一、系統設計指導思想
煉鐵生產過程是在高爐內進行的一系列復雜的還原反應的過程，爐料（礦石、燃料和熔劑）從爐頂裝入，從鼓風機來的冷風經熱風爐加熱后，形成高溫熱風從高爐風口鼓入，隨著焦炭燃燒產生的熱煤氣流自下而往上運動，而爐料則由上而往下運動互相接觸進行熱交換，逐步還原，最后在爐子的下部還原成生鐵，同時形成爐渣。積聚在爐缸的鐵水和爐渣，分別由出鐵口和出渣口放出。
高爐自動化過程主要包含高爐本體控制、給料和配料控制、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。儀表控制系統和電氣控制系統通常由DCS或PLC完成。
高爐生產必須要求計算機控制系統能夠很好地保證生產過程的連續性和實時監控性，而且要求數據量最多，所有設備的自動化程度要高。計算機系統要求數據采集周期短，刷新速率快，特別對通訊網絡而言，數據傳輸速率、網絡穩定性和正確性尤為重要。
對檢測儀表而言，也即對溫度、壓力、差壓、流量、料位、重量的檢測，要求數據的采集精確度≤0.2%，采集速率≤0.8S。
高爐的自動化控制方案，首先應著眼于系統的可靠性、實用性和先進性，并在此基礎上提高系統的性價比。
1．可靠性
高爐在鋼鐵廠生產中處于十分重要的位置，它不僅要及時穩定的給煉鋼工序提供合格的鐵水，還同時為軋鋼加熱爐提供煤氣。高爐生產的短時間中斷都會給整個生產流程帶來不可估量的損失。
因此，必須把系統的可靠性也即安全性放在高爐控制系統設計的第一位。在設備控制方面，要滿足煉鐵設備及工藝的特定要求，完善必要的軟硬件連鎖，實現最可靠的開停車順序控制，以及可靠的處理突發性事件的應急處理方案，確保整個高爐生產系統的安全性。
為保證這些設備安全可靠運行，除了系統硬件之外，還必須在軟件編程上增加多種保護功能，以進一步提高系統的安全性和可靠性。
2．實用性
為適應中型規模鋼鐵廠在生產管理的技術基本點面上要求循序漸進、逐步提高的多數情況，對高爐生產的過程控制，設有手動和自動兩種操作狀態，兩種操作狀態之間，可實現無擾動切換。
由工業微型計算機和PLC系統、計算機網絡、控制軟件組成在線計算機應用系統，下位機通過各檢測儀表，采集高爐上料、配料運行數據、爐體溫度、風溫、風壓，除塵系統等工藝參數。
在手動操作模式下，上述工藝參數經過上位機計算機處理，使之成為清晰而精確的“軟件儀表”，將過去人工來不及分析的、各種缺乏相關性的信息都能充分地利用起來，揭示出它們之間的內在聯系，從而對判斷高爐生產過程和指導操作起到了更多的作用。
在自動操作模式下，我們在常規PID調節的基礎之上，增加了非線性變參數調節，自適應調節和智能控制等環節。
經過計算機綜合分析和建立數學模型，作為人工操作或自動調節的依據，并充分利用計算機儲存信息量大的優點，為高爐的操作提供更準確、更合理的控制策略。
3．先進性
采用智能控制技術，以改變控制策略去適應對象的復雜性和不確定性。具有更好的適應性、容錯性、魯棒性、自組織功能，具有自學習能力、更強的實時性和人機協同功能。不僅依靠單純的數學模型，而是能夠根據知識和經驗的積累，進行在線推理，做出非線性和多因素的判斷，從而優選出能隨動實時變化的最佳控制策略。
通過記錄、分析高爐的歷史生產數據，采用“優選圖法”，指導操作人員，使之確定的每一步動作更加精確和科學。在這種狀況較之傳統人工操作模式下，高爐各操作參數的離散程度將明顯縮小，向著最佳區間，甚至最佳點靠攏的趨勢將非常明顯。
在系統更進一步優化后，可實現多種“趨勢分析”，計算機能夠做出趨勢預報，及時為操作者提供更多的手段，相當于真正做到了類似于傳統操作模式下，工藝管理上經常會提出“早調、勤調、少調”的要求。高爐生產過程在應用本系統后將更加趨向穩定。
二、控制系統實施方案
系統硬件
本系統PLC硬件全部選用施耐德公司的Modicon TSX Quantum 140系列產品，網絡連接使用Modbus TCP/IP Ethernet，數據傳輸速率高達100MBPS，采用信息行業事實標準TCP/IP，應用層使用Modbus協議，幾乎不會發生數據傳輸沖突，交換式以太網技術的使用更避免了沖突發生的可能。網絡配置包括PLC端和PC機端兩個部分。
系統中的每套PLC系統通過插在主底板上的140NOE77100 TCP/IP Ethernet模塊連接在100M快速以太網上，位置比較集中的可以采用雙絞線連接。上位監控機采用雙絞線連接快速以太網。每臺上位監控機內各插入1塊3C905C 100M以太網卡。
通過Quantum 140NOE77100模塊可以定義I/O數據表，使用Internet Explorer查看以太網狀態信息和現場I/O數據，也可通過其它的內嵌功能，基于Web的BOOTP服務器配置，SNMP協議支持等，使網絡建立、調試、管理都變得簡單。
組態軟件
軟件系統設計包括PLC組態及參數配置、系統監控程序設計、網絡通信配置、操作員站及工程師站人機界面設計四個部分。
PLC組態及參數配置、下位機監控系統的編程均在Concept XL V2.6環境下完成，它易于使用，功能豐富，具有5種符合IEC1131-3標準的編程模式。特別是軟件仿真測試功能最受用戶歡迎，大大縮短了在線調試時間。高爐及熱風爐根據控制流程不同，可以采用LD、FBD兩種編程方式。程序功能包括系統初始化、參數量程變換、參數監視及異常處理、各種連鎖及控制。
本系統涉及工藝參數較多，有壓力、溫度、差壓、流量、質量、料位、閥位、液位等等。高爐本體及熱風爐控制工藝復雜，設計和配備必要的調節回路。靈活的Concept編程軟件為實現各種控制工藝提供了豐富的功能，可以根據生產實際編寫出各種需求的功能。
上位監控工作站由8臺Advantech工業控制計算機完成整個系統的過程數據采集、運行狀態監視、系統設備控制，生產報表的生成和打印、數據備份等工作。上位機監控軟件中人機界面的設計采用GE Fanuc iFIX 4.0軟件，可實現實時、歷史趨勢，數據報表，數據采集，報警記錄，動態顯示等豐富功能。工業現場數據采集實時性好，可以完成監控畫面設計、過程數據庫建立以及監控軟件各功能塊的編制等項的功能。其著重點是確保系統可靠，以及如何方便于操作。
系統總圖
高爐自動化控制系統硬件和網絡配置總圖詳見圖1。
圖中：整個PLC系統包括5個CPU主機站、6個PLC I/O站和Profibus-DP現場總線。CRT1～CRT4為爐頂及卷揚操作站、高爐本體操作站、上料操作站、熱風爐操作站，CRT5為工程師站，CRT6為布袋除塵操作站、CRT7為出鐵場、原料場除塵系統操作站。
其中網絡連接：24端口以太網交換機設置在高爐主控室內，2臺8端口以太網交換機分別設置在布袋除塵和礦槽控制室內。高爐主控室至布袋除塵、高爐主控室至礦槽控制室之間，通過光纖連接。采用帶光纜接口的交換機，或使用光電轉換器，用光纖連接以太網。
主要功能描述
本系統將是一個集順序控制、過程控制、數據采集、工況監視、數據管理為一體的計算機控制管理系統。主要功能如下：
• 對電動機、閥門等以及成套機電設備的開關量控制，包括分組連鎖起動、分組連鎖關機、組內自動連鎖控制、組內單步連鎖控制、系統單步調試。
• 過程控制數據的采集和處理（包括開關量和模擬量）。
• 完善的報警功能。開關量和模擬量報警的顯示、確認、記錄和打印。報警發生的開始時間、確認時間和恢復時間均能自動記錄。
• 動態顯示工藝流程圖畫面，各畫面之間可以自由切換。
• 歷史曲線圖、實時曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示和打印。
