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李明 （1982-）

男，河南安陽人，工業(yè)自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，安陽鋼鐵集團公司第一煉軋廠電氣工程師，從事電氣設(shè)備維護、維修工作。

摘要：本文介紹了安鋼100噸轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了一級自動控制系統(tǒng)的配置和功能，并對系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題提出了改進方案。

關(guān)鍵詞：S7-400轉(zhuǎn)爐；自控系統(tǒng)

Abstract: The paper introduces the design scheme of  automatic control system of 100t OWF
 in AnYang , and explains the configuration and functions of this system in detail. 
Furthermore, some improvements of this system have been put forward and implemented.

Key words: S7-400 OWF; Automatic System

1 引言

    安鋼第一煉軋廠增建100ｔ轉(zhuǎn)爐煉鋼工程是安鋼三步走戰(zhàn)略的第一步，于2004年3月26日投產(chǎn)，年設(shè)計生產(chǎn)能力120萬噸，生產(chǎn)工藝流程為：65t鐵水罐——900ｔ混鐵爐——100ｔ轉(zhuǎn)爐——100ｔLF爐——板坯連鑄機——中板軋機，主要設(shè)備包括：100ｔ頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、輔助部分包括上料系統(tǒng)、一次煙氣除塵系統(tǒng)、二次除塵系統(tǒng)等。

    系統(tǒng)配備了先進的自動化控制系統(tǒng)（一、二級計算機控制系統(tǒng)），對煉鋼生產(chǎn)進行自動控制和過程控制，同時對冶煉和精煉過程進行檢測，實現(xiàn)各個鋼種的最佳工藝控制。

2 系統(tǒng)組成

    轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)自動化采用了以PLC+PC為基礎(chǔ)、儀控電控為一體（即儀表、電氣控制共用PLC和監(jiān)控站）的分散型控制系統(tǒng)，主要完成對設(shè)備的控制、計算、聯(lián)鎖等功能，同時在各個控制站設(shè)有人機界面（MMI）顯示器，集中顯示設(shè)備的各種狀態(tài)和鋼水溫度、重量、成分等各種工藝參數(shù)。

    主要設(shè)備包括：

    （1）轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)由6臺S7-400 PLC組成主干環(huán)網(wǎng)，使用CP443-1模板、四臺OSM、光纖與雙絞線等設(shè)備，建立工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；六臺PLC分別為復(fù)吹、氧槍傾動、汽化系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、投料系統(tǒng)和二次除塵系統(tǒng)。

    （2）操作員站、工程師站、OPC服務(wù)器等計算機通過以太網(wǎng)卡、CP1613等連接至OSM上，安裝有STEP7、WINCC等軟件。

    （3）現(xiàn)場總線為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，由PLC Dp口（CPU 416-2 DP）、CP443-5 Ext、圖爾克遠程站模板構(gòu)建；六個系統(tǒng)有各自的DP網(wǎng)絡(luò)，遠程站為各現(xiàn)場操作箱、接線箱、變頻器等。遠程站數(shù)目少的為兩處；最多的為氧槍傾動系統(tǒng)，有三路PROFIBUS-DP總線，共計三十余處遠程站。

                                          圖1   控制系統(tǒng)示意圖

3 自動化系統(tǒng)

3.1 一級自動化主要功能

    （1）氧槍傾動系統(tǒng)。爐體傾動功能完成，是由PLC控制四臺變頻器驅(qū)動四臺75kw交流籠型電機，通過減速機，使轉(zhuǎn)爐可以360度旋轉(zhuǎn)；電動機端部均裝有測速編碼器，反饋轉(zhuǎn)速給變頻器，構(gòu)成閉環(huán)控制；為保證四臺電機轉(zhuǎn)矩同步，四臺變頻器組成SIMOLINK環(huán)，由一號或二號為主；四臺電機平時全部投用，但允許使用三臺工作，這樣當一臺設(shè)備有故障時，生產(chǎn)不受影響；四臺抱閘液壓推桿裝置由變頻器控制打開，保證制動功能可靠；轉(zhuǎn)爐耳軸處裝有角度編碼器，實時給出爐體角度，其值可通過0度機械限位來校正，編碼器使用圖爾克的終端設(shè)備，作為一個遠程站在DP網(wǎng)上。

    氧槍有橫移和升降運動功能；氧槍的高度檢測與控制是轉(zhuǎn)爐設(shè)備的核心，有三套裝置：編碼器、凸輪開關(guān)和機械限位；凸輪開關(guān)使用不便，每次換繩都需調(diào)整，而調(diào)整過程又比較繁雜，所以通常使用編碼器控制，它不僅可靠、使用方便，還能給出連續(xù)量變化的高度值；氧槍編碼器使用圖爾克的終端設(shè)備，作為一個遠程站在DP網(wǎng)上，在STEP7程序中設(shè)計，可使用機械限位對其進行校正；氧槍升降電機為一臺75kw交流電機，由一臺西門子變頻器驅(qū)動，同樣裝有測速編碼器；氧槍升降電機的抱閘控制更嚴格，必須給出預(yù)轉(zhuǎn)矩后才能打開。

    電氣連鎖，首先是爐體傾動與氧槍高度的連鎖，氧槍在爐內(nèi)絕對是禁止搖爐的；同樣爐體是否垂直也限制氧槍是否可以下降。氧槍下降至開氧點，氧氣閥門即自動打開，選擇濺渣模式時氧槍到達開氮點，氮氣閥門就自動打開；當生產(chǎn)條件不滿足時，氧槍不能下降。條件包括電氣條件和工藝條件：電氣條件是設(shè)備本身是否上電是否正常等；工藝條件就比較多，如氣體壓力、流量，煙道、氧槍的冷卻水是否正常，鋼絲繩是否正常，煙氣風機等；在冶煉過程中如果出現(xiàn)異常情況，PLC程序內(nèi)有緊急提槍功能，保證人身及設(shè)備安全。

    （2）頂?shù)讖?fù)吹系統(tǒng)。此系統(tǒng)PLC（遠程站）有大量模擬量模板，檢測各氣體、液體流量壓力等，給出正常信號；收到傾動PLC給出的生產(chǎn)指令后，打開相應(yīng)閥門。頂吹即氧槍的氣體閥門、水閥門等的控制，底吹是指爐底接有六個支管，吹出氬氣或氮氣保證冶煉時充分攪拌。

    （3）汽化系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐冶煉時產(chǎn)生大量煙氣，由汽化除塵系統(tǒng)設(shè)備除去。有一文、二文、汽包、除氧器，電氣主要是六臺供水泵和循環(huán)泵使用有兩臺西門子變頻器、四臺軟啟動設(shè)備，其它為眾多閥門如等處閥門，閥門使用常規(guī)電氣控制；終端為6kv一次風機兩臺一用一備。二次除塵系統(tǒng)與汽化系統(tǒng)不同的是，它主要除去來自上料、投料、爐口等處的灰塵，沒有有害氣體，有一臺2000kw風機，有布袋除塵器設(shè)備。

3.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

    交換機使用西門子產(chǎn)品OSM TP62，可以連接六個以太網(wǎng)口，兩個光纖口，光纖連接可達3000米，多個OSM最遠距離150公里，可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并可輸出報警。根據(jù)技術(shù)資料，含有50個OSM的以太環(huán)網(wǎng)，當冗余管理器檢測到兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)斷線時，它重建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時間不大于0.3秒；使用交換機的port7和port8兩個光纖口，連接成環(huán)網(wǎng)，同時把某一個OSM設(shè)置為冗余管理器，實現(xiàn)了冗余控制。

    PLC機架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 連接工業(yè)以太網(wǎng)的模板，支持多種協(xié)議的通訊，工作穩(wěn)定可靠，根據(jù)技術(shù)資料可最多連接48個s7連接或最多64個TCP連接等。

    在各個Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，PLC為主站，從站為遠程IO站操作箱、變頻器、編碼器等。設(shè)計原則是充分利用分布式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)靈活、方便、節(jié)約資金的優(yōu)點，同時盡量避免其缺點，那就是在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)通訊故障易導(dǎo)致相當多一部分設(shè)備不能工作。

3.3 MMI（人機界面）系統(tǒng)與OPC服務(wù)器

    一級自動化級的MMI為五臺工業(yè)PC機，工控機上使用CP1613或普通以太網(wǎng)卡，安裝WINCC監(jiān)控軟件。操作人員通過畫面輸入有關(guān)工藝操作數(shù)據(jù)，向PLC下達控制命令。另外，MMI通過PLC可采集生產(chǎn)過程中的各種檢測數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)文件或生產(chǎn)流程圖等形式在CRT上顯示，用于監(jiān)視生產(chǎn)過程和設(shè)備運行狀態(tài)，還可對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行報表打印和事故報警打印，存儲主要工藝參數(shù)的歷史趨勢圖等功能。

    Opc服務(wù)器安裝simatic net軟件，通過網(wǎng)絡(luò)讀取PLC中變量信息，再用VC做成第三方軟件實現(xiàn)監(jiān)控和報表功能的功能，完成物流跟蹤。可同時安裝另一塊網(wǎng)卡連接辦公網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的發(fā)布與交換。

4 系統(tǒng)改進

    安鋼100噸轉(zhuǎn)爐自控系統(tǒng)技術(shù)先進，達到了國際90年代先進水平，但有部分設(shè)計不合理，運行不平穩(wěn)，電氣設(shè)備故障時有發(fā)生。為此經(jīng)過摸索實踐，進行了改進。主要有：

    （1）現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng)改造。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，而設(shè)計現(xiàn)場總線過長，容易造成現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通訊故障。通過增加CP443-5模板,優(yōu)化、分散所帶通訊節(jié)點，或把關(guān)鍵站點如搖爐操作臺、傾動變頻器、編碼器等單獨列出，以達到保證關(guān)鍵設(shè)備可靠使用的目的；對個別操作箱由于設(shè)計安裝位置不合理，環(huán)境溫度高，粉塵大，容易造成圖爾克模板損壞的問題，根據(jù)實際情況進行了移位整改。改造完成以后，現(xiàn)場總線減少了長度，布局也更合理，同時加強了線路的防護，大大減少了故障率。

    （2）完善張力控制功能，改造提升系統(tǒng)抱閘。

    當氧槍運行時，如鋼絲繩張力≥4.2噸或張力≤0.8噸時,氧槍自動停止，檢查氧槍系統(tǒng)沒有問題并且進行復(fù)位后，氧槍才能操作運行。但復(fù)位后如果張力仍未恢復(fù)正常，只能運行10秒時間；而且張力異常時，我們采取的是自動封鎖氧槍變頻器輸出而不是斷電保護。

    轉(zhuǎn)爐氧槍提升系統(tǒng)抱閘原設(shè)計為單個液壓抱閘，在使用過程中易出現(xiàn)因液壓抱閘磨損或調(diào)整不到位等因素而發(fā)生下滑溜槍現(xiàn)象，改造方案是增加一套液壓抱閘，但控制系統(tǒng)仍由原來一套控制系統(tǒng)完成，這樣可以動作同步并且安全可靠。

    （3）其他。經(jīng)過一段時間運行，根據(jù)需要，我們對系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要是WINCC項目進行了完善，增加了一些監(jiān)控畫面和趨勢畫面，方便了生產(chǎn)和維護人員；另外根據(jù)生產(chǎn)管理的需要，進行了氧槍吹煉耗氧、耗氮、底吹氬、散裝料等的計量功能完善，為目標成本管理提供了準確的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

    該自動控制系統(tǒng)投運以后，提高了生產(chǎn)效率，大大降低了工人勞動強度，提高了產(chǎn)品實物質(zhì)量，特別是我們針對其運行中的缺陷進行改造以后，更加提高了設(shè)備作業(yè)率，降低了熱停時間，為年產(chǎn)150萬噸奠定了良好的設(shè)備基礎(chǔ)。 

    其它作者：

    王嵐瀟（1975-），安陽鋼鐵集團公司第一煉軋廠電氣工程師，從事電氣設(shè)備維護、維修工作。