計算機控制在80t轉爐中的研究應用

1 引言
萊蕪鋼鐵總廠銀山前區1#80t氧氣頂吹轉爐于2005年7月正式投產。本系統由轉爐本體、干法除塵及蒸發冷卻、汽化冷卻、散狀料上料、循環水、濕法除塵及煤氣回收等部分組成。在控制上采用PLC自動控制，完成對轉爐煉鋼過程的數據采集、監測與監控。在控制網絡上采用先進、可靠的工業以太環網，通訊速率為10.0Mbps自適應。PLC與 PLC之間的數據傳輸采用SIEMENS STEP7專用的通訊模塊。網絡監控畫面采用功能強大的SIEMENS WINCC，人機界面好，便于操作使用。

2 工藝概述
轉爐系統主要完成將鐵水和廢鋼冶煉成鋼水，同時將冶煉過程中產生的煤氣和水蒸汽進行回收再利用。轉爐主體設備主要包括爐體、爐門、煙罩、傾動機構、氧槍升降機構、氧槍橫移機構、稱重裝置、上料裝置、冷卻裝置等。其中，氧槍有兩套，靠橫移小推車轉換，實現互為備用。裝料時爐門打開，煙罩提升，將鐵水倒入轉爐，加入廢鋼，裝料完成后，爐門關閉，煙罩下移。冶煉過程中，氧槍下降，從爐體頂部向爐內吹氧，或加合金料，以改善鋼水成分。出鋼時，氧槍上升，傾動爐體，鋼水由鋼包車運至精煉爐精煉。出鋼完成后，吹氮氣以濺渣護爐，最后將鋼渣倒入渣罐車。煉鋼過程中，氧槍和煙罩通過循環冷卻水降溫，產生的汽包蒸汽經加壓后送用戶使用;風機將煙罩內氣體吸出，經煤氣回收后放散到大氣中。

3 轉爐網絡通訊配置
銀山前區1#轉爐采用8臺德國ＳＩＭＡＴＩＣＳ7-400ＰＬＣ主站,分別完成轉爐本體控制、散狀料上料站、鐵合金站、煤氣加壓站、汽化冷卻和煤氣回收及循環水站。其配置主要有主機架、擴展機架、電源、ＣＰＵ、接口模塊、通信模塊,以及數字量和模擬量輸入/輸出模塊等。8臺主站之間通過100M光纖以太環網完成數據通信。煤氣回收ＰＬＣ主站下設1個ＥＴ200 Ｍ遠程從站,通過工業現場總線Ｐrofibus DP完成主從通信。1臺工程師站用于完成系統的開發設計,七臺操作員站完成整個生產過程監控。自動控制系統網絡構成如圖1所示。

圖1 轉爐系統計算機網絡配置圖

4 控制系統硬件配置
萊鋼80t轉爐本體控制系統根據工藝生產要求控制轉爐傾動、鋼包車、渣車、爐口清理機、擋渣球投放裝置、電動擋火門、活動煙罩等設備，采用1套控制站和1臺監控站實現整個轉爐本體生產流程的過程控制，控制系統采用德國SIEMENS S7-400大型控制系統，采用以太網實現與散裝料控制系統、煤氣回收加壓站控制系統、余熱鍋爐控制系統、循環水控制系統通訊，并配備打印機打印生產報表。硬件配置圖見圖2:

圖2 硬件配置

5 自動控制系統功能
整個轉爐系統的自動控制由ＰＬＣ控制程序完成，通過開放的Profibus DP現場總線連接各個部件，構成分布式控制系統，實現順序邏輯控制、聯動聯鎖控制以及信號傳輸、報警和數據采集等，同時設有人工緊急停車處理按鈕。
5.1 轉爐傾動系統
轉爐傾動分兩地操作，爐前主操作室和爐后機旁操作室，兩處只能由一處操作，在主操作室設有指令轉換開關，其中一點傾動轉爐時，另外一地就不能實現傾動轉爐，爐前主操作室操作轉爐兌鐵水、加廢鋼;爐前操作室操作轉爐測溫、取樣、出渣，爐后操作室操作轉爐出鋼。轉爐傾動操作有快速、慢速、正反轉。有信號顯示和爐子傾角顯示。1#轉爐頂吹氧氣壓力調節原理如圖3。其它單回路調節原理相同。

圖3 轉爐頂吹氧氣壓力調節原理
如實現轉爐傾動1#變頻器、轉爐傾動2#變頻器、轉爐傾動3#變頻器、轉爐傾動4#變頻器的快速、慢速頻率設定。
5.2 爐前電動擋火板:
電動擋火板的操作由操作工在主控室的上位機上或現場按鈕完成，上位機的畫面中有電動推桿開、關和開門、關門按鈕。點擊電動推桿開、關按鈕時，電動推桿開或關;點擊開門按鈕時，擋火門開門;點擊關門按鈕時，擋火門關門。這兩個操作均為點動，滿足的條件:爐前擋火板電源正常，爐前擋火板不過載。
5.3 活動煙罩
活動煙罩的操作地點在主控室，可選擇聯鎖或解除聯鎖、集中操作或機旁操作;活動煙罩配有兩臺變頻器(一用一備)。只有轉爐處于垂直位置(±2°)時，才允許煙罩動作。在主控室的操作臺上設有操作開關，當打到升罩位時，電機正轉運行，煙罩上升，到上限位停止;當打到降罩位時，電機反轉運行，煙罩下降，到下限位停止。當工作變頻器出現故障時，將自動切換到備用變頻器。
5.4 氧槍升降設備、氧槍橫移設備
氧槍控制分A槍和B槍，采用變頻交流電機驅動，氧槍升降速度為快速40m/min，慢速4m/min。斷電時，用氣動馬達提升。A槍和B槍的控制方式相同，僅以A槍為例進行說明。氧槍升降操作在爐前主控室完成。換槍操作可在兩地進行，分別為爐前主控室和31m平臺。氧槍的操作方式包括氧槍定位，氧槍升降，介質檢測，換槍操作。標高以地面為零高度點。
(1) 降槍
氧槍下降時，從+22.5m到+18.5m為慢速下降，從+18.5m(為上變速點)到+13.5m(等待位)為快速下降，下至11.8m(開氧點)氧氣快速切斷閥自動打開供氧，下至9.8m(變速點)變為慢速下降，吹煉位(7.8m~8.8m)。
(2) 提槍
氧槍有刮渣和不刮渣兩種操作選擇。不刮渣時，氧槍上升從吹煉位上升到等待位+13.5m，就自動停止。若需再上升時，從+13.5m到+18.5m為快速上升，過+18.5m就改為慢速上升。到+22.5m自動停止。當刮渣操作時氧槍上升從吹煉位慢速上升，到下等待位不停止，當氧槍上升到+24.87m時，刮渣頭合上，開始刮渣操作，此時氧槍提升速度要小于6m/min。
(3) 換槍操作
工作方式有兩種，在主控室手動進行換槍操作，在機旁操作箱手動進行換槍操作。在何處換槍，應先在畫面上選擇，畫面上有本地和遠程兩個按鈕。
選擇在主控室進行換槍(從畫面上操作):當A槍出現故障時，按下換槍按鈕之后，A槍自動提升至換槍位,氧槍停止升降，然后進行換槍操作。首先按下對中裝置解鎖按鈕，對中裝置反轉，到對中原位;然后由1#橫移小車將A槍移至A槍原位作備用;同時，2#橫移小車將B槍由B槍原位移至B槍工作位，當B槍到達工作位后，然后由對中裝置正轉將B槍鎖定，換槍完畢。
(4) 介質計量
A槍氧氣流量累計:當打開切斷閥后，延時3s后，開始累計，直到關閉切斷閥。有每次吹煉累計以及總累計。
A槍氮氣流量累計:當打開切斷閥后，延時3s后，開始累計，直到關閉切斷閥。有每次吹煉累計以及總累計。
(5) 安全聯鎖
為保證轉爐的安全運行,ＰＬＣ程序中設有必要的、可靠的安全聯鎖回路。在爐前操作臺和爐后操作臺各設有一個“緊急停止按鈕”,當出現緊急情況時,按下此按鈕即可停止轉爐傾動,氧槍升降,煙罩、擋火門的動作,處理完成后將按鈕釋放,系統可恢復正常運行。爐體必須在氧槍和煙罩上升到一定高度后才允許傾動,否則有可能出現設備間相互卡殼的情況;氧槍必須在爐體處于零位時才允許下降,否則氧槍有被折斷的危險;當氧槍冷卻水流量差大于設定值時,將自動提槍,以防氧槍漏水。為保證基礎自動化系統及部分重要的現場儀表、檢測元件在工廠供電突然中斷時能正常運行,系統設置帶有穩壓功能、能供電30min的UPS在線電源,以便進行應急處理。

6 監控功能
根據生產實際情況和操作需要，在監控站制作了多幅監控畫面，全部采用中文界面，具有極強的可操作性。具體的監控畫面如下:
6.1 工藝流程畫面
顯示轉爐本體整個工藝流程，顯示所有的控制點的實際值、設定值及運行情況，顯示主要的檢測點及運行情況。
6.2 數據一覽表
顯示溫度、壓力、流量、氧量、閥位反饋等所有的模擬量輸入信號，顯示所有的模擬量輸出信號。
6.3 調節系統畫面
為方便操作人員對回路參數進行設定，對所有PID回路分別做回路控制圖，在圖上用棒圖形式和數據形式顯示參數的設定值、測量值和閥位值，并根據實際情況修改設定值，手動/自動轉換開關可實現手動/自動無擾動切換。
6.4 報警畫面
按工藝要求，當過程值超過報警上下限時，發出聲音報警，并在報警畫面上顯示報警發生時間、報警值、報警等級、報警點，操作員在報警畫面中可以完成報警確認、報警信息過濾等功能。當操作員不在監視報警畫面時，有報警發生后，自動在屏幕顯示最新報警信息，發出提示，防止漏警。
6.5 實時及歷史趨勢畫面
顯示重要參數的實時趨勢和歷史趨勢，可隨時查看一個月內的參數值。
6.6 報表打印
報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可任意時間打印。可設置任意格式報表，可打印所有輸入輸出參數的報表。
6.7 手動自動切換
操作方式有兩種，即手動和自動。在控制回路中，手動方式下貯存控制回路中相應的參數，并把閥位反饋信號作為輸出，以保證投入自動的無擾動切換。
各畫面間的切換和“手動/自動”控制切換通過鼠標進行，系統操作十分簡單。

7 結束語
萊鋼銀山前區80t轉爐系統投運至今運行穩定可靠，自動控制技術的應用保證了轉爐快速高效的生產。采用的SIEMENS PLC程序故障診斷、在線監控和修改技術，方便了程序維護。開放的、標準的Profibus DP現場總線增強了系統的擴展能力。整套系統自動化水平高、操作方便、報警明了清晰、故障率低、維護量小，達到了國內先進水平。