1 项目简介
宣钢公司是河北钢铁集团的骨干企业，已有90多年的建企历史，最早的前身是创建于1919年的龙烟铁矿股份公司。新中国建立初期，宣钢是第一批恢复生产的大型冶金企业。2008年6月，宣钢公司加入河北钢铁集团有限公司。宣钢公司主要生产装备有高炉5座、转炉5座、轧钢生产线9条、焦炉6座、发电机组11台，已经形成生铁800万吨、钢820万吨、材660万吨的生产能力。主要产品为线材、棒材、型材、带钢，其中热轧带肋钢筋、热轧钢带、热轧圆盘条等产品荣获“河北省名牌产品”称号，热轧带肋钢筋、热轧等边角钢、热轧槽钢、热轧圆钢等产品荣获国家“冶金产品实物质量金杯奖”。
宣钢在发展壮大、做精做强的历程中，始终紧跟时代步伐，实现了经济效益与社会效益的协调发展。宣钢2004年获“全国五一劳动奖状”，2007年获“全国模范劳动关系和谐企业”称号，获河北省政府颁发的“河北省质量管理奖”，2008年获“河北省最具社会责任感企业”称号，2009年获“全国钢铁工业先进集体”称号，2010年荣获全国“实施卓越绩效模式先进企业”、全国“讲理想、比贡献”活动先进集体、全国“厂务公开民主管理先进单位”、河北省政府质量管理奖、“河北省诚信企业”、张家口市“先进基层党组织”等荣誉称号。
在新的发展进程中，宣钢坚持科学发展、依法发展、安全发展、和谐发展，创建“管理一流、队伍一流、产品一流、环境一流”科学发展示范企业，打造“国内领先、国际一流”精品长材基地，为我国钢铁行业实现更好更快发展做出积极贡献。
宣钢共有四座1800M3以上大型高炉。其中1800M3高炉一座、2500M3高炉两座、2000M3高炉一座，除1800M3高炉以外，其它三座高炉均采用ABB AC800F控制系统，该系统以其迅捷、安全通讯网络配置和操作界面人性化、直观简便，合理布局等特点，得到用户的认可和高度评价，此套系统曾在宣钢小型高炉上及高炉喷煤系统中得到很好的应用。技术人员对该系统也具有一定的维护经验，并且结合控制需求，还大胆的采用Profibus DP技术使AC800F控制系统与TURCK现场总线控制结合，既节约了成本投入也方便了维护。这一技术也是AC800F系统在国内大型高炉的首次应用。
2 应用工艺流程介绍
2．1控制系统硬件的设计
高炉的自动化系统的组成主要包括：槽上、槽下、炉顶、高炉本体、热风炉、喷煤和循环水，它们各自独立过程站，以工业以太网总线型拓扑结构建立联系，实现工作站之间、上位机之间数据的传递，通讯速率可达100Mbit，使得通讯网络更加迅捷、安全。为保证过程的安全、连续、稳定生产，全系统控制站和电源均采用冗余配置。系统设置1台工程师站,操作员站可互做冗余使用，任何一台出现故障时，其功能都可以在其它操作站上实现；在操作站上对所有这些信号可实现显示、控制、存档、报表等功能。高炉工程基础自动化系统配置图如下图所示。
2.2.1供料皮带与上料主皮带
供料皮带分为供焦和供矿皮带，设计为双传动装置，一用一备，平常为一组传动装置驱动，一旦一组传动装置出现故障，另一组传动装置及时啮合，以争取最短时间内恢复正常运转。由于供矿、供焦作了两条皮带，原则上为连续运转设备。
主皮带为连续运转设备。主皮带上设置A、B 二个检测点。A点为炉顶上料罐卸料（上一批）及闸门动作指令点，即当料到达A点发出有关设备动作的指令，以作好受料的准备；B点检测炉顶设备动作是否完成，即料到达B点时有关炉顶设备的动作必须完成，否则主皮带自动停车，以避免装料事故的发生。主皮带由两组传动装置驱动，每组两台电机，即使某一台电机停止工作，也不影响主皮带正常运转。此外，主皮带还设有防跑偏、防撕裂、防打滑、防堵料的报警及皮带测速、料位跟踪、安全拉线开关等装置。
2.2.2称量及称量补偿
高炉配料误差通常由以下两个因素产生。其一，称量斗放完料后边角挂料，放不干净；其二，振动筛的冲量。为了保证高炉上料的准确性,上料时必须把误差降到最小,这就需要进行补偿。补偿模型的建立与下列几个量有关：
（1）SSZ：振动筛停止振动后，计算机采集到的料满后的称量值，称为实筛值；
（2）O_SP：人工设定的每斗重量；
（3）HH_W:计算机发出料空信号，称量斗闸门关好后采集到的称量值为称量值；
（4）TSZ:停筛值，发出停给料机命令；
（5）FLOW:发出停给料机命令振动筛上剩有的冲量；
（6）WCZ上一批料的设定值与实际值的偏差值
由以上定义可知：WCZ=O_SP-SSZ-HH_W
TSZ=O_SP-FLOW-WCZ
当称量斗中的料达到停筛值TSZ时，给料机就会停止运行，剩余的量由振动筛上的冲量补满。实践证明，在外部设备不变的情况下，冲量是不变的。通过这样的设计,槽下拉料精度很高，为高炉出铁的质量奠定了良好的基础。
2.2.3焦炭水分的测量设计
焦炭水分的测点共有两处，分别装在焦炭料仓下侧，实时测量焦炭的水分情况。设计选型为北京首冶仪器仪表有限公司TSY-5中子水分仪，它采用中子射线探测及计算机研制开发的新型智能核仪表。适用于在线快速测量物料的水分含量，有标准的4－20mA的电流信号输出接口，能很方便地与模拟量输入模块连接，可达到及时对物料进行水分补偿或控制生产的目的。中子水分仪的量程为0%-20%。按线性转换，其转换公式为：
Y=80*X+4 式中，Y为中子水分仪输出的电流信号，mA;X为焦炭水分百分比。
2.3 并罐无料钟炉顶的检测与控制
并罐无料钟炉顶所控制的设备主要有：上料闸、上密阀、下料罐、均压放散阀、一均、二均、下料闸、下密阀、布料溜槽、探尺、炉顶放散阀等设备，除布料溜槽、探尺为电机传动外，其余设备均采用液压传动，为此配备了炉顶液压站、润滑系统。炉顶要料指令下达后，打开均压放散阀卸压，随后开启上密封阀及上料闸，料罐受料。装料完毕，关闭上料闸、上密封阀和均压放散阀，开启一次均压。探尺探料面至规定料线深度，随即提升到位后，打开下密封阀及下料闸，下料闸采用比例阀控制开度大小来实现布料圈数的精确度，炉料由布料溜槽布入炉内。布料溜槽每布一批料后发布料完成信号，步数步进。 溜槽既可实现多环往返布料，还可实现扇形和定点布料。每罐料布完后，依次关闭下料闸和下密封阀。
2.3.1下料闸的控制
高炉采用比例阀来对下料闸进行控制。比例闸是由比例电磁铁取代普通液压阀的调节和控制装置而构成的，它可以按给定的输入电压或电流信号连续地、按比例地、远距离地控制流体的流量，采用比例阀既提高了系统的自动化程度和精度，又简化了系统。
确定下料闸的开度有给定时间法和计算时间法。给定时间法用给定时间布完一定数量的炉料来确定料流开度，计算时间法用矩阵给出的时间布完一定数量的炉料来确定料流的开度。宣钢1#高炉采用给定时间法，这样上料操作工可以随时更改下料闸的设定角度，以满足生产的需要。
2.3.2倾动和回转的控制
倾动由交流异步电机控制，调速装置是西门子变频器6ES7系列，为一备一用，当任何一台出现故障时，另一台能马上投入使用。倾动速度为1.6º/s，正常的倾角范围为2º-53º。当倾动设定角度与实际角度的误差在大于5º时，由控制站输出高速命令，当设定角度与实际角度的误差在小于5º时，由控制站输出低速命令，当设定角度大于实际角度时，且两者的差大于0.85º，由控制站输出倾动上倾命令；当设定角度小于实际角度时，且两者的差大于0.98º,由控制站输出倾动下倾命令。
倾动找角有两种方法：
（1）重量法：根据下罐中物料的重量（净重）W，布料总圈数m，计算其料流量Q，根据通过现场测试得到的料流曲线矩阵表格（不同物料，不同料流量与下料闸开度的关系）查出（或算出）下料闸开度。若设定某一倾角位置布n圈料，则为n/m份料，当称量系统显示在该圈上布完W•n/m 重量的物料时，倾动开始倾到下一倾角。
（2）时间法：当称量系统出现故障或检修时使用。物料重量是根据设定料重或从槽下称量得到的该批料重，设定总圈数，算出料流量，再根据料流曲线表格查出（或算出）下料闸的开度。若在某一倾角位置布n圈料，则7.5n秒时间后倾动便步进到下一倾角位置。
编程人员根据控制需求和现场经验，采用了时间法，满足了生产要求。
回转由旋转电机控制，其旋转速度为8r/min，设置有六个旋转显示方位，即0º、60º、120º、180º、240º、300º，使操作人员随时能观察到溜槽旋转到达的方位。
2.4 炉顶与槽下系统的通讯
槽下配好料后，通过主皮带向炉顶供料，两者紧密相联，通过以太网通信，交换的数据较多。
2.5 槽下至炉顶传送的数据
料头到A点：槽下选中的称斗第一个闸门开，选时45S,料头进入主皮带，延时50S,料头到检点信号发出，炉顶设备开始动作，开均放。
料头到B点：槽下选中的称斗第一个闸门开，选时45S,料头进入主皮带，延时80S,料头到检点信号发出，如果料罐上密关，翻板没到到位，则自动停主皮带，否则容易发生堵料事故。
料尾到B点：槽下选中的最后一个称斗放空，延时60S，料尾进入主皮带，延时2m,发出料罐装料完成信号。
槽下到炉顶传送的其它数据主要有料的品种及重量信号、槽下配料表中当前运行的步号、料的品种及重量信号。
2.6 炉顶至槽下传送的数据
要料信号：下密开到位，料流非关，延时40S向槽下发出要料信号，槽下如果具备放料条件，开始自动放料。
停主皮带信号：炉顶如遇到突发事故，可人工发出停主皮带指令，此信号传到槽下，控制停主皮带。
赶料信号：程序设定两种上料方式，一种是赶料，一种是不赶料，赶料主要用于高炉亏尺或补料方式。在正常生产时，为不赶料方式。
3 方案确定
炼铁工艺的实现要求控制系统必须具备24小时连续不间断作业，系统安全可靠，具备冗余功能。而且必须满足电气、仪表和计算机网络资源共享，可以实现EIC三电一体化，编程及控制统一，能在同一个网络上，通讯方便，系统开放性好，采购成本较低，性价比高的特点。为此IndustrialIT AC800F控制系统以其灵活的通讯协议配置，丰富的功能模块库，满足不同的控制、通讯及运算的需求等特点，成为项目实现的首选。
4 控制系统方案及结构概述
为保证高炉生产过程的安全、连续、稳定生产，过程控制站、网络系统、电源均采用冗余配置。过程控制站之间及其与操作员站之间的通讯总线为双光纤环网配置，通讯速率可达100Mbit，使得通讯网络更加迅捷、安全。高炉按区域共设置12套冗余配置过程控制站, 分别是热风炉、高炉本体、炉顶上料、循环水、喷煤、除尘、槽下、槽上、转运站、水冲渣等，每个过程控制站配置2台操作员站,系统配置1台工程师站。操作员站可互做冗余使用，任何一台出现故障时，其功能都可以在其备用操作站上实现，并在操作站上对所有这些信号可实现控制、显示、存档、报表等功能。
4.1工程师站
设一台工程师站，工程师站最高安装AC800F CBF9.1版本组态软件，运行在 Windows XP sp2系统下。工程师站使用以太网与过程站及操作员站进行通信，可以实现硬件编辑、过程站编程调试、操作员站组态。
ABB AC800F CBF9.1软件不仅可用于过程站编程组态，还可以完成操作员站画面、记录与归档信息的组态；同时还是一种高性能的过程调试工具。AC800F CBF9.1建立统一的数据库，支持同一个项目下所有资源的调用，真正实现了数据共享；丰富的功能模块库，用于实现不同的控制、通讯及运算的需求。此外，还支持用户自定义接口，根据用户要求开发专用功能块即用户自定义功能块，方便用户组态；支持现场总线设备的数据读取与编程功能。编程语言与图形化编程语言标准 IEC 1131-3完全兼容,可以根据用户实际控制要求，任意选用 FBD、LAD、IL、SFC 等编程方式。系统具备大量标准功能块及功能子程序，如调节块具备标准、比率、步进、2位、3位、变参数等功能块供用户根据实际情况选用。ABB AC800F CBF9.1软件支持离线编程及在线修改参数，被修改的参数具备自动备份功能可以恢复；该软件可以在线调试，也可以单步运行、跟踪、仿真调试。
4.2操作员站
操作员站硬件选用适用工业现场的DELL计算机。操作员站安装 DIGIVIS软件，中文语言平台,软件运行环境为 Windows XP操作系统。操作员站使用以太网与过程站及其它设备进行通信，操作员站之间数据及画面完全可以共享。
DIGIVIS软件显示功能支持标准预定义显示:如总貌显示、用户自定义画面显示、控制组显示、趋势显示、报警显示、操作面板显示、操作记录列表(实现各种操作的实时记录)显示等，用户自定义流程图显示即支持传统DCS流程图，软件具有强大的三维图形库可以调用，该库可以由用户自行扩充。此系统还可实时诊测显示：系统总貌、系统过程站和系统模件三大部分，诊断状态信息在诊测画面上以图形方式显示及文字详细提示；DIGIVIS软件趋势显示功能支持趋势组态，画面可以进行灵活操作，支持FTP协议数据远传功能；DIGIVIS还可以实现实时操作记录及打印。
4.3过程站
A、过程控制站的CPU采用一对PM802作为冗余控制器，控制器之间用一对EI803反线连接，即DigiNetP，确保数据同步，无扰切换。
B、每一个控制器都有独立的电源模块SD802，双路24伏供电分别来自两个电源模块SD823，每个SD823的220伏又来自于不同的两段电源跨接的UPS(在线式不间断电源) ，完全实现了电源的冗余备用。
C、控制器与S800 I/O站之间的通讯采用标准的，且容易扩展Profibus DP总线协议，该总线的通讯速率为1.5 Mb/s，通讯介质采用标准的Profibus DP电缆，其最大通讯距离为1200米。总线采用低阻抗的双绞屏蔽电缆，Profibus DP总线替代了来自现场传感器与执行器的昂贵的信号传输线。
D、过程站采用赫斯曼环网交换机通过环形光纤以太网与操作员站及其它设备进行通信。环形光纤以太网采用全局数据库,所有变量及标签均可以在环形光纤以太网范围共享。模件具备实时检测及远程诊测功能。
E、控制站的冗余设计思想。
ABB AC800F 过程站采用的冗余控制系统的可靠性比传统的DCS系统有很大提高。主要技术指标有：
a、 AC800F中央控制器中预装有冗余软件，用户在组态时可完全忽略其冗余特性，象对非冗余系统组态一样只需输入用户程序。
b、事件驱动同步功能,对于执行后能引起 两个冗余 CPU的内部状态不同的所有命令，如更新过程映象区，直接访问 I/O，中断与报警，定时器的更新等， CPU之间自动进行同步，而不是以特定的时间周期进行同步。
b、冗余的两个控制器分别安装在两个标准机架上，使电源，通讯卡件及 CPU被分成两个独立部分。
c、冗余的每个控制器配置一个电源模块SD802，两路24伏输入分别来自两个完全独立的电源模块SD823.
5 工艺过程的实现及运行效果
高速以太网、Profibus DP/PA等几种协议的灵活应用,使系统方便地与其它PLC或现场总线仪表互连,实现系统间兼容与良好的过渡。过程控制的硬件配置、软件编程及人机界面(HMI)部分的完备设计制作使得许多设备都实现了自动化的操作和运行，减少了设备的维护工作量，生产事故的发生。“热态备用”的冗余概念使得设备故障处理速度快，实现了设备信息的自动化、网络化。设备自投运以来，该高炉在生产正常的情况下，每小时的上料可达到9批，由于其配料速度与配料精度的提高，收到了可观的经济效益。
6 应用体会
宣钢高炉控制系统采用具有世界领先水平的全能综合性开放ABB AC800F DCS控制系统，以实现对高炉整个配套系统工艺生产的监视、控制与计量。ABB AC800F控制系统具有灵活的通讯协议配置，其支持多种协议标准，使系统方便地与其它PLC或现场总线仪表互连,实现系统间兼容与良好的过渡。自主研发的软件也同样安全可靠和具有实用性。
6.1、通讯环路的迅捷和安全
ABB AC800F DCS采用最先进的快速以太网技术：双光纤冗余环网。分布式 I/O模块、通过功能强大的实时总线系统与自动化系统进行通讯，可直接连接基于总线的智能化现场设备。使得通讯网络更加迅捷、安全。数据传输快，质量好，因环路通讯而影响生产的现象从未出现。
6.2、AC800F硬件的安全可靠和可维护性
为保证出铁过程的安全、连续、稳定生产，全系统控制站处理器和电源均采用冗余配置。操作员站,可互做冗余使用，任何一台出现故障时，其功能都可以在其它操作站上实现； AC800F硬件采集的各类模拟信号数据准确、误差小，而且信号质量好，故障率低。
