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PLC对高炉生产的影响
目录
前言……………………………………………………………1
一.我国高炉炼铁现状……………………………………………2
1.我国钢铁工业生产现状…………………………………………2
2.加入世贸对我国钢铁经济的影响…………………………………2
3.国内学者对我国钢铁行业存在问题的研究…………………………3
二.国内外的高炉炼铁现状…………………………………………4
三.PLC的原理及物理结构…………………………………………5
四.高炉炼铁工艺及PLC对各个工艺的控制………………………6
1.高炉炼铁的工艺流程………………………………………………6
2.PLC对各个工艺的作用………………………………………………7
五.结语………………………………………………………………9
参考文献…………………………………………………………10
摘要
本文针对高炉炼铁工艺的生产自动化现状进行了其技术性研究,使其高炉炼铁具有规模大、效率高、成本低等诸多优势,随着技术的发展,高炉正朝着大型化、高效化和自动化迈进。
实现渣铁分离。
已熔化的渣铁之间及与固态焦炭接触过程中,发生诸多反应,最后调整铁液的成分和温度达到终点。
故保证炉料均匀稳定的下降,控制煤气流均匀合理分布是高质量完成冶炼过程的关键。
所有的这些问题都需要一定的技术作为坚实的后盾,那么现在技术比较成熟的就是PLC的应用。
关键词:
高炉炼铁;PLC;自动化
前言
高炉控制系统的总体技术方案是以高性能工业微机、可编程序控制器为核心系统而构成的全分布式网络结构;根据同类钢铁企业所应用的成功经验,为减少企业因产品性能质量问题而造成重复投资,加重职工维护维修的工作量,直接影响到炉况稳定,从而对生产造成直接经济损失,因此在仪表选型上本着常规仪表以国内高质量产品为主,特殊检测采用进口仪表的原则,对系统的关键设备—调节阀选用鞍山自控仪表集团股份有限公司电子式电动调节蝶阀;称重传感器及二次仪表选用余姚衡高有限公司产品,要求同一规格的传感器的灵敏系数相同;变送器选用EJA产品;布袋除尘检漏仪、粉尘浓度计选用青岛科联有限公司产品;自立式调节阀选用鞍山自控仪表集团公司产品;拱顶红外测温仪选用天津多泽公司产品;传动系统以法国施耐德公司ATV71变频器和德国西门子70变频器为核心,低压电气设备采用GGD型控制柜,内部元器件全部选用施耐德产品符合IEC947标准,继电器选用欧姆龙产品并带指示灯,端子排选用菲尼克斯产品,主母线选用铜排并涮锡。
。
电气部分的设计、生产原则上安全、实用、可靠为准,要满足工艺要求,达到同期的先进水平。
要严防因设计、生产商等原因造成的停产和设备、人身事故的发生。
各馈线柜要考虑检修及临时变更电源,四路以上备用。
总进线要求布置合理,符合国标,并考虑检修电源容量,变频器柜要考虑散热。
要把主卷扬的溜车,减速点不减速和到位不停车,拉过位作为重点设计对象。
如发生以上现象,设报警和保护方式,严防拉过位现象发生。
为更好的监控上料小车,采用主令控制器信号为主控制,旋转编码器为位置跟踪及各种连锁检测保护。
探尺要注意浮尺和快速提尺的可靠性以及塌料时探尺快速提升保护。
料车卷扬、探尺卷扬、布料倾动上料系统、热风、布袋除满足基本工艺要求外还要满足设计院提出的工艺要求。
一.我国高炉炼铁现状
1.1我国钢铁工业生产现状
近代来高炉向大型化发方向发展,目前世界上已有数座5000立方米以上容积的高炉在生产。
我国也已经有4300立方米的高炉投入生产,日产生铁万吨以上,日消耗矿石等近2万吨,焦炭等燃料5千吨。
这样每天有数万吨的原料、燃料运进和产品输出,还需要消耗大量的水、风、电气,生产规模及吞吐量如此之大,是其他企业不可比拟的。
目前,我国已经成为全球最大的钢铁生产国,而澳洲及巴西则是全球主要的铁矿石出产国,两国控制着我国钢铁的生产命脉。
其实,我国同样也把对方的命运抓在手上,但是每次铁矿石谈判,我国都是任人宰割,特别是2011年,我国钢铁企业则完全放弃了对铁矿石价格的谈判。
这是因为在供需双方的议价能力上,规模只是提高议价能力的要素之一,产业集中度、替代品、纵向整合能力等要素综合决定了双方的议价能力,而我国大部分钢企近年都把发展的重心放在钢铁产能的横向扩张上,而较少投入资源在钢铁产业价值链来构筑竞争优势,使得我国在最近几年的铁矿石谈判中一直处于劣势,并且导致铁矿石等资源的价格一直上涨。
钢铁行业存在创新能力不强、产品结构不合理、产业集中度较低以及产能过剩等方面的问题将严重影响我国钢铁产业的健康发展和钢铁行业的国际竞争力。
钢铁行业的根中国本出路在于创新,钢铁行业发展到今天,仅仅追求高的总产量的出路已经行不通了。
虽然中国目前已经是一个钢铁大国了,但还远远谈不上是一个钢铁强国。
整体来说,中国钢铁企业出口的钢铁产品档次、质量比较低,技术含量不高,利润也比较低,缺乏竞争力,这在很大程度上加重了整个钢铁行业的集体焦虑。
中国钢铁业大而不强的状况如果不能得到改变,无论是在国际铁矿石谈判中,还是在与国际同行的竞争中,都将处于不利地位。
1.2加入世贸对我国钢铁经济的影响
钢铁工业是人类社会活动中占有着极其重要的地位,对发展国民经济起着极其重要的作用。
无论工业、农业、交通、建筑及国防均离不开钢铁。
一个国家的钢铁生产水平,就直接反映了这个国家的科学技术发展和人民的生活水平。
那么自中国加入世贸组织后,自2001年底以来,全球钢铁价格已上涨2倍,提升了该行业的盈利水平。
同期,由所有上市钢铁公司股价构成的全球钢铁股价格综合指数,表现超过所有上市公司平均股价表现近4倍。
2003年,中国钢铁净进口量(进口减去出口)约为3500万吨。
但今年,预计中国钢铁净出口量大约为5000万吨。
假设这种趋势持续下去,中国钢铁公司出口量的上升,的确有可能影响全球钢铁行业的前景。
中国从2006年开始,从钢净进口国转变为净出口国,2007年中国粗钢净出口量占中国粗钢产量的11.27%,占全球除中国外粗钢产量的6.47%。
今年9月受美国金融危机的影响,国内钢材出口量减少为667万吨,较8月份高点回落101万吨。
奥巴马上台后誓言要实施自己的金融新政,力求美国经济在任期内重新好转。
而积极的新政,无疑也会为中国钢铁出口带来新的消费希望。
1.3国内学者对我国钢铁行业存在问题的研究
刘汉章(2002)详细分析了我国钢铁行业和国外的差距,指出虽然我国的钢铁总产量很大,但我国钢铁行业的总体技术装备和生产专业化程度都比较低,而产品耗能则非常高,因此我国钢铁行业的生产率和钢铁产品的品种、质量、附加值等都远远低于发达国家,钢铁产品在国际市场上缺乏竞争力。
另外通过分析,他认为我国钢铁产业的集中度比较低。
对于中国钢铁产业出现集中化较低,并且还在继续下降的原因,李拥军等(2006)给出了他们的解释:
由中国的市场化进程、市场区域划分、钢铁产业发展周期、钢铁产品消费结构等多种因素共同作用导致的。
以上学者都是从定性角度来分析我国的钢铁行业,并没用使用具体的模型方法来证实自己的观点,对钢铁行业的分析显得缺乏说服力,因此后面的许多学者为了增加对钢铁行业问题的解释能力,使用了很多方法来论证他们的观点。
高铁梅、孔宪丽等(2003、2004)利用时差相关分析、马场方法等方法筛选了许多和钢铁行业相关的经济指标,最终合成了反映我国钢铁行业的景气指数,这是我国学者首次对国内行业增长率波动景气指数进行的研究,为我国政府、钢铁行业等相关部门准确判断当前和未来的钢铁行业发展方向提供了依据。
徐康宁、韩剑(2006)通过对我国1992~2004年钢铁行业产业集中度(CR4和CR10)的变化分析得出中国确实存在逆集中化现象,作者还构建了一个反映产业空间集中度的指标,对全国各地区钢铁行业的主要产品离散性进行了实证分析,得到我国钢铁行业在地区间更加分散的结论。
较低的集中度不仅影响钢铁行业的效率,而且还严重削弱了我国钢铁企业在获得铁矿石、能源等资源上的谈判能力。
钢铁行业属于资本和资源密集型的产业,因此规模经济是钢铁行业发挥产业效率和竞争力的主要因素,而许多学者对我国钢铁行业是否存在规模经济的分析结果都不是很理想。
焦国华等(2007)利用数据包络分析法对我国主要的大中型钢铁企业的规模效率和相对效率进行了具体的实证分析,得到企业的规模并不是企业经营效率的决定性因素,某些中小型钢铁企业也可以具有较高的经济效率,不少大型钢企的相对效率较低。
作者还建立了一个分析钢铁企业规模和效率的模型,得到我国钢铁行业目前并不存在规模经济的特征,这可能是由我国钢铁行业集中度较低导致的。
杜春丽等(2009)通过格兰杰因果检验法对我国的宝钢、唐钢、鞍钢和武钢的规模和效益之间的关系进行了分析,也得到钢企的规模效应在我国表现得并不明显的结论。
针对我国钢铁行业较低的集中度和规模经济效益不明显的现象,政府出台了很多产业政策,但是以上学者都认为国家的产业政策应该注意导向性,减少对微观经济层面的直接干预,相关部门应该将政策重点转移到建立一个优胜劣汰的市场竞争机制上。
但是,政府“扶大限小”的产业政策使得市场竞争机制很难发挥作用,因为这种政策使效率较低的大企业免于面对高效率中小企业的竞争压力,而且会使钢铁企业更加注重扩大企业规模而不是企业效率,导致市场上存在大量效率低下的企业。
郎莹、王东杰(2009)认为,由于国内产业政策的调控和企业追求规模经济的内在要求等因素的影响,最近几年我国钢铁行业横向并购的现象很多。
如2005年的鞍钢和本钢合并、2006年唐钢并购承钢和宣钢、2007武钢并购昆钢、2008年唐钢和邯钢并购、2009年鞍钢和攀钢并购等。
这些企业的横向并购将使我国钢铁产业的集中度得到提高,而且有利于企业实现规模经济。
作者指出要提高并购的绩效,并不能一味地由政府主导,而应该大大发展市场化并购,维护市场的有效竞争。
二.国内外的高炉炼铁现状
近年来,世界生铁产量在迅速增长,其主要的推动力是中国生铁产量的高速增长。
2009年中国生铁产量已占全世界总产量的60.53%,比上年度同期增长15.87%,高于钢产量增幅2.37%具体情况见表1。
图1中国和世界粗钢和生铁产量单位:
万吨
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009.
中国生铁产量
13101
15554
17085
21367
26831
34375
41245
47652
47067
46928.54
中国粗钢产量
12849
15163
18168
22116
28049
34936
42299
48924
50049
56784.24
世界生铁产量
57079
57430
60393
65450
72131
78107
87246
94365
92670
89826.1
世界粗钢产量
84300
84380
89919
96967
105849
114186
124418
132890
130582
119916.7
中国生铁占世界比例
22.95%
27.08%
28.29%
32.65%
37.20%
44.01%
47.27%
50.50%
50.79%
60.53
资料来源:
国家统计局
中国生铁产量的高速增长,使铁钢比上升到0.957,比上年平均值上升了0.019,会使我国吨钢综合能耗上升,污染物排放增加。
据统计,2009年我国有大于500m³以上容积的34座高炉新投产,约有近20座大于500m³以上容积的高炉在建设之中。
这表明我国生铁的产能还会要增加,目前,我国生铁产能是已超过7.0亿吨/年,其中尚有约2亿吨的产能是由小于400m³高炉构成的。
所以,我国淘汰落后小高炉的任务是十分艰巨的。
当前出现一些小高炉生产的经济性优于大高炉,其原因是复杂的。
这说明,我国的钢铁企业是处于多层次、多种结构,不同生产技术水平共同发展阶段。
这充分反映出中国的特色,要进行科学的评价。
高炉大型化是占地小、单位投资低、生产率高、单位容积散热少、工序能耗低、污染物排放少、生产成本低、有较强的竞争力。
全球高炉均向大型化发展。
日本和西欧(欧盟15国)高炉大型化的情况见表2。
表2日本、西欧高炉大型化情况对比
年
1990
2008
1990
2008
日
本
高炉座数
65
28
西
欧
92
58
平均容积,m³
1558
4157
1690
2063
年产量,万吨
8022.9
8617.1
10400
25400
三.PLC的原理及物理结构
1、PLC的原理
1.1可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.2当可编程逻辑控制器投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
如下图;
PLC外形
2、PLC的物理结构
2.1电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此,可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去.
2.2中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性,近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
2.3存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
2.4输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路,作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
2.5功能模块
如计数、定位等功能模块。
2.6通信模块
四.高炉炼铁工艺及PLC对各个工艺的控制
1.高炉炼铁的工艺流程
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。
在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁。
炼出的铁水从铁口放出。
铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。
产生的煤气从炉顶导出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
流程图如下:
高炉炼铁工艺流程图
2.PLC对各个工艺的作用
高炉控制系统主要包含高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制,以及除尘系统控制等。
高炉炼铁自动化控制系统就是保证炼铁生产过程的连续性和实时监控性,进而保证高炉操作的四个主要问题:
正确配料并以一定的顺序及时装入炉内、控制炉料均匀下降、调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触、保持高炉整体有合适的热状态。
高炉控制系统主要包含高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制,以及除尘系统控制等。
高炉炼铁自动化控制系统就是保证炼铁生产过程的连续性和实时监控性,进而保证高炉操作的四个主要问题:
正确配料并以一定的顺序及时装入炉内、控制炉料均匀下降、调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触、保持高炉整体有合适的热状态。
高炉控制系统主要包含高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制,以及除尘系统控制等。
高炉炼铁自动化控制系统就是保证炼铁生产过程的连续性和实时监控性,进而保证高炉操作的四个主要问题:
正确配料并以一定的顺序及时装入炉内、控制炉料均匀下降、调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触、保持高炉整体有合适的热状态。
高炉控制是集机械、电气控制和计算机应用为一体的技术,采用以和利时公司HOLLiASLK系列PLC为核心的,集中与分散相结合的自动化控制系统,系统由1个中央控制室和上料系统、高炉本体、热风炉、除尘等四个控制站组成,通过高速100Mbps光纤工业以太网进行数据通信,自动化过程监控系统的布局及网络结构如图1。
料批控制程序及选仓配料控制、料流调节阀开度控制及溜槽倾动和转动控制为重点;料车卷扬、探尺卷扬、布料器倾动上料系统、热风、布袋除尘,既要满足基本工艺要求,还要满足设计提出的工艺要求。
为保证各工艺过程的安全运行,各控制站采用LK冗余系统,支持电源冗余、CPU冗余、总线冗余,所有模块均支持带电插拔,使系统的安全性、可靠性大大提高。
图1高炉自动化控制系统示意图
在中央控制室中设2个操作员站和1个工程师站。
一个为主操作员站用来显示高炉原料监视操作屏和高炉上料监视操作屏;另一个站主要用来显示生产操作技术参数、区域图、曲线图等画面,两者也可互为备用。
操作人员通过观察计算机监控屏的显示及工作状态,控制各种设备。
工程师站具有对各系统进行组态权和运行权,可以进行料制的设定,当前料车的车次、周期、程序信息的显示,生产工艺过程的显示,程序打印等功能。
另外,为了适应工艺操作,在各控制站设槽下及上料操作站、高炉本体操作站、热风炉操作站和布袋除尘操作站。
所有的数字量输出点都采用继电器与外部设备进行电气隔离,模拟量输入输出信号都采用带光电隔离的模块。
通信网络
整个自动化系统由二级控制系统和二层通讯网络构成。
保证系统的完整性、合理性、确保系统自动运行。
工业以太网:
高炉四个控制站都可以独立完成各自的任务,根据生产工艺的需要,将各自独立的控制站、操作站与中央控制室的操作站和工程师站之间采用高速工业以太网,做到资源共享,互调数据、画面等,构成完整的过程监控系统,通信速率为100Mbps,传输介质为光纤;
PROFIBUS-DP现场总线:
各控制站PLC主站与各自的远程I/O站通过PROFIBUS-DP现场总线进行数据通信,通信速率为1.5Mbps,传输介质为屏蔽双绞线。
操作方式
全线操作系统由操作站、操作台构成。
操作站实现集中手动、自动控制,主要用于工艺和电气参数的设定、运行方式的选择、开炉前后的一般操作,包括自动、软手动实现现场各电控设备的控制。
操作台主要用于手动操作和在自动方式下实施人工干预。
系统功能
本系统是一个集顺序控制、过程控制、数据采集、工况监视、数据管理为一体的计算机控制管理系统。
对电动机、阀门等以及成套机电设备的开关量控制,包括分组联锁起动、分组联锁关机、组内自动联锁控制、组内单步联锁控制、系统单步调试;过程控制数据的采集和处理(包括开关量和模拟量);完善的报警功能。
开关量和模拟量报警的显示、确认、记录和打印;动态显示工艺流程图画面,各画面之间可以自由切换;历史曲线图、实时曲线图、电气仪表图和棒形图显示和打印。
按照功能和结构划分,高炉系统分为四个分系统:
槽下及上料控制系统、高炉本体系统、热风炉系统和除尘控制系统。
下面分别具体介绍每个部分的控制功能:
槽下及上料控制系统
原料准备系统主要对各个料仓系统的给料机、振动筛、皮带机等设备进行控制;上料系统主要对主卷扬电气设备、2套探尺装置进行控制;炉顶布料系统主要对旋转布料器的倾动及旋转、柱塞阀、上密阀、下密阀等进行控制;它们均设有相应的机旁操作箱。
五.结语
高炉控制系统主要包含高炉本体控制、给料和配料控制、热风炉控制,以及除尘系统控制等。
高炉炼铁自动化控制系统就是保证炼铁生产过程的连续性和实时监控性,进而保证高炉操作的四个主要问题:
正确配料并以一定的顺序及时装入炉内、控制炉料均匀下降、调节炉料分布及保持其与热煤气流的良好接触、保持高炉整体有合适的热状态。
只有较高的信息控制才会有高质量的铁水顺利产出。
参考文献:
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[6]郎莹,王东杰.国内钢铁行业横向并购的形势与动因分析[J].经济纵横,2009.2.
[7]杜春丽,成金华,邹伟进.我国钢铁企业规模效益实证分析[J].统计与决策,2009.2
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