基于 PLC 技术的钢铁冶金电气自控运用探析

引言：钢铁冶金是工业体系核心支柱，其生产流程复杂且对连续性、稳定性要求极高。伴随市场对钢材品质要求提升与低碳生产需求增长，传统电气控制方式在应对多工况切换、参数动态调节等方面日渐吃力，制约行业发展。在此背景下，深入研究可编程逻辑控制器技术在钢铁冶金电气自控中的运用，能为解决生产中效率瓶颈、质量波动等问题提供新路径，对推动行业实现技术升级、保障生产稳定高效，进而增强行业竞争力具备重要现实意义。

1PLC 技术结构

PLC 技术结构包含硬件系统与软件系统，二者协同达成控制功能，兼具高可靠性与灵活性（如图1）。硬件系统涵盖中央处理单元、输入输出模块、电源模块、存储器模块及通信模块。中央处理单元为核心部件，采用 32 位或 64 位处理器，支持多任务并行处理，负责信号解析、程序执行及指令生成，在工业环境中拥有强电磁兼容能力。输入输出模块划分为数字量与模拟量两类，数字量模块完成开关量信号转换，实现设备启停等状态控制。存储器模块包含程序存储器与数据存储器，程序存储器采用 FlashROM 存储控制程序，数据存储器使用RAM 存储实时数据，关键数据可通过电池实现备份。通信模块支持 PROFINET、Modbus 等多种工业协议，达成与外部设备的数据交互，保障数据传输的实时性与可靠性。软件系统包含系统软件与用户软件。系统软件由厂商预先安装，完成程序编译、资源管理、故障诊断及数据处理功能，确保硬件资源高效调度与程序稳定运行[1]。

图 1 PLC 技术结构

2PLC 在钢铁冶金电气自控中的具体运用

2.1 炼铁环节应用

炼铁环节依托PLC 硬件系统与软件系统协同，实现高炉上料、热风炉、炉顶压力等关键流程的精准控制，破解传统控制配料偏差大、温度波动显著的问题。高炉上料系统控制时，中央处理单元采用32 位处理器，借由Modbus 通信协议（通信模块支持）与上位机完成2.5Mbps速率的数据交互，实时接收18 个料仓的矿种信息及4 个称量斗的重量信号。输入输出模块里，数字量模块完成振动筛、给料机等设备的启停控制；模拟量模块采集皮带秤的重量信号（4～20mA ），转换为数字量后传递至中央处理单元。软件系统以结构化文本编写称量补正算法，结合梯形图实现设备联锁逻辑；当称量值与设定值偏差超限，自动调节给料机转速，确保称量补偿误差小于 1% 。某钢铁厂 2#高炉应用该方案后，高炉利用系数显著提升，上料系统相关故障发生率下降 40% ，具体参数与效果如表 2-1 所示：

表1 高炉上料系统PLC 控制参数与应用效果

热风炉控制时，PLC 的模拟量模块采集拱顶温度（ 0～1500^∘C ）及煤气流量信号，中央处理单元运行功能块图编写的 PID_Compact 指令，实现 1200^∘C±20^∘C 的热风温度闭环控制。电源模块采用双电源热备份设计，保障电网波动时系统持续供电，避免温度失控。某钢铁厂1280m³ 高炉应用该方案后，热风温度波动范围控制在±15℃内，燃料消耗降低 5.2% 。炉顶压力控制上，模拟量模块采集压力信号 χ₀～1.2MPaχ, ），中央处理单元通过 CALC_X 指令计算调节量，控制减压阀组开度，使炉顶压力稳定在 90.5kPa ，波动幅度小于 ±0.3kPa ，稳定煤气流以促进高炉顺行[2]。

2.2 炼钢环节应用

炼钢环节里，PLC 凭借硬件模块的高抗干扰能力与软件的复杂算法，实现转炉供氧、电炉功率及钢水温度的精准调控，提升冶炼效率与钢水质量。转炉供氧控制需精准调节氧气流量与供氧强度，PLC 的模拟量模块采集氧气流量（ 0～5000m³/h ）及炉口烟气温度（ 0～2000^∘C ）信号，中央处理单元采用32 位处理器运行PID 控制算法，依据钢水重量与目标碳含量动态调整供氧强度 2.5～4.0m³/(min⋅t) ）。若烟气温度骤升超 1600^∘C 且CO 浓度下降，数字量模块触发喷溅预警，即刻降低 30% 氧气流量并增大底吹氮气流量。某转炉应用该系统后，供氧精度控制在 ±2% 内，钢水喷溅事故发生率下降 60% ，冶炼周期缩短 8‰ 。电炉功率调节依托PLC对电极升降机构的精准控制，模拟量模块采集电极电压（ 0～1000V. ）及电流（ ）信号，中央处理单元通过功能块图编写的位置 PID 算法，调节电极升降速度（ 0～50mm/s ），确保电弧稳定。软件系统存储不同冶炼阶段的功率曲线，熔化期功率设定为10000kVA，氧化期8000kVA，还原期6000kVA，实现自动切换。某电炉钢厂应用后，电极短路故障下降 50% ，电能消耗降低 12kWh/t 钢，具体能耗与故障数据如表2 所示：

表2 电炉PLC 功率调节能耗与故障数据

钢水温度控制时，PLC 的通信模块通过 Profinet 协议连接红外测温仪（测量范围 0～1800^∘C ），实时获取钢水温度数据。若温度低于目标值（ 1600～1650^∘C ），中央处理单元计算需延长的通电时间或增加的氧气量，通过数字量模块控制加热设备启停，确保温度偏差小于 ±10^∘C ，钢水温度合格率提升至 98% 以上。

2.3 轧钢环节应用

轧钢环节需保障多架轧机速度同步与钢材尺寸精度，PLC 凭借硬件的高速数据处理与软件的同步控制算法，实现轧钢过程的高效稳定运行。轧机速度同步控制为核心，PLC 采用主从式控制策略，以末架轧机速度为基准（ 10～20m/s⋅ ），中央处理单元通过高速计数模块采集各架轧机编码器脉冲信号（1024 脉冲/转），计算实际转速 (rpm ）。软件系统以结构化文本编写 Sync_PID 功能块，Kp 设定为 0.5～2.0、 Ki0.l～0.5 、 Kd0.05～0.2 ，动态调节从机速度，确保速度同步精度 。某 13 辊热轧厂应用后，同步甩钢故障消除，产品合格率提升 3 个百分点[3]。具体速度同步数据如表3 所示：

表3 轧机PLC 速度同步控制数据

钢材厚度控制时，PLC 的模拟量模块采集轧辊压力（ 0～5000kN ）及板厚检测信号（ 0～ 50mm ），中央处理单元运行PID 算法调节辊缝（ 0～20mm ），确保厚度公差从 .±0.1mm 降至±0.03mm. 。通信模块将厚度数据上传至SCADA 系统，实现实时监控与历史追溯。某带钢轧钢厂应用后，厚度超差率下降 80% ，高端产品成材率提高 8‰ 。此外，PLC 的故障诊断功能通过系统软件实时监测各模块状态；若通信模块出现数据丢包或 I/O 模块信号异常，即刻触发报警并显示故障位置，故障排查时间缩短 60% ，保障轧钢生产线连续运行。

结束语：总而言之，PLC 技术依托硬件系统稳定运行与软件系统灵活适配，其中硬件系统包含中央处理单元、输入输出模块等，软件系统涵盖多种编程语言、控制算法，在钢铁冶金电气自控中发挥核心作用。该技术在炼铁、炼钢、轧钢环节的应用，有效解决传统控制痛点，具体包括提升高炉上料精度、稳定炼钢参数、保障轧机同步运行，同时降低故障发生率与能耗。

参考文献

[1]张宇.冶金工业自动化中基于PLC 的生产过程优化与控制策略研究[J].冶金与材料,2024,44(1):40-42.

[2]刘中天.PLC 技术在钢铁冶金企业电气自动化控制中运用分析[J].智能城市应用,2024,7(4):73-75.

[3]尹玉,文豪.PLC 技术在钢铁企业电气自动化控制中的应用研究[J].冶金与材料,2024,44(2):64-66.