廣東省韶關鋼鐵集團有限公司8號3200m3 高爐的控制系統采用了西門子公司提供的SIMATIC PCS7 V7.0解決方案。配置靈活的控制系統由基于PROFIBUS總線的I/O、編碼器、變頻驅動器和高防護等級的ET200pro以及基于FF總線的智能儀表等多種設備組合而成，不僅可對高爐的各工藝參數進行實時數據采集及歷史數據存儲,而且實現了高爐生產三電一體化的全集成自動化控制。本項目的成功投產將對同類型高爐控制系統的選型、實施提供參考并產生深遠影響。
前言：
目前，我國正處于工業化的中后期，較之以往更加注重推進產業結構調整、實現可持續發展。鋼鐵產業是國民經濟的重要支柱產業，涉及面廣、產業關聯度高、消費拉動大，在經濟建設、社會發展、財政稅收、國防建設以及穩定就業等方面發揮著重要作用，同時，鋼鐵產業也面臨著產能過剩、低端產能較多的問題。為此，2009年國務院辦公廳公布了《鋼鐵產業調整和振興規劃》，旨在確保鋼鐵產業平穩運行，加快結構調整，推動產業升級。鋼鐵行業的不斷發展對與其相對應的自動化與信息化水平提出了更新、更高的要求。
韶關鋼鐵集團有限公司
廣東省韶關鋼鐵集團有限公司1966年建廠，歷經40多年的發展，現已成為年產鋼600萬噸能力，集鋼鐵制造、物流、工貿為一體的大型國有企業集團；成為世界鋼鐵企業100強，中國企業500強、廣東企業50強；成為廣東重要的鋼鐵生產基地、高新技術企業和中國重要的船板鋼生產基地。2009年，面對全球金融危機，韶鋼抓管理、練內功、調結構、強創新，積極應對，年產鋼422.68萬噸，鐵418.54萬噸，鋼材405.57萬噸，實現銷售收入141億元，總資產221億元。
“韶鋼”鋼材品牌獲首屆廣東省優秀自主品牌稱號，船板鋼通過了中國、美國、德國、英國、挪威、法國、日本、韓國、意大利等九國船級社工廠認證；橋梁用結構鋼板首批通過中國船級社產品認證；熱軋螺紋鋼筋、船板、Q345板獲得了國家冶金產品實物質量金杯獎。在珠三角、整個華南地區，韶鋼產品有著舉足輕重的影響。眾多高層建筑、重點工程、高速公路、地鐵項目等都指定使用韶鋼產品。
2010年，韶鋼提出鞏固成果防反復，內降成本、外拓市場、管理精益、技術創新、增強持續盈利能力工作思路。培育“韶華永鑄、鋼鐵意志、集思廣益、團隊一流”品質文化，以“誠信、規范、業績、奉獻”的企業文化，全力打造裝備先進、品質精良、績效卓越，環保生態型、品種效益型、和諧穩健型，華南地區最具競爭力的鋼鐵精品基地。
據韶關鋼鐵集團有限公司煉鐵部主任工程師畢勇先生介紹，在本次建設的3200m3 高爐投產之前，韶鋼已建有7座高爐。根據韶鋼發展的遠程規劃，早期的5座350 m3小高爐因技術設備相對落后、產能低下，將逐步被淘汰（淘汰產能250萬噸/年），截至目前已關停其中的3座，另外2座也即將完成各自的歷史使命。
韶鋼8號高爐由中冶賽迪工程技術股份有限公司（CISDI）設計施工總承包，于2008年2月27日奠基，隨后開始進行基礎施工。深圳市域展工業自動化技術有限公司作為西門子高級系統集成商為用戶提供全套自動化系統集成解決方案。
高爐生產的工藝流程和特點
高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和爐渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。
本項目以高爐煤氣、焦爐煤氣為燃料，球團礦、燒結礦為原料，采用4座內燃式熱風爐，富氧噴煤系統，攪籠法爐渣處理裝置，4個鐵口循環出鐵，高爐每天出鐵12次，每次出鐵時間112min。干法煤氣除塵系統、TRT余壓發電裝置將高爐煤氣全部回收。
為了減少粉塵對環境污染，本次設計對原料供應系統、礦槽、風口平臺出鐵場及爐頂設置環境除塵設施，使排放含塵濃度＜100mg/Nm3。
高爐自動化過程主要包含高爐本體控制、上料和配料控制、熱風爐控制，以及除塵系統控制等。高爐自動化的目的，主要是保證高爐操作的四個主要問題：正確配料并以一定的順序及時裝入爐內；控制爐料均勻下降；調節爐料分布及保持其與熱煤氣流的良好接觸；保持高爐整體有合適的熱狀態。高爐自動化系統主要包括儀表檢測及控制系統、電氣控制系統和過程及管理用計算機。
適應需求的最佳選擇
畢主任認為，高爐控制系統需要處理的數據龐雜，為滿足連續生產的要求，主控制器的處理能力首當其沖成為了選型的關鍵指標之一。而從工藝角度來看，高爐上料系統（含料車上料系統和爐頂布料系統）是煉鐵高爐中最重要的一環，及時準確的上料是保證高爐產量和產品質量的前提。如果上料慢，趕不上料線，將影響產量；如果上料錯，則會導致高爐拉風、休風的嚴重后果。此外，變頻器在運行過程中產生的強磁場及高次諧波所形成的干擾,是嚴重影響控制和通訊系統安全運行的主要因素，因此，高爐生產的特點對控制系統的性能與穩定性都提出了很高的要求。
經過慎重篩選和綜合論證，基于PROFIBUS現場總線的SIMATIC PCS7 V7.0過程控制系統最終脫穎而出，擔負起了韶鋼8號高爐數字化生產的重任。談到這套系統，畢主任不無感慨：“我們和西門子公司一直保持著良好的合作關系，7號高爐使用的PCS7系統以及之前大量的成功應用都已證明，西門子公司具備的國際領先的技術、優異的產品質量和可靠的服務保障能力是值得我們信賴的！”
項目具體實施
工藝概況
韶鋼8號高爐工程包括1座容積3200m3的高爐及相應的配套設施。主要工藝設施有：
（1）礦焦槽及上料系統，共設礦焦槽20個。其中燒結礦槽6個；焦槽6個；球團礦槽3個；塊礦槽2個；雜礦槽2個；小塊焦槽1個，以及皮帶輸送和小塊焦回收設備等。
（2）上料系統，上料主皮帶機及皮帶清洗設備等。
（3）無料鐘爐頂系統，包括無料鐘裝料設備，布料設備，爐頂液壓設備，干油潤滑設備，水冷卻設備等。
（4）高爐本體系統，包括爐體冷卻裝置，32個風口。
（5）出鐵場系統，包括南（C1），北（C2）雙出鐵場， 4個出鐵口，泥炮及開鐵口裝置等。
（6）煤氣除塵系統，包括重力除塵器，干法煤氣布袋除塵（韶鋼院），減壓閥組，煤氣切斷閥等。
（7）熱風爐及余熱回收系統，包括4座內燃式熱風爐，2臺助燃風機，余熱回收裝置等。
（8）煤粉制備及噴吹系統，包括干燥爐，中速磨，收粉設施，噴吹設施，供煤設施等。
（9）爐頂余壓發電（TRT）系統（陜鼓成套），包括透平機及其他檢測和調節設備等。
（10）水渣系統，包括嘉恒水渣處理設施。
（11）除塵系統，包括礦焦槽除塵，出鐵場除塵，以及爐頂除塵等
（12）水處理系統。
（13）焦爐煤氣加壓站
（14）原燃料供料系統
通過PCS7控制及監視的范圍包括：高爐礦焦槽系統，上料系統，無料鐘爐頂系統，高爐本體系統，出鐵場系統，爐渣處理（水渣），煤氣除塵系統，熱風爐及余熱回收系統，煤粉制備及噴吹系統，水處理系統，焦爐煤氣加壓站，原燃料供料系統等。
采用現場總線技術構建的高爐控制系統在功能上由兩級組成，第一級為基礎自動化級，第二級為計算機管理控制級。一級和二級之間通過以太網進行通訊，并可與企業上層網絡進行無縫連接。
1.基礎自動化級（一級）
主要由控制站、HMI服務器、工程師站、操作員站、PROFIBUS、FF、Ethernet通信接口或交換機、打印機等組成。控制站（包括電源、CPU、Profibus DP接口模件、Ethernet接口模件），按不同工藝單元部分進行冗余或非冗余配置。HMI服務器（包括Ethernet接口和交換機）冗余配置。所有控制站完成對各工藝系統的數據采集和初步處理，并執行生產過程的連續調節控制和邏輯順序控制。操作員站為用戶提供了友好的人機界面，可以對各工藝系統進行包括總貌顯示、分組顯示、操作顯示、調整顯示、趨勢顯示、報警顯示等多種方式顯示和記錄，并對運行設備的運行及維護信息進行管理等；通過鍵盤、鼠標，按畫面操作提示，對各工藝系統進行生產操作。打印機用于故障信息打印。冗余控制站：4臺（礦焦槽及爐頂、熱風爐、制粉及噴吹系統、煤氣除塵系統）非冗余控制站：9臺（供料系統、礦焦槽除塵系統、高爐本體、南爐前系統、北爐前系統、南水渣系統、北水渣系統、循環水處理系統、焦爐煤氣加壓站）
2.計算機管理控制級（二級）主要由3臺過程計算機服務器，2臺PC操作終端，打印機服務器及相應的網絡打印機，與通信接口等共同組成Client/Server體系結構。服務器主要用于高爐過程數據的收集、數據存儲、數據庫管理、模型計算、技術計算的運行、與計算機通信等。PC操作終端主要用于過程數據的監視、操作數據設定輸入、模型數據的設定輸入等。打印機主要用于生產報表打印。過程計算機通過基礎自動化網絡接口與基礎自動化級進行數據通信；通過以太網與其它生產部門進行數據通信，通信協議為TCP/IP。
分布式控制遠程連接方式
由于高爐控制系統需要監控的數據龐雜且分散在各控制室及室外，因此針對不同的現場設備，系統設計了多種現場總線的連接方式充分滿足對于數據通訊快速、穩定的需求。除常規的ET200系列 I/O外,為適應室外露天放置的操作箱的特殊需求，在本系統中特選用了西門子專為惡劣環境應用設計的高防護等級的分布式I/O系列—ET200pro。1.控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 I/O連接2. 控制主站通過PROFIBUS-DP與ET200 pro I/O連接
3. 控制主站通過PROFIBUS-DP與變頻驅動器及編碼器連接
4.通過PROFIBUS-DP/FF耦合器與流量計等智能儀表連接
新技術與亮點
全面采用現場總線技術
現場總線控制系統（FCS）為網絡集成式全分布控制系統，不同于傳統的PLC和DCS系統，它的特點是控制功能由過去的控制室設備變為智能型現場儀表來承擔，控制功能分散化、全數字化，可以組成大型的開放式控制系統，進而實現從最高決策到最低設備層的綜合管理和控制。
采用現場總線技術以后，由于分散在現場的智能設備能直接執行多種傳感、測量、控制、報警和計算功能，因而可大幅減少變送器的數量，不再需要傳統DCS系統的信號調理、轉換、隔離等功能單元及相應的復雜接線；同時還可明顯減少電纜橋架數量及安裝費用并縮短這部分的項目工期。據信總工程師統計，本項目所用的信號電纜、橋架及施工量與傳統控制系統相比至少節省60%。在如此短時間內完成線纜敷設、信號測試等工作在以前也是不可想象的；此外，基于現場總線的智能現場設備都具有自診斷的能力，可實時通過數字通信的方式把診斷信息發送給中控室，操作維護人員能夠方便地查詢設備運行狀態，使得維護與診斷也變得更加輕松，成本隨之大大降低。
FF/PROFIBUS-DP耦合器
由于現場部分電磁流量計是基于FF總線協議的，為將流量計信號納入SIMATIC PCS7，用戶選擇了FF/PROFIBUS-DP耦合器掛接至通訊網絡，通過簡單的組態實現了FF總線儀表的輕松集成，FF/PROFIBUS-DP耦合器為國內高爐控制系統的首次成功應用。
獨立設置一臺中央歸檔服務器（CAS）
在SIMATIC PCS7的7.0版本中,可通過一塊普通以太網卡將中央歸檔服務器(CAS)連接到以太網上。設置獨立的CAS的優勢在于集中并長期存放歸檔數據，歷史數據能從CAS容易的導出到MS Excel CSV文件中并進行進一步的處理和數據分析。對于高爐系統而言，爐壁溫度等數據往往需要保存5年以上，一般的數據存儲方案很難實現高效可靠的歸檔，而CAS完全可保證數據的完整性和長期歷史數據的訪問，使用戶維護起來感到極為便利。
完美表現
在總包商、系統集成商和用戶都積累了大量西門子控制系統在高爐應用的工程經驗后，此次項目的實施克服了經濟危機帶來的不利影響，幾方通力合作，進展異常順利。據畢主任介紹，從2009年5月份進入系統調試階段到2009年9月底全套控制系統已投入正常運轉。10月17日，韶鋼8號3200m3高爐順利煉出第一爐鐵水，成功投產。在SIMATIC PCS7 V7.0的強力保駕護航下，韶鋼8號高爐投產后僅僅3天即達到設計指標，日產生鐵6780噸。“這是PCS7完美表現的有力證明，創造了國內乃至世界大型高爐達產速度新紀錄，在場的來自寶鋼的專家都對這樣的驕人成績贊不絕口”，畢主任對于控制系統穩定運行的滿意之情溢于言表，“投入生產以來，無論產量、燃燒比還是綜合焦比，這座高爐達到的指標都已在國內范圍名列前茅，這與西門子提供的產品質量和技術保障都是密不可分的。”
未來，我們共同期待
對于鋼鐵企業而言，高爐生產系統是一個復雜而關鍵的生產流程，展望未來，我國的高爐更加趨于大型化、高效化、現代化、長壽化、清潔化，因此，鋼鐵企業都必須積極采用最先進的生產工藝、自動化技術和裝備。唯有如此才能不斷提高煉鐵水平，在競爭激烈的市場上占有一席之地。此次西門子SIMATIC PCS7 V7.0在韶鋼8號高爐的成功應用不僅給韶關鋼鐵集團有限公司帶來了可觀的經濟效益，進一步提高了企業的生產能力，同時也保障了其實現社會效益和環境效益雙豐收。作為目前國內綜合指標領先的高爐，韶鋼8號高爐已為多個正在籌建中的項目提供了配套控制系統的成功樣本。
“銀橋飛架錦江邊，綠水青山映碧天。玉峰瓊樓增異彩，丹霞自古醉詩仙。”與南粵名山丹霞山遙遙相望的韶鋼正在這醉人美景的環抱中，站在企業發展的新起點上邁開自信穩健的步伐，向著未來更高更遠的目標不斷前行。
