计算机控制在80t转炉中的研究应用

1 引言
莱芜钢铁总厂银山前区1#80t氧气顶吹转炉于2005年7月正式投产。本系统由转炉本体、干法除尘及蒸发冷却、汽化冷却、散状料上料、循环水、湿法除尘及煤气回收等部分组成。在控制上采用PLC自动控制，完成对转炉炼钢过程的数据采集、监测与监控。在控制网络上采用先进、可靠的工业以太环网，通讯速率为10.0Mbps自适应。PLC与 PLC之间的数据传输采用SIEMENS STEP7专用的通讯模块。网络监控画面采用功能强大的SIEMENS WINCC，人机界面好，便于操作使用。

2 工艺概述
转炉系统主要完成将铁水和废钢冶炼成钢水，同时将冶炼过程中产生的煤气和水蒸汽进行回收再利用。转炉主体设备主要包括炉体、炉门、烟罩、倾动机构、氧枪升降机构、氧枪横移机构、称重装置、上料装置、冷却装置等。其中，氧枪有两套，靠横移小推车转换，实现互为备用。装料时炉门打开，烟罩提升，将铁水倒入转炉，加入废钢，装料完成后，炉门关闭，烟罩下移。冶炼过程中，氧枪下降，从炉体顶部向炉内吹氧，或加合金料，以改善钢水成分。出钢时，氧枪上升，倾动炉体，钢水由钢包车运至精炼炉精炼。出钢完成后，吹氮气以溅渣护炉，最后将钢渣倒入渣罐车。炼钢过程中，氧枪和烟罩通过循环冷却水降温，产生的汽包蒸汽经加压后送用户使用;风机将烟罩内气体吸出，经煤气回收后放散到大气中。

3 转炉网络通讯配置
银山前区1#转炉采用8台德国ＳＩＭＡＴＩＣＳ7-400ＰＬＣ主站,分别完成转炉本体控制、散状料上料站、铁合金站、煤气加压站、汽化冷却和煤气回收及循环水站。其配置主要有主机架、扩展机架、电源、ＣＰＵ、接口模块、通信模块,以及数字量和模拟量输入/输出模块等。8台主站之间通过100M光纤以太环网完成数据通信。煤气回收ＰＬＣ主站下设1个ＥＴ200 Ｍ远程从站,通过工业现场总线Ｐrofibus DP完成主从通信。1台工程师站用于完成系统的开发设计,七台操作员站完成整个生产过程监控。自动控制系统网络构成如图1所示。

图1 转炉系统计算机网络配置图

4 控制系统硬件配置
莱钢80t转炉本体控制系统根据工艺生产要求控制转炉倾动、钢包车、渣车、炉口清理机、挡渣球投放装置、电动挡火门、活动烟罩等设备，采用1套控制站和1台监控站实现整个转炉本体生产流程的过程控制，控制系统采用德国SIEMENS S7-400大型控制系统，采用以太网实现与散装料控制系统、煤气回收加压站控制系统、余热锅炉控制系统、循环水控制系统通讯，并配备打印机打印生产报表。硬件配置图见图2:

图2 硬件配置

5 自动控制系统功能
整个转炉系统的自动控制由ＰＬＣ控制程序完成，通过开放的Profibus DP现场总线连接各个部件，构成分布式控制系统，实现顺序逻辑控制、联动联锁控制以及信号传输、报警和数据采集等，同时设有人工紧急停车处理按钮。
5.1 转炉倾动系统
转炉倾动分两地操作，炉前主操作室和炉后机旁操作室，两处只能由一处操作，在主操作室设有指令转换开关，其中一点倾动转炉时，另外一地就不能实现倾动转炉，炉前主操作室操作转炉兑铁水、加废钢;炉前操作室操作转炉测温、取样、出渣，炉后操作室操作转炉出钢。转炉倾动操作有快速、慢速、正反转。有信号显示和炉子倾角显示。1#转炉顶吹氧气压力调节原理如图3。其它单回路调节原理相同。

图3 转炉顶吹氧气压力调节原理
如实现转炉倾动1#变频器、转炉倾动2#变频器、转炉倾动3#变频器、转炉倾动4#变频器的快速、慢速频率设定。
5.2 炉前电动挡火板:
电动挡火板的操作由操作工在主控室的上位机上或现场按钮完成，上位机的画面中有电动推杆开、关和开门、关门按钮。点击电动推杆开、关按钮时，电动推杆开或关;点击开门按钮时，挡火门开门;点击关门按钮时，挡火门关门。这两个操作均为点动，满足的条件:炉前挡火板电源正常，炉前挡火板不过载。
5.3 活动烟罩
活动烟罩的操作地点在主控室，可选择联锁或解除联锁、集中操作或机旁操作;活动烟罩配有两台变频器(一用一备)。只有转炉处于垂直位置(±2°)时，才允许烟罩动作。在主控室的操作台上设有操作开关，当打到升罩位时，电机正转运行，烟罩上升，到上限位停止;当打到降罩位时，电机反转运行，烟罩下降，到下限位停止。当工作变频器出现故障时，将自动切换到备用变频器。
5.4 氧枪升降设备、氧枪横移设备
氧枪控制分A枪和B枪，采用变频交流电机驱动，氧枪升降速度为快速40m/min，慢速4m/min。断电时，用气动马达提升。A枪和B枪的控制方式相同，仅以A枪为例进行说明。氧枪升降操作在炉前主控室完成。换枪操作可在两地进行，分别为炉前主控室和31m平台。氧枪的操作方式包括氧枪定位，氧枪升降，介质检测，换枪操作。标高以地面为零高度点。
(1) 降枪
氧枪下降时，从+22.5m到+18.5m为慢速下降，从+18.5m(为上变速点)到+13.5m(等待位)为快速下降，下至11.8m(开氧点)氧气快速切断阀自动打开供氧，下至9.8m(变速点)变为慢速下降，吹炼位(7.8m~8.8m)。
(2) 提枪
氧枪有刮渣和不刮渣两种操作选择。不刮渣时，氧枪上升从吹炼位上升到等待位+13.5m，就自动停止。若需再上升时，从+13.5m到+18.5m为快速上升，过+18.5m就改为慢速上升。到+22.5m自动停止。当刮渣操作时氧枪上升从吹炼位慢速上升，到下等待位不停止，当氧枪上升到+24.87m时，刮渣头合上，开始刮渣操作，此时氧枪提升速度要小于6m/min。
(3) 换枪操作
工作方式有两种，在主控室手动进行换枪操作，在机旁操作箱手动进行换枪操作。在何处换枪，应先在画面上选择，画面上有本地和远程两个按钮。
选择在主控室进行换枪(从画面上操作):当A枪出现故障时，按下换枪按钮之后，A枪自动提升至换枪位,氧枪停止升降，然后进行换枪操作。首先按下对中装置解锁按钮，对中装置反转，到对中原位;然后由1#横移小车将A枪移至A枪原位作备用;同时，2#横移小车将B枪由B枪原位移至B枪工作位，当B枪到达工作位后，然后由对中装置正转将B枪锁定，换枪完毕。
(4) 介质计量
A枪氧气流量累计:当打开切断阀后，延时3s后，开始累计，直到关闭切断阀。有每次吹炼累计以及总累计。
A枪氮气流量累计:当打开切断阀后，延时3s后，开始累计，直到关闭切断阀。有每次吹炼累计以及总累计。
(5) 安全联锁
为保证转炉的安全运行,ＰＬＣ程序中设有必要的、可靠的安全联锁回路。在炉前操作台和炉后操作台各设有一个“紧急停止按钮”,当出现紧急情况时,按下此按钮即可停止转炉倾动,氧枪升降,烟罩、挡火门的动作,处理完成后将按钮释放,系统可恢复正常运行。炉体必须在氧枪和烟罩上升到一定高度后才允许倾动,否则有可能出现设备间相互卡壳的情况;氧枪必须在炉体处于零位时才允许下降,否则氧枪有被折断的危险;当氧枪冷却水流量差大于设定值时,将自动提枪,以防氧枪漏水。为保证基础自动化系统及部分重要的现场仪表、检测元件在工厂供电突然中断时能正常运行,系统设置带有稳压功能、能供电30min的UPS在线电源,以便进行应急处理。

6 监控功能
根据生产实际情况和操作需要，在监控站制作了多幅监控画面，全部采用中文界面，具有极强的可操作性。具体的监控画面如下:
6.1 工艺流程画面
显示转炉本体整个工艺流程，显示所有的控制点的实际值、设定值及运行情况，显示主要的检测点及运行情况。
6.2 数据一览表
显示温度、压力、流量、氧量、阀位反馈等所有的模拟量输入信号，显示所有的模拟量输出信号。
6.3 调节系统画面
为方便操作人员对回路参数进行设定，对所有PID回路分别做回路控制图，在图上用棒图形式和数据形式显示参数的设定值、测量值和阀位值，并根据实际情况修改设定值，手动/自动转换开关可实现手动/自动无扰动切换。
6.4 报警画面
按工艺要求，当过程值超过报警上下限时，发出声音报警，并在报警画面上显示报警发生时间、报警值、报警等级、报警点，操作员在报警画面中可以完成报警确认、报警信息过滤等功能。当操作员不在监视报警画面时，有报警发生后，自动在屏幕显示最新报警信息，发出提示，防止漏警。
6.5 实时及历史趋势画面
显示重要参数的实时趋势和历史趋势，可随时查看一个月内的参数值。
6.6 报表打印
报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可任意时间打印。可设置任意格式报表，可打印所有输入输出参数的报表。
6.7 手动自动切换
操作方式有两种，即手动和自动。在控制回路中，手动方式下贮存控制回路中相应的参数，并把阀位反馈信号作为输出，以保证投入自动的无扰动切换。
各画面间的切换和“手动/自动”控制切换通过鼠标进行，系统操作十分简单。

7 结束语
莱钢银山前区80t转炉系统投运至今运行稳定可靠，自动控制技术的应用保证了转炉快速高效的生产。采用的SIEMENS PLC程序故障诊断、在线监控和修改技术，方便了程序维护。开放的、标准的Profibus DP现场总线增强了系统的扩展能力。整套系统自动化水平高、操作方便、报警明了清晰、故障率低、维护量小，达到了国内先进水平。