基于PLC的精煉爐自動控制系統研究

　　1 引言

　　21世紀鋼鐵企業迅猛發展，企業競爭壓力隨之增大，低端的產品已不具有市場競爭力，這就要求我們開發出具有競爭力的高端產品。德國是世界上最早采用RH精煉技術的國家，早在50年代末期此項技術就已出現,其中RH為當時德國采用RH精煉技術的兩個生產廠家的第一個字母的縮寫。至今,全世界已有100余臺RH精煉爐。RH精煉技術在美國、日本、西歐得到普遍推廣,煉鋼生產線對生產的成本控制以及生產節奏要求越來越高，軋鋼生產線對鋼水的質量要求不斷提高，對鋼水的溫度控制以及碳含量也提出了新的要求。RH(RuhrstahlHeraeus)系統設備是一種用于生產優質鋼的鋼水二次精煉工藝裝備，廣泛用于鋼水的脫碳、脫氧、脫氣、升溫、成分調整及超低碳鋼冶煉等方面。傳過程控制技術發展到今天,在控制方式上經歷了人工控制和自動控制兩個發展時期。在自動控制時期，過程控制系統經歷了三個發展階段,它們分別是：分散控制階段,集中控制階段和集散控制階段[13]。RH真空處理自動控制系統從上世紀的六、七十年代的繼電邏輯控制系統、電動單元組合儀表系統發展到了目前PLC網絡控制系統。RH鋼水真空處理采用二級計算機控制系統。基礎自動化包含電控和儀控，是電儀合一的PLC控制系統;二級自動化采用奔騰PC機，編制數學模型實現過程控制。隨著工業自動化技術的不斷發展，企業內部信息網、客戶/服務器模式、現場總線技術的出現，對RH真空處理自動化和計算機的結構也產生影響。現在RH真空處理自動控制系統采用PLC制系統，在現場控制級采用現場總線技術，在基礎自動化級和過程控制管理級采用計算機網絡技術，在傳動系統方面，全數字化的可控硅整流裝置和全數字化的交流逆變裝置已經徹底替代了原來的模擬控制的交/直流供電裝置。在現場檢測儀表方面,具有現場總線通訊能力的智能儀表已經徹底替代了原來的模擬檢測儀表。

　　2 RH真空處理基本工藝

　　　　RH系統設備是一種用于生產優質鋼的鋼水二次精煉工藝裝備，整個鋼水冶金反應是在砌有耐火襯的真空槽內進行的。真空槽內部砌有耐火磚襯，以確保真空槽不會被高溫鋼水燒穿。真空槽的下部帶有兩個浸漬管，用來插到鋼水里，浸漬管內壁砌有耐火磚，熱彎管安裝在真空槽的上部。被抽走的氣體通過真空槽上部的熱彎管經過氣冷器排放到大氣中。

　　在鋼水進行處理之前，浸漬管首先要浸入即將進行處理的鋼水包中。隨著真空泵不斷抽走真空槽內的氣體，鋼水表面的大氣壓不斷減小，真空槽內外的氣壓差迫使鋼水由浸漬管流向真空槽。真空槽下部的兩個浸漬管，分別為上升管和下降管。鋼水處理期間真空環流系統不斷向上升管中吹入氬氣，相對于下降管產生了一個較高的靜壓差，這個差迫使鋼水從上升管進入真空槽而后在自身重力的作用下從下降管流出，如此使鋼水不斷循環流動。而在真空泵的作用下真空槽鋼水中的氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體不斷被抽走，使真空槽內始終保持抽真空的狀態。同時，真空槽內的鋼水在循環流動時還進行著一系列的化學反應，比如脫氫反應脫氧反應加熱反應等。通常，為了達到滿足某鋼種的要求、使鋼水成分得到精確控制的目的，RH在循環脫氣過程中還加入了合金處理過程。

　　3 控制系統的理論分析

　　在RH真空處理過程中，冶金反應主要基于熱力學和動力學的理論。真空冶金時，真空對脫氣、碳脫氧、脫碳等反應產生教為明顯的影響。

　　3.1 鋼液循環原理

RH的主體設備是一個圓柱體型狀的真空室，高度可達7~10m，底部有兩根耐火材料做成的管子，其中一根稱為上升管，另一根稱為下降管，都稱插入管，處理時插入到鋼水中。當真空室抽成真空狀態后，鋼水在大氣壓作用下，升高約1.4m，通過插入管進入真空室。由于在上升管通入氬氣，氬氣進入鋼水后受熱膨脹，推動液面上漲，使真空室內上升管一側的鋼水液面顯著高于下降管一側，鋼水向下降管一側流動，經過下降管回流到鋼包，由此產生鋼水的循環流動，鋼包中鋼水就這樣在真空室反復循環。循環的次數(循環因數C)由以下公式決定：

———循環流量

———處理容量

　　t———脫氣時間

循環流量由以下公式決定：

---------上升管的直徑

----------下降管的直徑

　　G-----------驅動氣體的流量

　　H-----------插入管的長度

　　3.2 代控制方法

　　可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。它實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同

　　4 架構設計

　　RH控制系統采用兩級控制系統組成，分別為一級基礎自動化系統和二級過程計算機控制系統，兩級系統分別承擔不同的功能：

　　一、基礎自動化系統(L1級)：管理整個RH生產過程，由PLC(包括分布各操作臺的遠程I/O)、OMS(人機接口)、工程師站、編程站及工業以太網絡組成。采集現場信號，完成電氣設備的邏輯順序控制、過程回路控制、設備運轉操作、設備監視和報警等基本功能。

　　二、過程計算機控制系統(L2級)：是以L1系統為基礎的相對獨立的系統。對整個RH系統生產過程進行管理和過程優化，并為煉鋼廠更高級的管理信息系統及攀鋼ERP系統的建立留接口。控制系統結構參見下圖：

　　圖3 控制系統結構

　　RH系統的控制分為兩部分，基礎自動化控制(L1)和過程計算機控制(L2)。一級控制主要負責基礎自動化的一些控制，包括現場執行元件的控制，參數檢測的反饋以及電機的交流傳動控制等,主要采用西門子工業控制計算機系統和西門子PLC系統實現;二級控制負責一些數據模型的建立，模型動態控制，生產計劃編制和流程跟蹤，報表系統等,主要采用工業以太網實現。

　　所有電氣和儀表設備安裝在單獨控制柜里，信號連接到過程控制單元的I/O模塊。通過安裝在PLC繼電器輸出端或輔助繼電器控制所有電磁閥和電機控制。要求的I/O數量是由驅動、儀表和其他用電數量所確定。因此由程序結構確定I/O數量，并考慮所有要求的驅動和控制功能包括20%的備用能力。為了內存要提供30%的備用能力。每機架至少預留一個空槽。除了順序控制和聯鎖外，所有重要任務如監視、管理、過程值控制將在基礎自動化系統(1級)CPU里實現。

　　RH基礎級控制系統主要用來對煉鋼過程進行實時的監測與控制。實現了采集現場信號、進行數據處理、邏輯判斷以及現場設備控制的功能。PLC中的控制軟件是采用西門子提供的Step7V5.4編程工具實現的。畫面監控軟件采用WinCC6.2，為實現對監視和控制生產過程以及對生產數據進行歸檔和進一步處理提供了良好的HMI。

　　4.1 環流氣體流量調節的PID控制

　　環流氣體流量PID調節的難點在于如何使得操作人員設定的環流氣體總的流量,通過PID程序控制分布到4個支管上各自的調節閥進行流量調節，同時將輸出結果反饋給調節閥進行控制。經過仔細研究，在實際生產過程中我們采用了PID串級調節的方法。PID調節主要包括3個主要參數:設定值SV、反饋值PV和輸出值MV,把SV與PV進行比較得到MV的值。把操作人員設定的環流氣體總的流量除以4后,平均分配到4個支路上的PID控制器的SV值。4個支路上采集到的流量計的過程值作為PV值,各自PID調節的輸出結果為MV值控制各自的調節閥。但是在實際的生產過程中我們發現，偶爾出現個別管路堵塞的情況時，真空槽環流氣體的總量與設定值差別很大，環流效果非常差。在控制上做了一些改進，主控制器為我們虛設的一個控制器,它不直接對現場設備進行控制，操作人員設定的環流氣體總的流量為主控制器的SV值,把4個支路上采集的流量變送器的氣體流量之和為主控制器的PV值,這樣這兩個值進行比較得出主管路上的MV值。把這個MV值除以4后作為4個分支路上PID控制器的SV值，與本分支路上的流量變送器反饋值做比較進行PID調節控制本分支路上的流量調節閥。

　　5 系統測試及應用

　　L1子系統有2套西門子PLC控制站，2臺HMI服務器，2套三電可共用的客戶機，服務器及客戶機安裝WinCC監控軟件，用于現場設備的控制及狀態監控等。1套L1軟件開發和系統維護用的工程師站，工程師站安裝Step7編程軟件，2臺L1用報警報表和編程維護打印機，控制站的主站與分站之間通過PROFIBUS網絡通訊，控制站與服務器之間和服務器與客戶機之間通過以太網通訊。

　　(1)系統軟件測試

　　由于服務器、客戶機及工程師站均采用WindowsXP操作系統，且服務器和客戶機安裝有WinCC監控軟件，工程師站安裝有Step7編程軟件，所以安裝完上述軟件后，分別進入WindowsXP和WinCC、Step7進行各項操作實驗，檢查系統軟件運行是否正常。

　　(2)通訊功能測試，通過下裝PLC控制程序和觀察監控畫面設備動作及狀態變化情況判斷上位機與PLC之間的通訊是否正常，通過畫面操作判斷工程師站與上位機之間的通訊是否正常，通過CPU、電源、通訊模板及I/O模板上的指示燈判斷主站與分站之間的通訊是否正常。

　　(3)數字量輸出信號測試

　　利用Step7軟件提供的強制功能，強制各輸出點，觀察模板上對應點的指示燈是否亮，如果通過繼電器控制現場設備，觀察繼電器是否吸合，還要與現場人員聯系，確認設備動作是否正常，這樣既可測試出數字量輸出摸板上各輸出點輸出是否正常，還能檢查出現場設備接線是否正常。

　　6 結論

　　本文對新建的RH真空處理的三電自動控制系統的的控制要求、控制理論、控制水平、控制系統的構造、控制功能進行了深入的分析和研究。RH真空處理的自動控制系統選型遵循了先進、可靠、實用的原則，節約投資的原則;設備選型和裝備水平達到了當前先進的水平。這些工作對于攀鋼以后的新建工程及改造工程的自動控制系統選擇有一定的借鑒意義。