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李明 （1982-）

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

摘要：本文介紹了安鋼100噸轉(zhuǎn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了一級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的配置和功能，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了改進(jìn)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(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)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(jī)——中板軋機(jī)，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(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)（一、二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)），對(duì)煉鋼生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制和過(guò)程控制，同時(shí)對(duì)冶煉和精煉過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)鋼種的最佳工藝控制。

2 系統(tǒng)組成

    轉(zhuǎn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)自動(dòng)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(duì)設(shè)備的控制、計(jì)算、聯(lián)鎖等功能，同時(shí)在各個(gè)控制站設(shè)有人機(jī)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(tái)S7-400 PLC組成主干環(huán)網(wǎng)，使用CP443-1模板、四臺(tái)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(tái)PLC分別為復(fù)吹、氧槍傾動(dòng)、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(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡、CP1613等連接至OSM上，安裝有STEP7、WINCC等軟件。

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

                                          圖1   控制系統(tǒng)示意圖

3 自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 一級(jí)自動(dòng)化主要功能

    （1）氧槍傾動(dòng)系統(tǒng)。爐體傾動(dòng)功能完成，是由PLC控制四臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)四臺(tái)75kw交流籠型電機(jī)，通過(guò)減速機(jī)，使轉(zhuǎn)爐可以360度旋轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)端部均裝有測(cè)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(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩同步，四臺(tái)變頻器組成SIMOLINK環(huán)，由一號(hào)或二號(hào)為主；四臺(tái)電機(jī)平時(shí)全部投用，但允許使用三臺(tái)工作，這樣當(dāng)一臺(tái)設(shè)備有故障時(shí)，生產(chǎn)不受影響；四臺(tái)抱閘液壓推桿裝置由變頻器控制打開(kāi)，保證制動(dòng)功能可靠；轉(zhuǎn)爐耳軸處裝有角度編碼器，實(shí)時(shí)給出爐體角度，其值可通過(guò)0度機(jī)械限位來(lái)校正，編碼器使用圖爾克的終端設(shè)備，作為一個(gè)遠(yuǎn)程站在DP網(wǎng)上。

    氧槍有橫移和升降運(yùn)動(dòng)功能；氧槍的高度檢測(cè)與控制是轉(zhuǎn)爐設(shè)備的核心，有三套裝置：編碼器、凸輪開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位；凸輪開(kāi)關(guān)使用不便，每次換繩都需調(diào)整，而調(diào)整過(guò)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(gè)遠(yuǎn)程站在DP網(wǎng)上，在STEP7程序中設(shè)計(jì)，可使用機(jī)械限位對(duì)其進(jìn)行校正；氧槍升降電機(jī)為一臺(tái)75kw交流電機(jī)，由一臺(tái)西門子變頻器驅(qū)動(dòng)，同樣裝有測(cè)速編碼器；氧槍升降電機(jī)的抱閘控制更嚴(yán)格，必須給出預(yù)轉(zhuǎn)矩后才能打開(kāi)。

    電氣連鎖，首先是爐體傾動(dòng)與氧槍高度的連鎖，氧槍在爐內(nèi)絕對(duì)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(kāi)氧點(diǎn)，氧氣閥門即自動(dòng)打開(kāi)，選擇濺渣模式時(shí)氧槍到達(dá)開(kāi)氮點(diǎn)，氮?dú)忾y門就自動(dòng)打開(kāi)；當(dāng)生產(chǎn)條件不滿足時(shí)，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(fēng)機(jī)等；在冶煉過(guò)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(yuǎn)程站）有大量模擬量模板，檢測(cè)各氣體、液體流量壓力等，給出正常信號(hào)；收到傾動(dòng)PLC給出的生產(chǎn)指令后，打開(kāi)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(gè)支管，吹出氬氣或氮?dú)獗ＷC冶煉時(shí)充分?jǐn)嚢琛?BR>
    （3）汽化系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)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(tái)供水泵和循環(huán)泵使用有兩臺(tái)西門子變頻器、四臺(tái)軟啟動(dòng)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(fēng)機(jī)兩臺(tái)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(lái)自上料、投料、爐口等處的灰塵，沒(méi)有有害氣體，有一臺(tái)2000kw風(fēng)機(jī)，有布袋除塵器設(shè)備。

3.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

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

    PLC機(jī)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(gè)s7連接或最多64個(gè)TCP連接等。

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

3.3 MMI（人機(jī)界面）系統(tǒng)與OPC服務(wù)器

    一級(jí)自動(dòng)化級(jí)的MMI為五臺(tái)工業(yè)PC機(jī)，工控機(jī)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(guò)畫面輸入有關(guān)工藝操作數(shù)據(jù)，向PLC下達(dá)控制命令。另外，MMI通過(guò)PLC可采集生產(chǎn)過(guò)程中的各種檢測(cè)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(guò)程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印和事故報(bào)警打印，存儲(chǔ)主要工藝參數(shù)的歷史趨勢(shì)圖等功能。

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

4 系統(tǒng)改進(jìn)

    安鋼100噸轉(zhuǎn)爐自控系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，達(dá)到了國(guó)際90年代先進(jìn)水平，但有部分設(shè)計(jì)不合理，運(yùn)行不平穩(wěn)，電氣設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生。為此經(jīng)過(guò)摸索實(shí)踐，進(jìn)行了改進(jìn)。主要有：

    （1）現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)改造。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，而設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)長(zhǎng)，容易造成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的通訊故障。通過(guò)增加CP443-5模板,優(yōu)化、分散所帶通訊節(jié)點(diǎn)，或把關(guān)鍵站點(diǎn)如搖爐操作臺(tái)、傾動(dòng)變頻器、編碼器等單獨(dú)列出，以達(dá)到保證關(guān)鍵設(shè)備可靠使用的目的；對(duì)個(gè)別操作箱由于設(shè)計(jì)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(wèn)題，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了移位整改。改造完成以后，現(xiàn)場(chǎng)總線減少了長(zhǎng)度，布局也更合理，同時(shí)加強(qiáng)了線路的防護(hù)，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(dāng)氧槍運(yùn)行時(shí)，如鋼絲繩張力≥4.2噸或張力≤0.8噸時(shí),氧槍自動(dòng)停止，檢查氧槍系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題并且進(jìn)行復(fù)位后，氧槍才能操作運(yùn)行。但復(fù)位后如果張力仍未恢復(fù)正常，只能運(yùn)行10秒時(shí)間；而且張力異常時(shí)，我們采取的是自動(dòng)封鎖氧槍變頻器輸出而不是斷電保護(hù)。

    轉(zhuǎn)爐氧槍提升系統(tǒng)抱閘原設(shè)計(jì)為單個(gè)液壓抱閘，在使用過(guò)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(lái)一套控制系統(tǒng)完成，這樣可以動(dòng)作同步并且安全可靠。

    （3）其他。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，根據(jù)需要，我們對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要是WINCC項(xiàng)目進(jìn)行了完善，增加了一些監(jiān)控畫面和趨勢(shì)畫面，方便了生產(chǎn)和維護(hù)人員；另外根據(jù)生產(chǎn)管理的需要，進(jìn)行了氧槍吹煉耗氧、耗氮、底吹氬、散裝料等的計(jì)量功能完善，為目標(biāo)成本管理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

    該自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)以后，提高了生產(chǎn)效率，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，特別是我們針對(duì)其運(yùn)行中的缺陷進(jìn)行改造以后，更加提高了設(shè)備作業(yè)率，降低了熱停時(shí)間，為年產(chǎn)150萬(wàn)噸奠定了良好的設(shè)備基礎(chǔ)。 

    其它作者：

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