20.25级，由于这些型式的变送器内除了可动部件，其稳定性和精度都比杠杆力平衡式有所提高。 用于高炉控制的调节器多为具有特殊功能的，主要有外部自动/手动切换型和积分反馈输出限幅抗积分饱和型，这些功能适用于间歇过程。 测量流量的装置有孔板、喷嘴（热风炉燃烧用BFG、COG总管用），椭圆齿轮流量计（重油用），孔板分流式转子流量计（现场指示的水流量用），电磁流量计或旋涡流量计（风口冷却水用）。 测量热风炉燃烧废气含氧量用氧化锆式氧分析仪。 高炉煤气成分分析，采用两种类型的气体分析仪；一种是红外线式，另一种为气体色谱仪。前者用于分析炉身探针取出煤气中的CO、CO2含量，而后者用于分析炉顶煤气的CO、C

53、O2、H2及N2的含量。 执行器主要是油压和气动的，驱动蝶阀的均为油压式，除蝶阀外为气动薄膜调节阀。（2） 数字仪表目前国内外在高炉上采用数字仪表，比较成熟的有日本横河的CENTUNM系统。宝钢1号高炉用于四套CENTUNM系统，其中一套用于风口破损监测报警，两套用于喷吹重油的控制，一套用于高炉各部及热风炉的铁皮温度巡回监视。3.10系统软件的组成和功能系统软件主要由STEP 7 V5.1和WinCC6.0组成: （1） STEP 7编程软件     针对德国Siemens公司的S7-400系列的可编程控制器,由STEP 7编程软件进行编程完成以下功能:

54、 建立燃烧PID控制器实现煤气流量和助燃风量的闭环控制。通过对煤气管道的调节阀开度进行调节，使煤气流量与PID调节器设定值保持一致;通过调整助燃风量调节阀的开度，使空燃比与设定值保持一致。热风炉各种状态的自动切换。通过检测热风炉各阀门的开关反馈情况进行判断，采取必要的控制方式。 采集现场信号。实时采集压力、温度、流量、限位状态等信号，控制阀门开/关及报警等。 （2） WinCC组态软件监控 WinCC组态软件监控的主要功能: 通过加载相应驱动程序进行动态数据嵌入，把现场的数据读入进来，进行显示、存储以及报表打印等功能; 设定最佳煤气流量和空燃比，通过WinCC设计的调节器上设置相应的PID参数及换炉方式等数据并下传PLC; 设定换炉方式，可以根据高炉的不同工况，修改热风炉换炉控制自动/手动方。四 PLC配置及S7简述4.1 PLC配置及功能高炉自动化系统PLC分别采