摘要：文章描述了濟(jì)鋼煉鋼廠120T轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化和傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，著重介紹了基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)電氣、儀表、計(jì)算機(jī)（EIC）控制及網(wǎng)絡(luò)通訊一體化和傳動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性、精確性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)，并描述了系統(tǒng)有利于穩(wěn)定生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；基礎(chǔ)自動(dòng)化；現(xiàn)場(chǎng)總線；交換機(jī)；主傳動(dòng)

      濟(jì)鋼股份有限公司煉鋼廠有三座120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—1#、2#、3#轉(zhuǎn)爐。整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置達(dá)到當(dāng)今國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，電氣、儀表、計(jì)算機(jī)（EIC）控制一體化，具有方便、快捷和友好的人機(jī)操作界面（HMI），EIC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊一體化，具有高速、大容量和開(kāi)放的技術(shù)性能。下面就從基礎(chǔ)自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)兩方面介紹濟(jì)鋼煉鋼廠120t轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1、  基礎(chǔ)自動(dòng)化

      轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)主要包括HMI操作站、PLC、儀表、變頻器和現(xiàn)場(chǎng)控制箱等。各個(gè)組成部分通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和DeviceNet網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的控制功能。

1、1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

      控制站選用施奈德Quantum PLC系列，CPU選用140CPU系列中高性能的53414CPU，遠(yuǎn)程站采用當(dāng)前先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品（CRP系列模塊），編程軟件使用施奈德 Concept2.6。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)以德國(guó)赫斯曼工業(yè)型光纖交換機(jī)MICE系列為核心構(gòu)成100M高速光纖環(huán)網(wǎng)，各控制PLC通過(guò)NOE以太網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和屏蔽5類(lèi)雙絞線連接到工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上，各站遠(yuǎn)程操作箱，操作臺(tái)以及氧槍、傾動(dòng)、投料變頻器則通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接到其主PLC站上，操作站采用西門(mén)子工業(yè)計(jì)算機(jī)配Win2000+SP3操作系統(tǒng)，HMI監(jiān)控軟件采用施耐德Monitor Pro 7.2，通過(guò)以太網(wǎng)卡、雙絞線與工業(yè)以太網(wǎng)相接。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）  電氣、儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)EIC三電一體化。

（2）  電氣和儀表采用相同的控制設(shè)備，編程及控制統(tǒng)一，且在同一網(wǎng)絡(luò)上，通訊方便，減少了通訊硬件接口，合理分擔(dān)控制功能；電氣和儀表采用相同的操作站，操作簡(jiǎn)化且統(tǒng)一，有利于穩(wěn)定生產(chǎn)。

（3）  遠(yuǎn)程站

     現(xiàn)場(chǎng)操作箱、操作臺(tái)等遠(yuǎn)程站采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，極大地減少了設(shè)計(jì)工作量、電纜施工量等，各箱體通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)方便性。

1、2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其特點(diǎn)

      濟(jì)鋼煉鋼廠1#、2#、3#轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是以德國(guó)赫斯曼工業(yè)型光纖交換機(jī)MICE系列為核心構(gòu)成的100M高速光纖環(huán)網(wǎng)。

      赫斯曼MICE系列交換機(jī)采用靈活的構(gòu)網(wǎng)方式，無(wú)論在控制柜或分散的現(xiàn)場(chǎng)操作箱內(nèi)都可以結(jié)合各種功能達(dá)到特殊的要求。它采用無(wú)風(fēng)扇散熱方式，可以冗余供電，支持HIPER—Ring，達(dá)到了很高的可靠運(yùn)行等級(jí)。模塊化結(jié)構(gòu)是MICE的突出特點(diǎn)之一，它有一個(gè)交換機(jī)和若干個(gè)通訊介質(zhì)模塊組成，交換機(jī)包含除了網(wǎng)絡(luò)接口以外的所有工業(yè)交換機(jī)的功能，而介質(zhì)通訊模塊提供了網(wǎng)絡(luò)的接口功能。這一切可使你按照要求選用設(shè)備，避免了資金浪費(fèi)，模塊化結(jié)構(gòu)也為用戶的投資提供了保障。另外MICE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供多種方法管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：a、通過(guò)V.24串行口連接進(jìn)入MICE提供的用戶界面；b、在網(wǎng)絡(luò)上的任意位置通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)MICE上提供的用戶友好界面；c、集中的使用SNMP管理軟件，如HiVision軟件，訪問(wèn)MICE上的SNMP代理機(jī)構(gòu)。

1、3 控制方式及特點(diǎn)

      轉(zhuǎn)爐PLC系統(tǒng)共有15套，按每轉(zhuǎn)爐、公用系統(tǒng)分開(kāi)的原則設(shè)置，以保證一座轉(zhuǎn)爐檢修或故障情況下不影響其他轉(zhuǎn)爐正常運(yùn)行。

      單體設(shè)備的基本運(yùn)轉(zhuǎn)分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式，操作場(chǎng)所分為中央、現(xiàn)場(chǎng)兩種選擇。系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)分為計(jì)算機(jī)、自動(dòng)、手動(dòng)三種方式，操作場(chǎng)所固定于中央。在“計(jì)算機(jī)”方式下PLC接受L2級(jí)計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括氧氣流量、底吹氣體種類(lèi)及流量、氧槍高度、副原料種類(lèi)及重量；在“自動(dòng)”方式下，PLC根據(jù)內(nèi)部保存的初設(shè)計(jì)劃模式自動(dòng)進(jìn)行煉鋼；在“手動(dòng)”方式下，PLC根據(jù)人工設(shè)定數(shù)據(jù)控制煉鋼生產(chǎn)。

      根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，中央控制室操作站CRT的數(shù)量每爐配置3臺(tái)。在正常操作時(shí)，3臺(tái)CRT分擔(dān)的監(jiān)控內(nèi)容有所區(qū)別，但在異常情況下可以互為備用，甚至用一臺(tái)CRT也可以完成吹煉作業(yè)。主要監(jiān)控內(nèi)容有頂?shù)讖?fù)吹、氧槍傾動(dòng)、副原料和鐵合金投料、氣化冷卻煙氣凈化、一次除塵、二次除塵等。在系統(tǒng)上料操作室、風(fēng)機(jī)房操作室和二次除塵操作室分別設(shè)立操作站，監(jiān)視各自的設(shè)備。為安全起見(jiàn)，防止誤操作，各轉(zhuǎn)爐操作站設(shè)計(jì)成專用形式，即本爐操作站只能操作本爐設(shè)備，不能控制其他轉(zhuǎn)爐設(shè)備，但公用設(shè)備除副原料上料系統(tǒng)外在各爐均可操作。

      設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)操作及監(jiān)視基本上通過(guò)主控室的操作站畫(huà)面完成，為了生產(chǎn)的安全性和方便性，設(shè)置了硬件操作臺(tái)，上面設(shè)有必要的操作開(kāi)關(guān)、操作按鈕、數(shù)據(jù)顯示及關(guān)鍵設(shè)備的緊急停止按鈕等。

      PLC軟件的開(kāi)發(fā)采用了模塊化的方式，在編程前規(guī)劃好PLC的內(nèi)存和數(shù)據(jù)塊，劃分站間通訊數(shù)據(jù)區(qū)及HMI顯示數(shù)據(jù)區(qū)；不同類(lèi)型的程序采用不同的組織塊調(diào)用，吹煉時(shí)鐘、流量累加、PID調(diào)節(jié)采用定周期調(diào)用；根據(jù)工藝特點(diǎn)，采用多種編程邏輯、如對(duì)過(guò)程級(jí)數(shù)據(jù)處理采用語(yǔ)句表編程，對(duì)底吹控制采用順序功能圖編程等；對(duì)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行安全處理，如對(duì)設(shè)定數(shù)據(jù)的合理性檢驗(yàn)、變化速率的約束等。

      在控制功能上，實(shí)現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)”方式下的全程自動(dòng)化煉鋼，該系統(tǒng)具有以下主要功能和特點(diǎn)：

（1）  副原料、鐵合金上料的優(yōu)先順位控制。根據(jù)“料倉(cāng)組合設(shè)定表”中規(guī)定的優(yōu)先順序輸送，而不是根據(jù)料空的順序輸送，以滿足轉(zhuǎn)爐工藝的控制要求。

（2）  爐頂料倉(cāng)的在庫(kù)量管理。根據(jù)爐頂料位計(jì)、料位開(kāi)關(guān)和上料皮帶秤信號(hào)計(jì)算爐頂料倉(cāng)的在庫(kù)量，并對(duì)落差量進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

（3）  吹煉的狀態(tài)遷移控制。根據(jù)吹煉計(jì)劃表和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)控制氧氣流量、底吹氣體種類(lèi)和流量、氧槍槍位、副槍測(cè)量、副原料種類(lèi)和投入量。

（4）  汽包水位的自動(dòng)控制。根據(jù)吹煉時(shí)期對(duì)鍋爐汽包水位實(shí)行三沖量或單沖量調(diào)節(jié)。

（5）  氧槍和傾動(dòng)系統(tǒng)采用交流傳動(dòng)控制，配置緊急后備電源。在緊急情況下，保證設(shè)備的安全性。

（6）  副槍系統(tǒng)也采用交流傳動(dòng)控制，配置緊急后備電源，數(shù)據(jù)處理采用DIRC-5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有測(cè)量、定碳、定氧，可使用TSO定氧探頭進(jìn)行液面的測(cè)量計(jì)算。

2、電氣傳動(dòng)控制

      煉鋼系統(tǒng)是鋼鐵廠的中心環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降電氣傳動(dòng)設(shè)備的控制有為重要，它與吹氧系統(tǒng)有著最直接的聯(lián)系，電氣設(shè)備的控制速度與定位精度直接影響到冶煉周期和吹氧效率，因此如何控制轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)設(shè)備以及如何自動(dòng)快速精確地進(jìn)行氧槍、副槍位置控制成為提高鋼產(chǎn)量及質(zhì)量的關(guān)鍵。

2、1轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置電氣傳動(dòng)及控制方式

      電氣傳動(dòng)一般可采用公共支流母線和單獨(dú)一對(duì)一傳動(dòng)兩種形式，而采用單獨(dú)一對(duì)一傳動(dòng)形式從調(diào)速性和可靠性等方面均具有優(yōu)越性。濟(jì)鋼三煉鋼1、2、3#轉(zhuǎn)爐采用的是單獨(dú)一對(duì)一傳動(dòng)控制方式，變頻器選用西門(mén)子SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。該裝置的控制功能有：帶編碼器的矢量控制應(yīng)用于需要高度精確轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；無(wú)編碼器的矢量控制在水泵、風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單應(yīng)用和U/f控制。

      4臺(tái)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電機(jī)同軸剛性連接，如果4臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，縮短電機(jī)使用壽命。因此必須解決4臺(tái)電機(jī)負(fù)荷平衡問(wèn)題。采用一對(duì)一傳動(dòng)方式，可在傳動(dòng)裝置上設(shè)置“主-從”方式，確定主傳動(dòng)裝置，通過(guò)脈沖編碼器引入速度反饋信號(hào)，設(shè)置公用的調(diào)速調(diào)節(jié)器，將主傳動(dòng)的電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)同時(shí)輸出到三臺(tái)從裝置的電流調(diào)節(jié)器中，由于電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)是相同的，其輸出也相同，故4臺(tái)電動(dòng)機(jī)可保證在等同的負(fù)荷下運(yùn)行，從而保證了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的平穩(wěn)性和負(fù)荷均衡性。

      4臺(tái)變頻器與主PLC之間通過(guò)DeviceNet網(wǎng)連接，每臺(tái)變頻器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受控制指令和速度給定，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳送給主PLC；4臺(tái)變頻器通過(guò)SIMOLINK光纖網(wǎng)連接成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“一主三從”的控制思想，完成主/從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。

2、2氧槍的電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)控制

2、2、1電氣傳動(dòng)

      每組轉(zhuǎn)爐設(shè)備有2套氧槍升降機(jī)構(gòu)（A槍和B槍），配備2套變頻控制柜（A槍控制柜和B槍控制柜）和一套制動(dòng)控制柜，一套作為工作槍，另一套作為備用槍。變頻器選用SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。

      傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是“對(duì)應(yīng)”控制方式，即A槍變頻器控制A槍電機(jī)，B槍變頻器控制B槍電機(jī)。1、2、3#轉(zhuǎn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中，兩套氧槍裝置增加了“交換”控制方式，即：當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)置于“對(duì)應(yīng)”控制時(shí)，還是A槍變頻器控制A槍電機(jī)，B槍變頻器控制B槍電機(jī)；而當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)置于“交換”控制時(shí)，在不進(jìn)行臺(tái)車(chē)交換情況下，就可完成A槍變頻器控制B槍電機(jī)，而B(niǎo)槍變頻器控制A槍電機(jī)。

      氧槍“交換”控制技術(shù)是一種全新的控制技術(shù)。正常生產(chǎn)中，兩只氧槍的變頻器、升降電機(jī)可以做到互為備用。其鮮明的特點(diǎn)有：機(jī)械故障時(shí)，在臺(tái)車(chē)不移動(dòng)的情況下，可以通過(guò)電氣快速切換氧槍；電氣故障時(shí)，在不更換變頻器、臺(tái)車(chē)不移動(dòng)的情況下，可以快速實(shí)現(xiàn)氧槍的正?？刂啤?/p>

      另外,在氧槍制動(dòng)控制上，完善了氧槍電機(jī)的抱閘控制，實(shí)現(xiàn)了變頻器合/分閘、PLC程序輸出、變頻器本身輸出三點(diǎn)連鎖控制抱閘，使制動(dòng)控制技術(shù)更加完善，系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定及可靠。主要特點(diǎn)有：當(dāng)變頻器因故跳閘后，制動(dòng)輸出自動(dòng)實(shí)現(xiàn)抱閘，確保了設(shè)備的安全；當(dāng)PLC故障時(shí)，無(wú)論變頻器工作在什么狀態(tài)，制動(dòng)輸出都處于抱閘狀態(tài)，絕對(duì)保證設(shè)備不失控，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。正常生產(chǎn)過(guò)程中，因變頻器內(nèi)部或外部線路原因造成了變頻器不能正常工作和控制輸出，可通過(guò)PLC輸出完成電機(jī)的抱閘，保證了系統(tǒng)、設(shè)備的安全、可靠與穩(wěn)定。

2、2、2氧槍的自動(dòng)控制

      氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制中，氧槍高度的正確與否是一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。采用先進(jìn)的吹氧自動(dòng)控制槍位技術(shù)對(duì)氧槍的吹煉點(diǎn)進(jìn)行控制，可使氧槍準(zhǔn)確的停止在工藝操作要求的位置上，其定位的精度相當(dāng)高，從而更好的保證了煉鋼過(guò)程計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。副槍作為另一種重要設(shè)備，在氧槍下槍吹煉前測(cè)量液面高度，在吹煉周期中測(cè)溫取樣，其同樣對(duì)速度、位置控制有嚴(yán)格的要求。他們的高度位置控制基本是相同的，下面以氧槍為例，著重列舉其控制特點(diǎn)。

（1）位置控制

     氧槍上下移動(dòng)的距離通過(guò)與電動(dòng)轉(zhuǎn)筒同軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)絕對(duì)編碼器來(lái)計(jì)測(cè)，即把垂直的位置量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。正常生產(chǎn)中，以其中的一個(gè)為主，另一個(gè)絕對(duì)編碼器與之比較作為校準(zhǔn)信號(hào)，偏差超出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警，過(guò)大時(shí)急停。

     氧槍在多次上下移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性數(shù)字無(wú)差級(jí)編碼器數(shù)值換算時(shí)的累積誤差，如不加以修正則會(huì)發(fā)生氧槍檢測(cè)位置與實(shí)際位置的偏差。為解決這一難題，可在氧槍的換槍位設(shè)置校正點(diǎn)。動(dòng)作周期大體如下：預(yù)先將槍位的高度實(shí)際值存入主PLC內(nèi)存中；氧槍每次換槍提到換槍位時(shí)該信號(hào)讀入PLC中，使此時(shí)氧槍實(shí)際高度檢測(cè)記憶值強(qiáng)制性修改。

（2）自動(dòng)快速定位控制

     現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍在吹氧過(guò)程中是根據(jù)吹氧量的不同而自動(dòng)調(diào)整槍位的。吹煉過(guò)程中氧槍調(diào)整槍位的速度將直接影響到冶煉周期和鋼的質(zhì)量，因此希望氧槍能以最快的速度準(zhǔn)確停止在指定位置。

      為了解決這一問(wèn)題，控制時(shí)可采用位置閉環(huán)系統(tǒng)，將氧槍設(shè)定位置與實(shí)際位置的偏差值作為控制信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)控制傳動(dòng)裝置的速度指令。為縮短氧槍上升與下降時(shí)間，在設(shè)定值與實(shí)際偏差較大時(shí)，以較大速度運(yùn)行，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際偏差越來(lái)越小達(dá)到設(shè)定范圍時(shí)，控制速度給定按照預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線減小，最終使氧槍準(zhǔn)確停止在所要求的位置上。

3、結(jié)束語(yǔ)

      通過(guò)對(duì)國(guó)外煉鋼廠自動(dòng)化技術(shù)的消化移植，結(jié)合濟(jì)鋼煉鋼廠當(dāng)前的具體情況及工藝要求，采用當(dāng)代先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備而開(kāi)發(fā)的1、2、3#轉(zhuǎn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)使?jié)摕掍搹S轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制和生產(chǎn)管理水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階，滿足了今后生產(chǎn)和新技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)管理和信息管理的需要。