煉鋼廠(chǎng)回轉爐自動(dòng)化控制系統解決方案

　　整個(gè)自動(dòng)化控制系統的配置達到當今國內**水平，電氣、儀表、計算機(EIC)控制一體化，具有方便、快捷和友好的人機操作界面(HMI)，EIC網(wǎng)絡(luò )數據通訊一體化，具有高速、大容量和開(kāi)放的技術(shù)性能。

　　1、 基礎自動(dòng)化

　　轉爐基礎自動(dòng)化系統是實(shí)現轉爐系統控制的基礎，該系統主要包括HMI操作站、PLC、儀表、變頻器和現場(chǎng)控制箱等。各個(gè)組成部分通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和DeviceNet網(wǎng)連接，實(shí)現對轉爐系統的控制功能。

　　1、1 控制系統結構及其特點(diǎn)

　　控制站選用施奈德Quantum PLC系列，CPU選用140CPU系列中高性能的53414CPU，遠程站采用當前**的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品(CRP系列模塊)，編程軟件使用施奈德 Concept2.6。數據通訊網(wǎng)絡(luò )以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機MICE系列為核心構成100M高速光纖環(huán)網(wǎng)，各控制PLC通過(guò)NOE以太網(wǎng)絡(luò )通訊模塊和屏蔽5類(lèi)雙絞線(xiàn)連接到工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上，各站遠程操作箱，操作臺以及氧槍、傾動(dòng)、投料變頻器則通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接到其主PLC站上，操作站采用西門(mén)子工業(yè)計算機配Win2000+SP3操作系統，HMI監控軟件采用施耐德Monitor Pro 7.2，通過(guò)以太網(wǎng)卡、雙絞線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)相接。系統具有以下特點(diǎn)：

　　(1) 電氣、儀表和計算機系統采用網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現EIC三電一體化。

　　(2) 電氣和儀表采用相同的控制設備，編程及控制統一，且在同一網(wǎng)絡(luò )上，通訊方便，減少了通訊硬件接口，合理分擔控制功能;電氣和儀表采用相同的操作站，操作簡(jiǎn)化且統一，有利于穩定生產(chǎn)。

　　(3) 遠程站

　　現場(chǎng)操作箱、操作臺等遠程站采用工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，極大地減少了設計工作量、電纜施工量等，各箱體通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接，提高了系統的可靠性和維護方便性。

　　1、2 網(wǎng)絡(luò )系統及其特點(diǎn)

　　轉爐自動(dòng)化系統中的數據通訊網(wǎng)絡(luò )是以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機MICE系列為核心構成的100M高速光纖環(huán)網(wǎng)。

　　赫斯曼MICE系列交換機采用靈活的構網(wǎng)方式，無(wú)論在控制柜或分散的現場(chǎng)操作箱內都可以結合各種功能達到特殊的要求。它采用無(wú)風(fēng)扇散熱方式，可以冗余供電，支持HIPER—Ring，達到了很高的可靠運行等級。模塊化結構是MICE的突出特點(diǎn)之一，它有一個(gè)交換機和若干個(gè)通訊介質(zhì)模塊組成，交換機包含除了網(wǎng)絡(luò )接口以外的所有工業(yè)交換機的功能，而介質(zhì)通訊模塊提供了網(wǎng)絡(luò )的接口功能。這一切可使你按照要求選用設備，避免了資金浪費，模塊化結構也為用戶(hù)的投資提供了保障。另外MICE網(wǎng)絡(luò )交換機提供多種方法管理網(wǎng)絡(luò )系統：a、通過(guò)V.24串行口連接進(jìn)入MICE提供的用戶(hù)界面;b、在網(wǎng)絡(luò )上的任意位置通過(guò)Web瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)MICE上提供的用戶(hù)友好界面;c、集中的使用SNMP管理軟件，如HiVision軟件，訪(fǎng)問(wèn)MICE上的SNMP代理機構。

　　1、3 控制方式及特點(diǎn)

　　轉爐PLC系統共有15套，按每轉爐、公用系統分開(kāi)的原則設置，以**一座轉爐檢修或故障情況下不影響其他轉爐正常運行。

　　單體設備的基本運轉分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式，操作場(chǎng)所分為**、現場(chǎng)兩種選擇。系統的運轉分為計算機、自動(dòng)、手動(dòng)三種方式，操作場(chǎng)所固定于**。在“計算機”方式下PLC接受L2級計算機模型數據并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括氧氣流量、底吹氣體種類(lèi)及流量、氧槍高度、副原料種類(lèi)及重量;在“自動(dòng)”方式下，PLC根據內部保存的初設計劃模式自動(dòng)進(jìn)行煉鋼;在“手動(dòng)”方式下，PLC根據人工設定數據控制煉鋼生產(chǎn)。

　　根據轉爐煉鋼的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，**控制室操作站CRT的數量每爐配置3臺。在正常操作時(shí)，3臺CRT分擔的監控內容有所區別，但在異常情況下可以互為備用，甚至用一臺CRT也可以完成吹煉作業(yè)。主要監控內容有頂底復吹、氧槍傾動(dòng)、副原料和鐵合金投料、氣化冷卻煙氣凈化、一次除塵、二次除塵等。在系統上料操作室、風(fēng)機房操作室和二次除塵操作室分別設立操作站，監視各自的設備。為安全起見(jiàn)，防止誤操作，各轉爐操作站設計成專(zhuān)用形式，即本爐操作站只能操作本爐設備，不能控制其他轉爐設備，但公用設備除副原料上料系統外在各爐均可操作。

　　設備的運轉操作及監視基本上通過(guò)主控室的操作站畫(huà)面完成，為了生產(chǎn)的安全性和方便性，設置了硬件操作臺，上面設有必要的操作開(kāi)關(guān)、操作按鈕、數據顯示及關(guān)鍵設備的緊急停止按鈕等。

　　PLC軟件的開(kāi)發(fā)采用了模塊化的方式，在編程前規劃好PLC的內存和數據塊，劃分站間通訊數據區及HMI顯示數據區;不同類(lèi)型的程序采用不同的組織塊調用，吹煉時(shí)鐘、流量累加、PID調節采用定周期調用;根據工藝特點(diǎn)，采用多種編程邏輯、如對過(guò)程級數據處理采用語(yǔ)句表編程，對底吹控制采用順序功能圖編程等;對操作數據進(jìn)行安全處理，如對設定數據的合理性檢驗、變化速率的約束等。

　　在控制功能上，實(shí)現了“計算機”方式下的全程自動(dòng)化煉鋼，該系統具有以下主要功能和特點(diǎn)：

　　(1) 副原料、鐵合金上料的優(yōu)先順位控制。根據“料倉組合設定表”中規定的優(yōu)先順序輸送，而不是根據料空的順序輸送，以滿(mǎn)足轉爐工藝的控制要求。

　　(2) 爐頂料倉的在庫量管理。根據爐頂料位計、料位開(kāi)關(guān)和上料皮帶秤信號計算爐頂料倉的在庫量，并對落差量進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

　　(3) 吹煉的狀態(tài)遷移控制。根據吹煉計劃表和現場(chǎng)設備狀態(tài)控制氧氣流量、底吹氣體種類(lèi)和流量、氧槍槍位、副槍測量、副原料種類(lèi)和投入量。

　　(4) 汽包水位的自動(dòng)控制。根據吹煉時(shí)期對鍋爐汽包水位實(shí)行三沖量或單沖量調節。

　　(5) 氧槍和傾動(dòng)系統采用交流傳動(dòng)控制，配置緊急后備電源。在緊急情況下，**設備的安全性。

　　(6) 副槍系統也采用交流傳動(dòng)控制，配置緊急后備電源，數據處理采用DIRC-5計算機系統，具有測量、定碳、定氧，可使用TSO定氧探頭進(jìn)行液面的測量計算。

　　2、電氣傳動(dòng)控制

　　煉鋼系統是鋼鐵廠(chǎng)的中心環(huán)節，轉爐傾動(dòng)、氧槍升降電氣傳動(dòng)設備的控制有為重要，它與吹氧系統有著(zhù)**直接的聯(lián)系，電氣設備的控制速度與定位精度直接影響到冶煉周期和吹氧效率，因此如何控制轉爐傾動(dòng)設備以及如何自動(dòng)快速**地進(jìn)行氧槍、副槍位置控制成為提高鋼產(chǎn)量及質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　2、1轉爐傾動(dòng)裝置電氣傳動(dòng)及控制方式

　　電氣傳動(dòng)一般可采用公共支流母線(xiàn)和單獨一對一傳動(dòng)兩種形式，而采用單獨一對一傳動(dòng)形式從調速性和可靠性等方面均具有優(yōu)越性。濟鋼三煉鋼1、2、3#轉爐采用的是單獨一對一傳動(dòng)控制方式，變頻器選用西門(mén)子SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。該裝置的控制功能有：帶編碼器的矢量控制應用于需要高度**轉矩和動(dòng)態(tài)響應;無(wú)編碼器的矢量控制在水泵、風(fēng)機的簡(jiǎn)單應用和U/f控制。

　　4臺轉爐傾動(dòng)電機同軸剛性連接，如果4臺電機的輸出轉矩不平衡，縮短電機使用壽命。因此必須解決4臺電機負荷平衡問(wèn)題。采用一對一傳動(dòng)方式，可在傳動(dòng)裝置上設置“主-從”方式，確定主傳動(dòng)裝置，通過(guò)脈沖編碼器引入速度反饋信號，設置公用的調速調節器，將主傳動(dòng)的電流調節器的輸入信號同時(shí)輸出到三臺從裝置的電流調節器中，由于電流調節器的輸入信號是相同的，其輸出也相同，故4臺電動(dòng)機可**在等同的負荷下運行，從而**了運轉設備的平穩性和負荷均衡性。

　　4臺變頻器與主PLC之間通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接，每臺變頻器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接受控制指令和速度給定，并將設備的運行狀態(tài)傳送給主PLC;4臺變頻器通過(guò)SIMOLINK光纖網(wǎng)連接成一個(gè)環(huán)形結構，實(shí)現“一主三從”的控制思想，完成主/從設備之間的數據通訊。

　　2、2氧槍的電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)控制

　　2、2、1電氣傳動(dòng)

　　每組轉爐設備有2套氧槍升降機構(A槍和B槍)，配備2套變頻控制柜(A槍控制柜和B槍控制柜)和一套制動(dòng)控制柜，一套作為工作槍?zhuān)硪惶鬃鳛閭溆脴?。變頻器選用SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。

　　傳統的設計是“對應”控制方式，即A槍變頻器控制A槍電機，B槍變頻器控制B槍電機。1、2、3#轉爐自動(dòng)控制系統中，兩套氧槍裝置增加了“交換”控制方式，即：當選擇開(kāi)關(guān)置于“對應”控制時(shí)，還是A槍變頻器控制A槍電機，B槍變頻器控制B槍電機;而當選擇開(kāi)關(guān)置于“交換”控制時(shí)，在不進(jìn)行臺車(chē)交換情況下，就可完成A槍變頻器控制B槍電機，而B(niǎo)槍變頻器控制A槍電機。

　　氧槍“交換”控制技術(shù)是一種全新的控制技術(shù)。正常生產(chǎn)中，兩只氧槍的變頻器、升降電機可以做到互為備用。其鮮明的特點(diǎn)有：機械故障時(shí)，在臺車(chē)不移動(dòng)的情況下，可以通過(guò)電氣快速切換氧槍;電氣故障時(shí)，在不更換變頻器、臺車(chē)不移動(dòng)的情況下，可以快速實(shí)現氧槍的正?？刂?。

　　另外,在氧槍制動(dòng)控制上，**了氧槍電機的抱閘控制，實(shí)現了變頻器合/分閘、PLC程序輸出、變頻器本身輸出三點(diǎn)連鎖控制抱閘，使制動(dòng)控制技術(shù)更加**，系統更加安全、穩定及可靠。主要特點(diǎn)有：當變頻器因故跳閘后，制動(dòng)輸出自動(dòng)實(shí)現抱閘，**了設備的安全;當PLC故障時(shí)，無(wú)論變頻器工作在什么狀態(tài)，制動(dòng)輸出都處于抱閘狀態(tài)，****設備不失控，提高了控制系統的可靠性和安全性。正常生產(chǎn)過(guò)程中，因變頻器內部或外部線(xiàn)路原因造成了變頻器不能正常工作和控制輸出，可通過(guò)PLC輸出完成電機的抱閘，**了系統、設備的安全、可靠與穩定。

　　2、2、2氧槍的自動(dòng)控制

　　氧氣頂吹轉爐的自動(dòng)控制中，氧槍高度的正確與否是一個(gè)相當重要的環(huán)節。采用**的吹氧自動(dòng)控制槍位技術(shù)對氧槍的吹煉點(diǎn)進(jìn)行控制，可使氧槍準確的停止在工藝操作要求的位置上，其定位的精度相當高，從而更好的**了煉鋼過(guò)程計算機控制，實(shí)現了自動(dòng)化。副槍作為另一種重要設備，在氧槍下槍吹煉前測量液面高度，在吹煉周期中測溫取樣，其同樣對速度、位置控制有嚴格的要求。他們的高度位置控制基本是相同的，下面以氧槍為例，著(zhù)重列舉其控制特點(diǎn)。

　　(1)位置控制

　　氧槍上下移動(dòng)的距離通過(guò)與電動(dòng)轉筒同軸旋轉的兩個(gè)**編碼器來(lái)計測，即把垂直的位置量轉化為數字量。正常生產(chǎn)中，以其中的一個(gè)為主，另一個(gè)**編碼器與之比較作為校準信號，偏差超出設定范圍時(shí)發(fā)出報警，過(guò)大時(shí)急停。

　　氧槍在多次上下移動(dòng)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生突發(fā)性數字無(wú)差級編碼器數值換算時(shí)的累積誤差，如不加以修正則會(huì )發(fā)生氧槍檢測位置與實(shí)際位置的偏差。為解決這一難題，可在氧槍的換槍位設置校正點(diǎn)。動(dòng)作周期大體如下：預先將槍位的高度實(shí)際值存入主PLC內存中;氧槍每次換槍提到換槍位時(shí)該信號讀入PLC中，使此時(shí)氧槍實(shí)際高度檢測記憶值強制性修改。

　　(2)自動(dòng)快速定位控制

　　現代化的轉爐煉鋼氧槍在吹氧過(guò)程中是根據吹氧量的不同而自動(dòng)調整槍位的。吹煉過(guò)程中氧槍調整槍位的速度將直接影響到冶煉周期和鋼的質(zhì)量，因此希望氧槍能以**快的速度準確停止在指定位置。

　　為了解決這一問(wèn)題，控制時(shí)可采用位置閉環(huán)系統，將氧槍設定位置與實(shí)際位置的偏差值作為控制信號，并將其轉化為一個(gè)控制傳動(dòng)裝置的速度指令。為縮短氧槍上升與下降時(shí)間，在設定值與實(shí)際偏差較大時(shí)，以較大速度運行，當設定值與實(shí)際偏差越來(lái)越小達到設定范圍時(shí)，控制速度給定按照預先設定的函數曲線(xiàn)減小，**終使氧槍準確停止在所要求的位置上。

　　3、結束語(yǔ)

　　通過(guò)對國外煉鋼廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)的消化移植，結合煉鋼廠(chǎng)當前的具體情況及工藝要求，采用當代**的技術(shù)設備而開(kāi)發(fā)的1、2、3#轉爐自動(dòng)控制系統使煉鋼廠(chǎng)轉爐的自動(dòng)控制和生產(chǎn)管理水平躍上了一個(gè)新的臺階，滿(mǎn)足了今后生產(chǎn)和新技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)管理和信息管理的需要。