煉鋼廠回轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)解決方案

　　整個自動化控制系統(tǒng)的配置達(dá)到當(dāng)今國內(nèi)**水平，電氣、儀表、計(jì)算機(jī)(EIC)控制一體化，具有方便、快捷和友好的人機(jī)操作界面(HMI)，EIC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊一體化，具有高速、大容量和開放的技術(shù)性能。

　　1、 基礎(chǔ)自動化

　　轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)主要包括HMI操作站、PLC、儀表、變頻器和現(xiàn)場控制箱等。各個組成部分通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和DeviceNet網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的控制功能。

　　1、1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程站采用當(dāng)前**的現(xiàn)場總線產(chǎn)品(CRP系列模塊)，編程軟件使用施奈德 Concept2.6。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機(jī)MICE系列為核心構(gòu)成100M高速光纖環(huán)網(wǎng)，各控制PLC通過NOE以太網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和屏蔽5類雙絞線連接到工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上，各站遠(yuǎn)程操作箱，操作臺以及氧槍、傾動、投料變頻器則通過DeviceNet網(wǎng)連接到其主PLC站上，操作站采用西門子工業(yè)計(jì)算機(jī)配Win2000+SP3操作系統(tǒng)，HMI監(jiān)控軟件采用施耐德Monitor Pro 7.2，通過以太網(wǎng)卡、雙絞線與工業(yè)以太網(wǎng)相接。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

　　(1) 電氣、儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)EIC三電一體化。

　　(2) 電氣和儀表采用相同的控制設(shè)備，編程及控制統(tǒng)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(dān)控制功能;電氣和儀表采用相同的操作站，操作簡化且統(tǒng)一，有利于穩(wěn)定生產(chǎn)。

　　(3) 遠(yuǎn)程站

　　現(xiàn)場操作箱、操作臺等遠(yuǎn)程站采用工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品，極大地減少了設(shè)計(jì)工作量、電纜施工量等，各箱體通過DeviceNet網(wǎng)連接，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)方便性。

　　1、2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其特點(diǎn)

　　轉(zhuǎn)爐自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機(jī)MICE系列為核心構(gòu)成的100M高速光纖環(huán)網(wǎng)。

　　赫斯曼MICE系列交換機(jī)采用靈活的構(gòu)網(wǎng)方式，無論在控制柜或分散的現(xiàn)場操作箱內(nèi)都可以結(jié)合各種功能達(dá)到特殊的要求。它采用無風(fēng)扇散熱方式，可以冗余供電，支持HIPER—Ring，達(dá)到了很高的可靠運(yùn)行等級。模塊化結(jié)構(gòu)是MICE的突出特點(diǎn)之一，它有一個交換機(jī)和若干個通訊介質(zhì)模塊組成，交換機(jī)包含除了網(wǎng)絡(luò)接口以外的所有工業(yè)交換機(jī)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(shè)備，避免了資金浪費(fèi)，模塊化結(jié)構(gòu)也為用戶的投資提供了保障。另外MICE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供多種方法管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：a、通過V.24串行口連接進(jìn)入MICE提供的用戶界面;b、在網(wǎng)絡(luò)上的任意位置通過Web瀏覽器訪問MICE上提供的用戶友好界面;c、集中的使用SNMP管理軟件，如HiVision軟件，訪問MICE上的SNMP代理機(jī)構(gòu)。

　　1、3 控制方式及特點(diǎn)

　　轉(zhuǎn)爐PLC系統(tǒng)共有15套，按每轉(zhuǎn)爐、公用系統(tǒng)分開的原則設(shè)置，以**一座轉(zhuǎn)爐檢修或故障情況下不影響其他轉(zhuǎn)爐正常運(yùn)行。

　　單體設(shè)備的基本運(yùn)轉(zhuǎn)分為自動、手動兩種方式，操作場所分為**、現(xiàn)場兩種選擇。系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)分為計(jì)算機(jī)、自動、手動三種方式，操作場所固定于**。在“計(jì)算機(jī)”方式下PLC接受L2級計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時控制，包括氧氣流量、底吹氣體種類及流量、氧槍高度、副原料種類及重量;在“自動”方式下，PLC根據(jù)內(nèi)部保存的初設(shè)計(jì)劃模式自動進(jìn)行煉鋼;在“手動”方式下，PLC根據(jù)人工設(shè)定數(shù)據(jù)控制煉鋼生產(chǎn)。

　　根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，**控制室操作站CRT的數(shù)量每爐配置3臺。在正常操作時，3臺CRT分擔(dān)的監(jiān)控內(nèi)容有所區(qū)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(jiān)控內(nèi)容有頂?shù)讖?fù)吹、氧槍傾動、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(tǒng)上料操作室、風(fēng)機(jī)房操作室和二次除塵操作室分別設(shè)立操作站，監(jiān)視各自的設(shè)備。為安全起見，防止誤操作，各轉(zhuǎn)爐操作站設(shè)計(jì)成專用形式，即本爐操作站只能操作本爐設(shè)備，不能控制其他轉(zhuǎn)爐設(shè)備，但公用設(shè)備除副原料上料系統(tǒng)外在各爐均可操作。

　　設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)操作及監(jiān)視基本上通過主控室的操作站畫面完成，為了生產(chǎn)的安全性和方便性，設(shè)置了硬件操作臺，上面設(shè)有必要的操作開關(guān)、操作按鈕、數(shù)據(jù)顯示及關(guān)鍵設(shè)備的緊急停止按鈕等。

　　PLC軟件的開發(fā)采用了模塊化的方式，在編程前規(guī)劃好PLC的內(nèi)存和數(shù)據(jù)塊，劃分站間通訊數(shù)據(jù)區(qū)及HMI顯示數(shù)據(jù)區(qū);不同類型的程序采用不同的組織塊調(diào)用，吹煉時鐘、流量累加、PID調(diào)節(jié)采用定周期調(diào)用;根據(jù)工藝特點(diǎn)，采用多種編程邏輯、如對過程級數(shù)據(jù)處理采用語句表編程，對底吹控制采用順序功能圖編程等;對操作數(shù)據(jù)進(jìn)行安全處理，如對設(shè)定數(shù)據(jù)的合理性檢驗(yàn)、變化速率的約束等。

　　在控制功能上，實(shí)現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)”方式下的全程自動化煉鋼，該系統(tǒng)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(jù)“料倉組合設(shè)定表”中規(guī)定的優(yōu)先順序輸送，而不是根據(jù)料空的順序輸送，以滿足轉(zhuǎn)爐工藝的控制要求。

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

　　(3) 吹煉的狀態(tài)遷移控制。根據(jù)吹煉計(jì)劃表和現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)控制氧氣流量、底吹氣體種類和流量、氧槍槍位、副槍測量、副原料種類和投入量。

　　(4) 汽包水位的自動控制。根據(jù)吹煉時期對鍋爐汽包水位實(shí)行三沖量或單沖量調(diào)節(jié)。

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

　　(6) 副槍系統(tǒng)也采用交流傳動控制，配置緊急后備電源，數(shù)據(jù)處理采用DIRC-5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，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(jì)算。

　　2、電氣傳動控制

　　煉鋼系統(tǒng)是鋼鐵廠的中心環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降電氣傳動設(shè)備的控制有為重要，它與吹氧系統(tǒng)有著**直接的聯(lián)系，電氣設(shè)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(zhuǎn)爐傾動設(shè)備以及如何自動快速**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(zhuǎn)爐傾動裝置電氣傳動及控制方式

　　電氣傳動一般可采用公共支流母線和單獨(dú)一對一傳動兩種形式，而采用單獨(dú)一對一傳動形式從調(diào)速性和可靠性等方面均具有優(yōu)越性。濟(jì)鋼三煉鋼1、2、3#轉(zhuǎn)爐采用的是單獨(dú)一對一傳動控制方式，變頻器選用西門子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(yīng)用于需要高度**轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng);無編碼器的矢量控制在水泵、風(fēng)機(jī)的簡單應(yīng)用和U/f控制。

　　4臺轉(zhuǎn)爐傾動電機(jī)同軸剛性連接，如果4臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，縮短電機(jī)使用壽命。因此必須解決4臺電機(jī)負(fù)荷平衡問題。采用一對一傳動方式，可在傳動裝置上設(shè)置“主-從”方式，確定主傳動裝置，通過脈沖編碼器引入速度反饋信號，設(shè)置公用的調(diào)速調(diào)節(jié)器，將主傳動的電流調(diào)節(jié)器的輸入信號同時輸出到三臺從裝置的電流調(diào)節(jié)器中，由于電流調(diào)節(jié)器的輸入信號是相同的，其輸出也相同，故4臺電動機(jī)可**在等同的負(fù)荷下運(yùn)行，從而**了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的平穩(wěn)性和負(fù)荷均衡性。

　　4臺變頻器與主PLC之間通過DeviceNet網(wǎng)連接，每臺變頻器通過網(wǎng)絡(luò)接受控制指令和速度給定，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳送給主PLC;4臺變頻器通過SIMOLINK光纖網(wǎng)連接成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“一主三從”的控制思想，完成主/從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。

　　2、2氧槍的電氣傳動及其自動控制

　　2、2、1電氣傳動

　　每組轉(zhuǎn)爐設(shè)備有2套氧槍升降機(jī)構(gòu)(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)和一套制動控制柜，一套作為工作槍，另一套作為備用槍。變頻器選用SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。

　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是“對應(yīng)”控制方式，即A槍變頻器控制A槍電機(jī)，B槍變頻器控制B槍電機(jī)。1、2、3#轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)中，兩套氧槍裝置增加了“交換”控制方式，即：當(dāng)選擇開關(guān)置于“對應(yīng)”控制時，還是A槍變頻器控制A槍電機(jī)，B槍變頻器控制B槍電機(jī);而當(dāng)選擇開關(guān)置于“交換”控制時，在不進(jìn)行臺車交換情況下，就可完成A槍變頻器控制B槍電機(jī)，而B槍變頻器控制A槍電機(jī)。

　　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(jī)可以做到互為備用。其鮮明的特點(diǎn)有：機(jī)械故障時，在臺車不移動的情況下，可以通過電氣快速切換氧槍;電氣故障時，在不更換變頻器、臺車不移動的情況下，可以快速實(shí)現(xiàn)氧槍的正常控制。

　　另外,在氧槍制動控制上，**了氧槍電機(jī)的抱閘控制，實(shí)現(xiàn)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，使制動控制技術(shù)更加**，系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定及可靠。主要特點(diǎn)有：當(dāng)變頻器因故跳閘后，制動輸出自動實(shí)現(xiàn)抱閘，**了設(shè)備的安全;當(dāng)PLC故障時，無論變頻器工作在什么狀態(tài)，制動輸出都處于抱閘狀態(tài)，****設(shè)備不失控，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。正常生產(chǎn)過程中，因變頻器內(nèi)部或外部線路原因造成了變頻器不能正常工作和控制輸出，可通過PLC輸出完成電機(jī)的抱閘，**了系統(tǒng)、設(shè)備的安全、可靠與穩(wěn)定。

　　2、2、2氧槍的自動控制

　　氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的自動控制中，氧槍高度的正確與否是一個相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。采用**的吹氧自動控制槍位技術(shù)對氧槍的吹煉點(diǎn)進(jìn)行控制，可使氧槍準(zhǔn)確的停止在工藝操作要求的位置上，其定位的精度相當(dāng)高，從而更好的**了煉鋼過程計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動化。副槍作為另一種重要設(shè)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(yán)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，著重列舉其控制特點(diǎn)。

　　(1)位置控制

　　氧槍上下移動的距離通過與電動轉(zhuǎn)筒同軸旋轉(zhuǎn)的兩個**編碼器來計(jì)測，即把垂直的位置量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。正常生產(chǎn)中，以其中的一個為主，另一個**編碼器與之比較作為校準(zhǔn)信號，偏差超出設(shè)定范圍時發(fā)出報(bào)警，過大時急停。

　　氧槍在多次上下移動過程中會產(chǎn)生突發(fā)性數(shù)字無差級編碼器數(shù)值換算時的累積誤差，如不加以修正則會發(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(shè)置校正點(diǎn)。動作周期大體如下：預(yù)先將槍位的高度實(shí)際值存入主PLC內(nèi)存中;氧槍每次換槍提到換槍位時該信號讀入PLC中，使此時氧槍實(shí)際高度檢測記憶值強(qiáng)制性修改。

　　(2)自動快速定位控制

　　現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍在吹氧過程中是根據(jù)吹氧量的不同而自動調(diào)整槍位的。吹煉過程中氧槍調(diào)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(zhǔn)確停止在指定位置。

　　為了解決這一問題，控制時可采用位置閉環(huán)系統(tǒng)，將氧槍設(shè)定位置與實(shí)際位置的偏差值作為控制信號，并將其轉(zhuǎn)化為一個控制傳動裝置的速度指令。為縮短氧槍上升與下降時間，在設(shè)定值與實(shí)際偏差較大時，以較大速度運(yùn)行，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際偏差越來越小達(dá)到設(shè)定范圍時，控制速度給定按照預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線減小，**終使氧槍準(zhǔn)確停止在所要求的位置上。

　　3、結(jié)束語

　　通過對國外煉鋼廠自動化技術(shù)的消化移植，結(jié)合煉鋼廠當(dāng)前的具體情況及工藝要求，采用當(dāng)代**的技術(shù)設(shè)備而開發(fā)的1、2、3#轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)使煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的自動控制和生產(chǎn)管理水平躍上了一個新的臺階，滿足了今后生產(chǎn)和新技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)管理和信息管理的需要。