1、分类号 密级 UDC 学 位 论 文高炉煤粉喷吹自动控制系统的设计与优化作 者 姓 名： 指 导 教 师： 副教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别： 硕士 学 科 类 别： 专业学位 学科专业名称： 控制工程论文提交日期： 年 月 论文答辩日期：年 月学位授予日期： 答辩委员会主席： 评 阅 人： 东 北 大 学年 月东北大学硕士学位论文 摘要- II -高炉煤粉喷吹自动控制系统的设计与优化摘 要高炉煤粉喷吹（以下简称喷煤）系统是组成炼铁生产工艺流程的重要一环，是高炉冶炼过程中以煤代焦、节约能源成本和焦碳资源的重要措施。高炉对其生产过程的连续性、稳定可靠性要求很高，这就要求喷煤的生产过程
2、实现较高水平的自动化控制。天钢 2000m3高炉和 3200m3高炉喷煤系统分别从 2005 年 7 月和 2006 年 6月正式投入生产至今，在工程建设时就引入自动控制理念，替代人工操作，并将此设计在生产过程中逐步完善。本文在结合高炉喷煤生产工艺的基础上研究天钢炼铁厂高炉喷煤自动控制系统的设计与优化，并已取得了实验性的结果。喷煤子系统的基础自动化包括煤粉的加工、煤粉的喷送和喷煤罐自动切换及生产安全自动保护等几个部分。高炉喷煤自动控制系统是典型的连续过程控制系统，选用 PLC 控制能够很好的满足其工艺控制要求，保证高炉喷煤过程连续、稳定进行。工程上硬件设计选用 Siemens 公司的 S7 系
3、列产品，软件选用 Citect 组态软件。过程控制算法上，在满足生产工艺的基础上还要满足设备及生产过程的安全并要求操作简易。回路控制则采用 PID 算法。在检测方面，与回路控制、安全生产、能源计量等相关的流量、压力、温度、重量等信号的检测仪表的配备都比较齐全。在高炉喷煤的生产过程中，作为喷煤系统中核心部分的自动化控制系统要建立严密的控制体系，从提高控制系统的稳定性到严格完整的控制理论都需要进一步的开发研究及论证，要不断的优化控制系统，以确保喷煤系统安全稳定高效地运行，稳定喷送煤粉的要求。我在此课题研究工作过程中，首先深入研究喷煤的生产工艺，其次在满足工艺要求的基础上建立自动控制理念，分别从硬件
4、和软件方面进行系统设计。最后在生产试验过程中，结合生产需求进行优化改进，最终达到研究目的。关键字: 炼铁喷煤；自动化控制；PID 控制；优化Design and optimization of powder coal injection automatic control system on blast furnaceAbstractPCI system(Powder Coal Injection) is an important part for blast furnace smelt manufacture, it is a main measure in iron-making to s
5、ave coke and cost， which uses some coal to replace coke. It is important for blast furnace to keep continuity、 stabilization and reliability in the process of iron-making， so a high quality automatic control system is required in PCI system. The project of which 2000m3 blast furnace PCI was complete
6、d in July 2005，The project of which 3200m3 blast furnace PCI was completed in June 2006，and has run to the present. When engineering construction on introduction automatic control idea, substitution manual control, and consummates gradually this design in the production process. This article unifies
7、 the blast furnace to powder coal production in the foundation to study the Tianjin Steel Factory ironworks blast furnace to powder coal automatic control system the design and the optimization, and has obtained the experimental result.The automatic control system of the PCI includes powder coal mak
8、ing、powder coal injecting、automatic switch of pot and safety precaution for PCI. The automatic control system for PCI is a typical control system of continuous process. So PLC can satisfy its manufacture control needs and ensure the continuity and stabilization in the process of iron making.The Siem
9、ens S7 series products are used in hardware design of this project，The Citect products are used in software design of this project . The process control algorithm should satisfy not only the technics for PCI but also the equipment、manufacture safety and simple operation. PID control is used in close
10、d loop control. The instruments are equipped completely, which detect the sign of flow、 pression、temperature and weight relevant to loop control、safety manufacture and material measurement.In the PCI production process, the automatic control system which is the hard core of PCI must to build the rig
11、orous control system. It needs exploitation and investigation so 东北大学硕士学位论文 abstract- IV -that advancing stability of control system and integrality of control theory. With control system was optimized, it can meet the needs of injecting powder coal to the blast furnace continuously and steadily, an
12、d run safely and reliably. In this topic research,first,I lucubrate the production of powder coal , and next establishes the automatic control idea completely in the total technological requirement foundation, design from the hardware and the software aspect. Finally, makes the optimized improvement
13、 with progress of production demand in the production, and achieves the research goal.Keyword： PCI；Automation control system ；PID；Optimalize东北大学硕士学位论文 目录目 录声明 摘要 Abstract 第1章 绪论 11.1 课题研究背景 11.2 高炉喷吹煤粉的作用及现状 21.3 本论文研究的目的和主要内容 31.3.1 本论文研究的目的和意义 31.3.2 本论文研究的主要内容 4第2章 高炉喷煤系统的工艺结构 62.1 炼铁高炉的自动控制系统构成
14、6 2.2 炼铁喷煤的生产流程 72.2.1 原煤准备 82.2.2 煤粉碾制 92.2.3 煤粉喷吹 13第3章 高炉喷煤自动控制系统的总体设计 东北大学硕士学位论文 目录193.1 需求分析与规范确定 193.2 自动控制系统流程 193.3 自动控制系统的具体设计 243.3.1 系统综述 243.3.2 硬件配置 283.3.3 软件配置 29第4章 高炉喷煤自动控制系统的硬件设计 304.1 Siemens 公司自动控制系统介绍 304.2 高炉喷煤自动控制系统的网络介绍 314.2.1 系统网络概述 314.2.2 网络通信接口 324.2.3 网络通信功能 324.3 高炉喷煤自
15、动控制系统的硬件结构 334.3.1 自控系统现场控制站 334.3.2 自控系统 S7-400 中央控制器 344.3.3 系统各部分功能 34第5章 高炉喷煤自动控制系统的软件设计 365.1 高炉喷煤自动控制系统的编程环境 东北大学硕士学位论文 目录365.2 控制软件 Step7 v5.4 365.2.1 程序开发 375.2.2 在线检查和调试 375.3 上位监控软件 Citect v5.4 385.3.1 软件概况 385.3.2 系统功能 405.4 喷煤系统程序设计 415.4.1 喷煤系统 PLC 控制程序设计 415.4.2 喷煤系统控制过程监控画面设计 48第6章 高炉
16、喷煤自动控制系统的优化 546.1 系统优化的提出 546.2 系统优化的设计与实施 556.2.1 网络系统的优化 556.2.2 工艺流程控制系统的优化 566.2.3 安全连锁系统的优化 596.3 系统优化运行情况说明 60第7章 总结与展望 61东北大学硕士学位论文 目录7.1 总结 617.2 研究工作展望 62参考文献 63附 录 65致 谢 66第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景新中国成立以来，我国钢铁冶金行业发展迅速。不论是沿海还是内地都陆续建设了一大批钢铁企业。近年来，中国钢铁冶金行业取得了增长较快、结构优化、效益提高、节能减排效果明显、在国际钢铁界的地位和影响提高的显
17、著成绩。中国冶金工业科技水平正在走强， “大而弱” 的声音已经降调。中国应当以提高竞争力为目标，进一步提高冶金工业科技水平。从冶金行业发展趋势来看，冶金企业的生产经营规模将急剧扩张，企业的竞争，从传统的产品、技术、成本的竞争向资本、资源、服务的竞争转化，行业竞争日趋激烈。我们天钢炼铁厂为了提高在同行业中的竞争力，提出了“降低成本，对标挖潜” 。当前，钢铁冶金行业遭遇到全球性的原料价格上涨，焦炭、矿石的价格涨幅惊东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论- 2 -人，冶炼成本普遍提高，这给高炉炼铁业带来更大的困难。因此，降低冶炼成本成了高炉作业的重要目标。其中，降低焦比，尤其重要。从 50 年代起，人
18、们就在努力向高炉内喷吹相对廉价的煤粉，以部分替代价格相对昂贵的焦炭。经过半个世纪的努力，在寻求技术创新和进步，着力降低能耗，提高经济效益，减少和控制污染等方面取得了很大的成绩，喷煤技术取得了巨大的成功，喷煤技术日趋成熟，同时，高炉喷煤是国家大力推广的具有节能和环保效果的重要技术措施，它既符合生产企业的经济利益，也符合国家的产业政策，高炉喷煤是我国炼铁技术进步的核心标志，喷煤系统己逐渐成为高炉必备的附属设施。现代高炉冶炼所用的焦炭在高炉中的作用是提供冶炼过程需要的热量；还原铁矿石需要的还原剂；以及维持高炉料柱（特别是软熔带及其以下部位）透气性的骨架。高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的
19、无烟煤粉或烟煤粉或这两者的混合煤粉，以替代焦炭起提供热量和还原剂的作用，从而降低焦比，降低生铁成本，它是现代高炉冶炼的一项重大技术革命。高炉喷吹用煤的煤质对高炉冶炼过程及技术经济指标有重要影响。在喷吹高挥发分、强爆炸性烟煤技术飞速发展的今天，选择煤源广阔、价格合理、喷吹性能优良的喷吹煤进行高炉混合喷吹，保证高炉生产技术指标，提高经济效益，是钢铁企业必须面临并予以解决的问题 1。天津钢铁有限公司炼铁厂 2000m3 和 3200m3 高炉都采用了高炉喷煤技术，它们的采用不但满足了公司发展的要求，同时有效缓解了炼铁能力与焦炭生产失衡的局面，以煤代焦，进一步降低了炼铁成本，提高了企业的经济效益。随着
20、喷煤量的增加，喷煤系统的设备启动频率增高，操作间隙时间减少，喷吹操作周期缩短，手动操作己不能适应生产要求，尤其是当高炉喷吹烟煤或采用多煤种配煤混合喷吹时，高炉喷煤系统必须广泛采用计算机控制和自动化操作。1.2 高炉喷吹煤粉的作用与现状高 炉 喷 吹 煤 粉 是 从 高 炉 风 口 向 炉 内 直 接 喷 吹 磨 细 了 的 无 烟 煤 粉 或 烟 煤 粉 或 这两 者 的 混 合 煤 粉 ， 以 替 代 焦 炭 起 提 供 热 量 和 还 原 的 作 用 ， 从 而 降 低 焦 比 ， 降 低铁 成 本 ， 提 高 产 品 的 竞 争 力 ， 因 此 它 是 现 代 高 炉 冶 炼 的 一 项
21、 重 大 技 术 革 命 。 从经 济 增 长 方 式 的 转 变 认 识 喷 煤 意 义 ， 钢 铁 企 业 的 经 济 增 长 方 式 ， 坚 持 外 延 与 内东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论- 3 -涵 相 结 合 。 规 模 经 济 由 于 受 资 金 、 原 燃 料 供 应 、 产 品 市 场 销 售 等 因 素 的 影 响 不可 能 长 期 连 续 的 发 展 ， 在 具 有 一 定 的 规 模 经 济 基 础 后 ， 必 须 寻 找 新 的 经 济 增 长点 ， 实 现 生 产 结 构 的 优 化 ， 走 内 涵 之 路 。 炼 铁 系 统 工 艺 结 构 优 化 的 核
22、心 是 以 煤代 焦 ， 提 高 喷 煤 比 ， 降 低 生 产 成 本 。 因 此 ， 发 展 高 炉 喷 煤 技 术 是 炼 铁 生 产 转 变经 济 增 长 方 式 的 重 要 内 容 之 一 。衡 量 高 炉 喷 煤 技 术 水 平 的 高 低 ， 除 了 要 看 它 的 喷 煤 量 高 低 之 外 ， 还 要 考 察 它的 稳 定 性 。 影 响 高 炉 喷 煤 量 高 低 的 因 素 很 多 ， 除 了 喷 煤 罐 罐 内 压 力 、 输 送 煤 粉的 气 量 之 外 ， 还 包 括 喷 吹 的 煤 种 、 喷 煤 罐 内 煤 粉 的 温 度 、 贮 存 时 间 、 贮 存 量 等
23、诸 多 因 素 的 影 响 。 而 喷 煤 工 艺 、 装 备 水 平 、 检 测 手 段 和 自 动 控 制 模 型 则 决 定 了喷 煤 量 的 稳 定 水 平 。 而 从 某 种 意 义 上 来 说 ， 自 动 控 制 软 件 及 其 控 制 模 型 的 设 计 ，在 最 大 程 度 上 制 约 了 喷 煤 技 术 的 发 展 水 平 ， 成 为 喷 煤 生 产 水 平 进 一 步 提 高 的 瓶颈 。我 国 对 高 炉 喷 煤 技 术 的 开 发 和 应 用 尽 管 较 早 ， 但 从 近 几 年 的 发 展 情 况 来 看 ，已 不 再 处 于 领 先 地 位 ， 国 外 不 少 高
24、 炉 的 喷 煤 量 越 来 越 高 ， 而 且 多 数 高 炉 是 喷 吹烟 煤 。 目 前 ， 我 国 与 日 本 和 西 欧 一 些 喷 煤 先 进 国 家 相 比 ， 尚 有 如 下 几 方 面 的 差距 :喷 煤 量 和 喷 煤 高 炉 少 ， 煤 焦 置 换 比 低 ， 喷 吹 煤 种 单 一 ， 自 动 控 制 水 平 低 ， 而烟 煤 喷 吹 、 浓 相 输 送 和 单 支 管 计 量 等 虽 己 开 发 成 功 ， 但 还 有 待 于 进 一 步 完 善 和推 广 。 高 炉 喷 煤 自 动 化 控 制 技 术 对 于 我 国 钢 铁 工 业 乃 至 国 民 经 济 都 具
25、有 十 分 重要 的 意 义 ， 而 现 阶 段 ， 我 国 的 软 件 行 业 正 在 如 火 如 茶 地 发 展 着 ， 但 是 无 论 从 规模 还 是 从 年 限 都 无 法 和 发 达 国 家 相 比 较 。早期的高炉计算机控制以美国、德国、法国等国家为代表，主要的计算机控制功能是数据的采集和处理、报表的制作。到了七十年代，日本几大钢铁公司在高炉自动化控制的研究中取得的重大成果，先后开发并实际应用了很多数学模型，并同时开发了许多先进的检测仪表。到了八十年代中期，以日本钢管公司为代表，开始将人工智能技术特别是专家系统应用到高炉上，极大的提高了控制的精度和可靠性。同一时期，美国、加拿大、芬兰等国家也开始投入大量的人力、物力，开发高炉控制数学模型及检测仪表，并取得了突出的进展。钢铁生产是中国重工业中最重要的行业之一，自动化控制对高炉至关重要。高炉自动化是可编程控制器最早的应用行业之一。施耐德电气公司作为进入中国PLC 产品市场最早的厂家。此后，自动化控制产品被广泛使用在国内各大钢铁企业中，
