王志偉 王秀娟

焦炭管家系統(tǒng)作為從德國UHDE公司整套引進(jìn)的二級智能控制系統(tǒng)，是首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司（簡稱首鋼京唐公司）7.63米大型焦?fàn)t自動(dòng)化優(yōu)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是優(yōu)化焦?fàn)t的工藝參數(shù)及生產(chǎn)操作。自2008年應(yīng)用到4座焦?fàn)t的生產(chǎn)以來，得到了很好的效果，對環(huán)境的污染大幅減少，燃料費(fèi)也有降低。

1.系統(tǒng)組成

焦炭管家系統(tǒng)是7.63米大型焦?fàn)t自動(dòng)化系統(tǒng)中配備的二級控制系統(tǒng)，與其下屬的一級控制系統(tǒng)連接在同一工業(yè)以太網(wǎng)上，以實(shí)現(xiàn)信息的交互和數(shù)據(jù)的管理。

焦炭管家系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，其系統(tǒng)在從一級DCS（集散控制系統(tǒng)）或 PLC（可編程序控制器）系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)計(jì)算后，把計(jì)算出的焦?fàn)t控制結(jié)果傳遞到相應(yīng)的一級系統(tǒng)之中，用于焦?fàn)t爐溫的控制及自動(dòng)生成推焦和裝煤計(jì)劃表等。見圖 1。

圖1 焦炭管家系統(tǒng)總圖

1.1 硬件配置

焦炭管家系統(tǒng)的電腦是工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器和工作站，包括2臺(tái)SS（服務(wù)器）、1臺(tái)ES（工程師站）、2臺(tái)OS（操作員站）。

服務(wù)器硬件采用Fujitsu Siemens PRIMERGY YX150 S5 Server(預(yù)裝English-Microsoft Windows 2003 Server)，服務(wù)器為2臺(tái)全冗余系統(tǒng)（供電電源冗余），可自動(dòng)同步數(shù)據(jù);工程師站采用Fujitsu Siemens PRIMERGY TX150 S5(預(yù)裝English-Window 2003)；操作員站采用Fujitsu Siemens PRIMERGY RX100 S4(預(yù)裝English-Window XP +SP2 Professional)；通信卡采用Siemens CP1613，用于 OPC Server（微軟公司標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的服務(wù)器）的連接。

1.2 軟件配置

需要配置的軟件有Oracle 10.2 Database、Database Tools Hora (trial version)

Microsoft’s C＋＋ Visual Studio 6.0、SOFTINGOPC Toolbox、Microsoft Office 2003 English、Visual Studio.NET 2003 Professional. English、VB6.0、PCAnywhere 11.5、AntiVirus Program、Acronis True Image Server和焦炭管家系統(tǒng)專用監(jiān)控軟件[1]。

1.3 通信方式

焦炭管家系統(tǒng)的操作員站和服務(wù)器站采用C/S（服務(wù)器/客戶端）結(jié)構(gòu)。自動(dòng)測溫S7-300PLC、四大機(jī)車協(xié)調(diào)PLC、焦炭管家服務(wù)器及操作員站連接在同一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)上。其中，自動(dòng)測溫S7-300PLC通過CP343以太網(wǎng)通信卡與焦炭管家服務(wù)器建立通信并互傳信號，焦炭管家服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，相關(guān)數(shù)據(jù)可在焦炭管家操作員站上進(jìn)行查看和操作。

焦炭管家服務(wù)器結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)安全和將數(shù)據(jù)整合在高層次上。快速、簡單地存儲(chǔ)生產(chǎn)中的重要數(shù)據(jù)，且在系統(tǒng)短暫故障后能快速恢復(fù)對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。

焦炭管家服務(wù)器與外部的通信有普通網(wǎng)卡和工業(yè)網(wǎng)卡（CP1613）2種形式。其中，通過普通網(wǎng)卡通信的有焦炭管家操作員站的通信和四大機(jī)車地面協(xié)調(diào)PLC的通信；通過工業(yè)網(wǎng)卡（CP1613）通信的有上升管DCS系統(tǒng)、液壓交換DCS系統(tǒng)和焦?fàn)t公輔DCS系統(tǒng)等。見圖2。

圖2 焦炭管家系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

焦炭管家服務(wù)器與地面協(xié)調(diào)PLC的通信是通過報(bào)文來完成的。焦炭管家發(fā)送報(bào)文T001（下一次推焦?fàn)t號信息）和T002（下一次裝煤爐號信息），接收T010（實(shí)際裝煤爐號信息）、T011（實(shí)際平煤爐號信息）和T012（實(shí)際推焦?fàn)t號信息）。

每條報(bào)文固定有20條記錄，并且以10s1次的頻率更新。報(bào)文由許多字段組成，其中Record pointer（記錄指針）標(biāo)識著最新一次更新信息的記錄。最新的記錄總是覆蓋最老的記錄，這樣周期性地產(chǎn)生和覆蓋。

為了避免通信由于外部干擾或者由于網(wǎng)路負(fù)載太大而發(fā)生短暫斷開的情況，焦炭管家服務(wù)器1次發(fā)送10條記錄給地面協(xié)調(diào)PLC，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面協(xié)調(diào)PLC的緩存中，當(dāng)通信發(fā)生故障斷開時(shí)，地面協(xié)調(diào)PLC就從緩存中讀取下1個(gè)記錄，這樣就保證了焦?fàn)t正常的自動(dòng)化生產(chǎn)。

2.功能

焦炭管家系統(tǒng)提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軟件包，使得其應(yīng)用軟件簡單化、模塊化，便于對單個(gè)模塊進(jìn)行維護(hù)、升級和功能擴(kuò)展。

焦炭管家系統(tǒng)包括手動(dòng)測溫模塊、自動(dòng)測溫模塊、推焦力監(jiān)測模塊、爐溫控制模塊、推焦計(jì)劃自動(dòng)編制模塊等5部分。

2.1 手動(dòng)測溫模塊

現(xiàn)場操作人員通過手動(dòng)紅外線測溫儀定時(shí)測量焦?fàn)t爐頂觀火孔溫度，每次測量的結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)在紅外線測溫儀中，隨后操作人員將紅外線測溫儀通過數(shù)據(jù)線連接到焦炭管家操作員站上的數(shù)據(jù)接收器，其測量結(jié)果自動(dòng)上傳到操作員站的測溫計(jì)算軟件。經(jīng)過測溫計(jì)算軟件匯總、存儲(chǔ)和計(jì)算后，其計(jì)算結(jié)果會(huì)自動(dòng)在操作員站上以曲線或報(bào)表形式顯示。焦?fàn)t調(diào)溫人員可以選擇測量焦?fàn)t的直行溫度、爐頭溫度、橫排溫度，也可以有選擇地對直行、爐頭或橫排溫度的若干測量點(diǎn)進(jìn)行測量。通過分析對比不同時(shí)間段的燃燒溫度曲線，焦?fàn)t調(diào)溫人員可以精準(zhǔn)了解焦?fàn)t單個(gè)燃燒室的溫度變化，并根據(jù)曲線中所顯示出的單個(gè)立火道的溫度狀態(tài)，對各別立火道煤氣入口的大小進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到控制整個(gè)焦?fàn)t燃燒溫度的目的，使焦?fàn)t爐溫調(diào)節(jié)更精準(zhǔn)、可控。

2.2 自動(dòng)測溫模塊

推焦車的推焦頭中后部的金屬支架豎梁上裝有3對非接觸式紅外測溫探測器，分布在豎梁的上部、中部和下部，對應(yīng)炭化室內(nèi)部兩側(cè)的加熱墻的不同的垂直高度。每個(gè)紅外探測器都裝有隔熱外殼，外殼內(nèi)部通有壓縮空氣，以保護(hù)紅外探測器在炭化室內(nèi)部不被高溫燙壞。當(dāng)推焦車驅(qū)動(dòng)推焦桿執(zhí)行推焦動(dòng)作時(shí)，推焦桿伸入炭化室內(nèi)部，炭化室內(nèi)部兩側(cè)的爐壁溫度都會(huì)被測量并記錄下來。由紅外探測器測量的信號由信號線纜接到位于推焦桿尾部末端的信號接收轉(zhuǎn)換器，紅外溫度信號經(jīng)放大器處理后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

在推焦車的PLC室內(nèi)，有西門子S7-300PLC接收所有的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，通過其配套的西門子觸摸屏可查看所有溫度數(shù)據(jù)。自動(dòng)測溫模塊的S7-300PLC通過DPDP Coupler與推焦車的S7-400PLC建立通信連接，其中S7-400PLC作為Profibus通信的主站，S7-300PLC作為Profibus通信的從站，2套PLC互相傳送信號。

焦炭管家服務(wù)器與自動(dòng)測溫模塊的S7-300PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)建立通信連接。自動(dòng)測溫模塊把每5次推焦測得的炭化室溫度、平煤信息及相關(guān)數(shù)據(jù)信息打包成數(shù)據(jù)包后，通過TCP/IP Socket 報(bào)文通信方式傳給焦炭管家服務(wù)器。焦炭管家服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，同樣以報(bào)文形式向自動(dòng)測溫模塊發(fā)送確認(rèn)接收信號。自動(dòng)測溫S7-300PLC有固定的數(shù)據(jù)塊作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)的推焦記錄等信息。見圖3。

圖3 焦炭管家信號交互示意圖

推焦車執(zhí)行推焦動(dòng)作時(shí)，推焦車S7-400PLC把推焦桿編碼器的編碼信號轉(zhuǎn)化成推焦桿伸入炭化室的距離信號，精度可達(dá)到1mm。推焦桿伸入炭化室的距離信號經(jīng)自動(dòng)測溫模塊的S7-300PLC中轉(zhuǎn)，最終傳給焦炭管家服務(wù)器，由焦炭管家服務(wù)器計(jì)算得出推焦桿在炭化室的具體位置，從而匹配出炭化室爐墻對應(yīng)立火道的序號。調(diào)火人員可以通過操作員站查找每次推焦結(jié)束后自動(dòng)生成的相關(guān)操作記錄和溫度曲線，掌握炭化室內(nèi)部爐墻具體的溫度分布，有利于對異常溫度點(diǎn)進(jìn)行人工調(diào)控，對炭化室兩邊爐墻的耐火磚進(jìn)行準(zhǔn)確定位修復(fù)[2]。

2.3 推焦力監(jiān)測模塊

推焦車上的S7-400PLC收集每次推焦的推焦桿在炭化室內(nèi)的距離和該距離上的推焦電流。每次推焦結(jié)束后，推焦車PLC將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面協(xié)調(diào)PLC，通過地面協(xié)調(diào)PLC傳遞給焦炭管家服務(wù)器。

推焦力監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)對推焦車每次執(zhí)行推焦過程的推焦電流進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并自動(dòng)生成該次推焦動(dòng)作的電流曲線，其結(jié)果作為焦炭成熟度、焦炭質(zhì)量和焦?fàn)t加熱優(yōu)化的評判依據(jù)之一。

操作人員通過分析推焦力數(shù)據(jù)，不僅能發(fā)現(xiàn)回收工段和焦?fàn)t生產(chǎn)加熱過程中出現(xiàn)的問題，避免出現(xiàn)“粘爐”現(xiàn)象，還可以判定焦炭的成熟程度以及是否有生焦等。改變煤種的配比能有效改善推焦過程中推焦困難的問題，對于推焦力超限的爐號，在裝煤時(shí)避免出現(xiàn)“滿裝”，可有效減少“粘爐”現(xiàn)象，的發(fā)生。當(dāng)推焦力低于“最大保護(hù)”值并有下降趨勢時(shí)，可以進(jìn)行“滿裝”操作。

2.4 爐溫控制模塊

首鋼京唐公司7.63m焦?fàn)t的加熱系統(tǒng)由液壓交換DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制。整個(gè)焦?fàn)t的加熱熱量和時(shí)間均與結(jié)焦質(zhì)量有著密切的關(guān)系。

焦炭管家系統(tǒng)通過接收焦?fàn)t公輔的DCS采集的原料（煤種的配比、煤的濕度和裝煤量）及工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度、廢氣的溫度及氧含量、手動(dòng)測溫模塊和自動(dòng)測溫模塊的數(shù)據(jù)等），通過接收和匯總這幾個(gè)方面信號，爐溫控制模塊自動(dòng)計(jì)算出熱量需要求，將計(jì)算的結(jié)果通過工業(yè)以太網(wǎng)通信傳遞到液壓交換DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對加熱循環(huán)暫停時(shí)間、入燃燒室煤氣壓力和廢氣吸力等數(shù)據(jù)的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焦?fàn)t加熱系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)。

對于焦?fàn)t操作過程中的數(shù)據(jù)變更，如操作延遲導(dǎo)致增加加熱時(shí)間，爐溫控制模塊會(huì)比較實(shí)際加熱時(shí)間和設(shè)定加熱周期時(shí)間，并調(diào)整加熱系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)整加熱控制參數(shù)等，保證焦炭成熟，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存、曲線自動(dòng)繪制等功能[3]。

2.5 推焦計(jì)劃自動(dòng)編制模塊

推焦計(jì)劃自動(dòng)編制模塊是一個(gè)自動(dòng)推焦裝煤計(jì)劃的計(jì)算程序。焦炭管家系統(tǒng)可向地面協(xié)調(diào)PLC發(fā)出推焦、裝煤時(shí)間信號，并接收機(jī)車返回的推焦、裝煤動(dòng)作的時(shí)間數(shù)據(jù)。焦炭管家系統(tǒng)根據(jù)工藝人員設(shè)定的結(jié)焦時(shí)間進(jìn)行計(jì)結(jié)焦周期的計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果定時(shí)發(fā)送給地面協(xié)調(diào)PLC，由地面協(xié)調(diào)PLC負(fù)責(zé)分別向推焦車和裝煤車發(fā)送推焦、裝煤的始發(fā)動(dòng)作信號，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)推焦、裝煤在時(shí)間上的自動(dòng)化控制。

另外，對于需要檢修的爐號，焦炭管家系統(tǒng)可以在推焦時(shí)間上進(jìn)行修改。操作人員可以通過焦炭管家操作員站上的操作界面推遲或適當(dāng)提前個(gè)別爐號的推焦時(shí)間，這段時(shí)間操作人員可以進(jìn)行爐門更換、倒換車輛和炭化室檢修等特殊操作，待操作完成后，操作人員在操作界面進(jìn)行確認(rèn)，焦炭管家系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算全爐下一次結(jié)焦時(shí)間。

3.應(yīng)用效果

首鋼京唐公司7.63米大型焦?fàn)t自2008年投入使用焦炭管家系統(tǒng)并調(diào)試使用成功后，使焦?fàn)t的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高效持續(xù)的焦炭質(zhì)量、高可靠性的操作、熱量的有效利用和控制、更長的焦?fàn)t壽命、快速檢測出操作錯(cuò)誤、簡化出焦表的制定以及更少的廢氣排放等。

4.結(jié) 語

焦炭管家系統(tǒng)應(yīng)用于焦化廠可提高焦炭質(zhì)量、節(jié)約燃料、減少污染、延長焦?fàn)t使用壽命以及節(jié)約人力等，同時(shí)可真正實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱系統(tǒng)和機(jī)車的推焦、裝煤計(jì)劃的全自動(dòng)控制。焦炭管家系統(tǒng)特別符合興建大型化焦?fàn)t的要求，適合被廣泛推廣，以加速煉焦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，使煉焦產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。