武鋼第三煉鋼廠3#轉爐全自動煉鋼控制技術

2007年01月11日 13:26:23人氣：1129來源：煙臺勾股通信技術有限公司

0 引言
轉爐全自動煉鋼控制技術是伴隨著計算機網(wǎng)絡技術和計算機信息技術，以及工業(yè)控制技術和工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的，是通過煉鋼模型控制為主，操作工實時監(jiān)控為輔的煉鋼控制技術。可以說，轉爐全自動煉鋼技術是理論計算、專家經(jīng)驗和*檢測手段相結合的采用計算機以及PLC進行控制的科學煉鋼方法，是轉爐煉鋼技術上又一次重大的革命性進步
此項技術，目前在國外大部分鋼廠得到廣泛的使用，而在我國，由于種種原因，目前還未得到很好的應用。
2004年，為實現(xiàn)武鋼年產(chǎn)鋼100萬t的戰(zhàn)略規(guī)劃，武鋼決定在三煉鋼廠擴建3^#轉爐。武漢鋼鐵工程技術集團有限公司計控公司承接廠3^#轉爐自動化系統(tǒng)的設計和調試工作，其核心的PLC控制程序和HMI操作界面接口程序，是*擁有計算機控制自主知識產(chǎn)權的新技術。
1 系統(tǒng)總貌
總體上說3^#轉爐個自動煉鋼控制系統(tǒng)分成兩大部分，即二級機系統(tǒng)和基礎自動化系統(tǒng)、級機系統(tǒng)完成對生產(chǎn)過程的控制和模型的自學習，基礎自動化則根據(jù)二級機的要求，控制本系統(tǒng)中的設備按指令順序動作，同時將生產(chǎn)過程中的相關數(shù)據(jù)按二級機的要求傳到二級機
3^#轉爐全自動煉鋼過程的流程如圖1所示。控制網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。
3^#轉爐各PLC的控制功能如下：
（1）PLC3-1 吹氧設定值，底吹氮、氬設定值模式認控制；氧量時鐘的計算；全自動煉鋼方式下的吹煉順序控制；氧氣頂吹控制；濺渣護爐控制；氮、氬底吹及氮氬自動切換控制。

（2）PLC3-2 副槍測量控制。
（3）PLC3-3 一次除塵控制；煙氣冷卻控制；煤氣回收控制。
（4）PLC3-4 氧槍吹煉高度設定值模式確認控制；吹煉模式控制單元；氧槍升降控制；轉爐傾動控制。
（5）PLC3-5 熔劑加料設定值模式確認控制；熔劑稱量及加料控制。
（6）PLC3-6 鋼包氮、氬、底、頂吹及氮氬切換控制；爐后合金稱量及加料控制；吹氬站合金微調稱量及加料控制。
公共部分的PLC控制功能如下：
（1）PLC-A 熔劑上料控制。
（2）PLC-B 蒸汽、廢氣處理控制。
（3）PLC-C 合金上料控制。
（4）PLC-D 鐵水添加及廢鋼添加控制。
2 自動煉鋼技術在基礎自動化上的實現(xiàn)
3^#轉爐自動煉鋼在基礎自動化級的上要控制環(huán)節(jié)是吹煉模式確認和轉爐順序控制。
2．1 吹煉模式確認
轉爐系統(tǒng)主控PLC中，有一個吹煉模式控制單元，此單元在HMI上：實現(xiàn)了可視化，方便了操作工的操作。控制單元主要有三大功能：一是數(shù)據(jù)存儲，控制單元中有若干個歷史數(shù)據(jù)庫，用于存放常用的吹煉控制模式；二是吹煉模式的選擇，操作工可以根據(jù)當時的實際情況選擇是采用二級機算計控制方式還是從歷史數(shù)據(jù)庫中調用模式的PLC控制方式；三是無論采用哪種控制方式，吹煉模式都會從二級機或PLC中傳遞到一個專為執(zhí)行吹煉控制而設計的吹煉模式工作數(shù)據(jù)庫中，然后再由操作工對工作數(shù)據(jù)庫中的內容進行模式確認。
吹煉模式工作數(shù)據(jù)庫中主要有氧量時鐘、氧氣流量設定值、氮氣流量設定值、氬氣流量設定值、氧槍高度設定值、熔劑材料名、熔劑加入量、副槍測量降氧量等。而模式確認的實質就是由PLC輔助操作工根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對上述內容進行逐一確認，在確認無誤后，通過網(wǎng)絡傳遞到相關PLC（如將氧、氮、氬的流量設定值給PLC3-1；氧槍高度設定值給PLC3-4；熔劑設定值給PLC3-5等），以便執(zhí)行一步煉鋼過程。
在模式確認完成后，操作工可以選擇是否將確認好的內容存入歷史數(shù)據(jù)庫以備今后冶煉同鋼種時使用。
2．2 吹煉順序控制
3^#轉爐的吹煉順序控制分成15個階段。在主操作HMI上有個吹煉順序控制菜單，將這15個階段按功能設計成純監(jiān)視的和既帶監(jiān)視又可控制的兩種類型，供操作工監(jiān)控吹煉順序控制的全過程。各階段大致流程如下。
（1）熔劑預處理。轉爐吹煉模式確認后，如果有零階段料，則PLC3-5開始自動稱料，完成稱料過程后，自動添加到匯總斗中，完成零階段稱重過程、如果吹煉模式中沒有添加零階段料的要求，PLC3-5收到模式確認的信號后，自接生成“零階段稱重結束信號”發(fā)給PLC3-1，而PLC3-1則在收到PLC3-5的信號后，直接產(chǎn)生“熔劑處理已完成”信號
（2）轉爐添加開始。進入“轉爐添加開始”階段后，PLC3-1將給PL3-3發(fā)送ID風機升速命令，而PLC-3在自動完成ID風機升速的工作后，將“風機在轉速”的信號返回給PLC3-1，完成“轉爐添加開始”，系統(tǒng)可以執(zhí)行下一步工作。
（3）廢鋼添加完成。操作工確認現(xiàn)場已完成向轉爐中添加廢鋼的工作后，需要在HMI上點擊“廢鋼添加完成”鍵，使順控進入下一階段。
（4）鐵水添加完成。操作工確認現(xiàn)場已完成向轉爐中兌鐵水的工作后，需要在HMI上按下“鐵水添加完成”鍵。
（5）轉爐添加完成。當系統(tǒng)正常完成“轉爐添加開始”、“廢鋼添加完成”和“鐵水添加完成”這3個階段后，“轉爐添加完成”階段即實現(xiàn)。當實現(xiàn)“轉爐添加完成”后，“轉爐添加”開始指令將被屏蔽，
（6）吹煉開始。在轉爐添加階段完成后，PLC3-1，PLC3-3，PLC3-4，PLC3-5都處于吹煉準備狀態(tài)，氧氣系統(tǒng)正常，模式確認信號，正常。這時，HMI上彈出“吹煉開始”鍵，由操作工確認執(zhí)行。
在“吹煉開始”以前的各階段順控是可逆的，即一旦操作工認為有問題，可以重新進行模式確認，必要時可重新執(zhí)行順控的前5個階段，因為此時的“爐次結束”信號并沒有取消，而操作工按下“吹煉開始”鍵后，“爐次結束”信號隨即消失，此時系統(tǒng)的順控進入到了不可逆的階段。
PLC3-1在收到山HMI上傳來操作工要求“吹煉開始”的指令后，立即向PLC3-4發(fā)出下槍指令，PLC3-4在收到PLC3-1的下槍命令后，執(zhí)行下槍命令，到達開氧點后，PLC3-1自動發(fā)出開氧命令，打開氧氣閥。在下槍過程以及后續(xù)吹煉的過程中，只要系統(tǒng)不具備吹煉條件，都會山PLC3-1給PL3C-4發(fā)出緊急提槍指令。
（7）點火。當氧槍到達高度并且氧氣閥已經(jīng)打開后，HMI上彈出“點火”按鈕，操作工必須在規(guī)定時間內按下“點火”按鈕，否則系統(tǒng)即會認為出現(xiàn)了故障，從而緊急提槍。
“點火”的作用主要是啟動氧量時鐘，進而啟動整個煉鋼進程。在氧量時鐘啟動后，PLC3-1中的氧氣系統(tǒng)開始對吹氧量進行累計，以得到每個吹煉階段的吹氧量、吹煉間歇期的耗氧量、每爐的總吹氧量和一個爐役的累計吹氧量等7項指標。PLC3-1中的底吹系統(tǒng)根據(jù)吹煉模式中的設定，依據(jù)氧量時鐘的變化自動進行底吹氮氬切換及氮氬流量設定值的修正。另外，PLC3-1將根據(jù)吹煉模式，依據(jù)氧氣時鐘動態(tài)調整氧槍的吹煉設定高度，并通過通信發(fā)給PLC3-4。同時，PLC3-1還將通過通信將氧量時鐘傳遞給PLC3-3和PLC3-5。
PLC3-3在收到氧量時鐘后，將用來控制自動煤氣回收的全部過程；PLC3-4收到變化著的氧槍高度設定值后，及時對氧槍高度進行調整；而PLC3-5將根據(jù)氧量時鐘，自動將不同的熔劑料按吹煉模式中的規(guī)定加入轉爐中。
在吹煉后期，當吹氧量接近進行副槍測量的沒定值時，系統(tǒng)自動進行降氧、抬升氧槍位操作，在完成這兩項工作后，通過通信發(fā)送給PLC3-2，允許副槍執(zhí)行測量工作。在副槍測量完成后，系統(tǒng)自動進人動態(tài)煉鋼進程。
（8）吹煉停止。在氧量時鐘達到系統(tǒng)動態(tài)修正后的總氧量值時，系統(tǒng)自動提槍，當氧槍到達工作停放位后，將會產(chǎn)生“吹煉停止”事件。
（9）吹煉結束。有“出鋼開始”并且有“吹煉停止”信號，則生成“吹煉結束”信號。
（10）出鋼開始。前面的10個吹煉順控信號以及后面的濺渣和爐次信號都是由PLC3-1生成，兩個出鋼信號以及出渣信號，則是在PLC3-4中產(chǎn)生的。當轉爐開始出鋼，并且角度編碼器檢測到轉爐已轉至出鋼位時，在PLC3-4中生成“出鋼開始”信號，并發(fā)給PLC3-1。
（11）出鋼結束。在出鋼結束，轉爐轉回零位后，PLC3-4生成“出鋼結束”信號，并發(fā)給PLC3-1。
（12）濺渣護爐。在出鋼結束后，如果操作工需要進行濺渣護爐，則將轉爐工作模式從吹煉方式切換到維護方式，并且濺渣系統(tǒng)處于準備狀態(tài)后，即可進行濺渣護爐。
濺渣護爐的控制過程類似廠轉爐順控，也分子動和自動兩種。在自動方式下，由PLC實現(xiàn)自動下槍，自動開氮，自動提槍，自動關氮以及緊急提槍和緊急關氮等控制。
（13）出渣開始，當轉爐開始出渣，并旺角度編碼器檢測到轉爐已轉至出渣位時，在PLC3-4中生成“出渣開始”信號，并發(fā)給PLC3-1。
（14）出渣結束。在出渣結束，轉爐轉回零位后，PLC3-4生成“出渣結束”信號，并發(fā)給PLC3-1接*版
（15）爐次結束。在出渣事件已產(chǎn)生，并且“出渣結束”已生成的情況下，產(chǎn)生“爐次結束”信號。
在各PLC系統(tǒng)的工藝過程控制上，均采用了以下4種控制策略，即手動控制方式、半自動控制方式、自動控制方式和計算機控制方式，這4種控制方式的優(yōu)先級別是由高到低，自動化程度則是由低到高。在正常情況下，操作工總是選擇自動化程度高但優(yōu)先級低的計算機操作方式，但在生產(chǎn)過程中，操作工可以根據(jù)實際情況轉換操作方式，原則是只能從優(yōu)先級低的操作方式向優(yōu)先級高的操作方式轉換。
對于如此復雜的全自動煉鋼技術而言，PLC的控制程序必須采用結構化的程序設計思想來編寫。首先，針對整個轉爐系統(tǒng)所選用的設備，統(tǒng)一編制模擬量處理標準功能塊和各種設備的控制標準功能塊。然后，各PLC根據(jù)自己的設備控制情況選擇相應的標準功能塊進行使用并完成單體設備的調試，之后，各PLC按照轉爐自動煉鋼的總體控制要求，編制各自的自動煉鋼順序控制程序。zui后，再在工業(yè)以入網(wǎng)的架構下，編制和調試通信程序和轉爐自動煉鋼總體順序控制程序。這種編程形式，zui大限度地降低了因編程人員的個體差異而給各PLC帶來的系統(tǒng)差異，杜絕了同一類現(xiàn)場設備的控制因位于不同的PLC而出現(xiàn)不同控制方法的現(xiàn)象發(fā)生，真正使轉爐控制系統(tǒng)有機地融合為一個整體，也方便了維護人員對各控制系統(tǒng)的掌握。
另外，各PLC的程序按照樹狀結構編寫，以增強程序的可閱讀性和方便故障分析。在程序的zui上層是組織塊，組織塊中按照每個PLC所對應的工藝控制順序和設備種類，存放工藝控制功能和設備控制功能，再在各功能中，調用執(zhí)行各個工藝或設備控制過程的功能塊以及數(shù)據(jù)塊。并且，除了一些特殊情況外，統(tǒng)一用數(shù)據(jù)塊存放各種工藝以及設備控制數(shù)據(jù)，這樣做的好處是即使在出現(xiàn)故障導致PLC死機時，也能根據(jù)數(shù)據(jù)塊中記錄的在PLC死機前的系統(tǒng)運行狀況，方便地查找造成系統(tǒng)死機的故障點。
3^#轉爐PLC程序結構還有一個顯著特點是所有的程序都是采用語句表（STL）的形式編寫，而且大量運用了數(shù)據(jù)矩陣和指針，頻繁使用了間接尋址和變量尋址等計算機語言的控制策略。雖然這樣編寫的程序不如用梯形圖（LAD）或功能塊框圖（FBD）那樣自觀易懂，但對于轉爐門動煉鋼這樣一個復雜的控制系統(tǒng)而言，使用梯形彭圖或功能塊框圖無法滿足需求。而且使用數(shù)據(jù)矩陣和指針進行間接或變量尋址，雖然在編程和調試過程中比較困難，但實踐證明，這樣的程序較簡單，比使用邏輯指令完成的程序具有更高的運行穩(wěn)定性和控制性，不容易出現(xiàn)一些隨機的小故障。
3 結束語
武鋼三煉鋼廠3#轉爐于2005年4月投產(chǎn)，投產(chǎn)的第1爐鋼就使用了自動煉鋼控制技術，并且連續(xù)煉鋼11爐，創(chuàng)造廠投產(chǎn)當班即達產(chǎn)的新水平。從投產(chǎn)至今，3^#轉爐每天保持30爐左右的生產(chǎn)能力，計算機的投運率在95％以上，副槍雙命中率也超過90％，*達到了設計要求，確保了武鋼年產(chǎn)鋼能力過千萬噸目標的實現(xiàn)。
3^#轉爐投產(chǎn)，年多來，自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過因自動煉鋼程序異常而給生產(chǎn)帶來的不良影響。另外，2006年以來，武鋼為了應對激烈的市場形勢，在三煉鋼廠安排了大量具有高附加值的品種鋼的生產(chǎn)，3^#轉爐依靠*的全自動煉鋼控制技術，順利完成了公司下達的各項計劃，鋼水合格率一直控制在三煉鋼廠內控指標以內。
實踐證明，3^#轉爐全自動煉鋼控制技術是一項成熟而穩(wěn)定的煉鋼技術，它的成功使用，說明我們已經(jīng)*掌握了自動煉鋼控制技術，相信它一定會有更廣泛的使用前景。

關鍵詞：控制系統(tǒng)角度編碼器編碼器過程控制自動控制系統(tǒng)

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