PLC在转炉电气控制系统中的应用及改进

作者：王岚潇 李明 刘宇飞

欢迎访问e展厅 展厅 1 炼钢炉/冶金机械展厅 连铸机, 轧钢机, 熔炼炉, 水冷套, 电炉铁芯, ... 摘要：介绍安钢100t转炉自动控制系统的设计及控制系统的配置和功能，对于系统运行中出现的不能满足生产和工艺要求的问题，提出了改进和优化措施。 关键词：转炉；底吹；氮封；事故提升；应用及改进 引言 安钢100t转炉2004年3月26日投产，年设计生产能力120万t，面对生产任务及工艺的要求，此转炉存在的问题在生产中逐渐暴露出来。经过控制系统硬件上的改造和软件上的优化控制、功能完善和补充，其稳定性和实行性都比以前要更先进一步，并且设备维护也更加简单方便。 1 电气自动化控制系统的组成及原理 1.1 转炉本体控制系统设备组成 转炉系统由6台S7-400 PLC组成主干环网，使用CP443-1模板、4台OSM、光纤与双绞线等设备，建立工业以太网网络；6台PLC分别为复吹、氧枪倾动、汽化系统、上料系统、投料系统和二次除尘系统。 操作员站、工程师站、OPC服务器等计算机通过以太网卡、CP1613等连接至OSM上，安装有STEP7、WINCC等软件。 现场总线为Profibus-DP网络，由PLC Dp口（CPU 416-2 DP）、CP443-5 Ext、图尔克远程站模板构建.6个系统有各自的DP网络，远程站为各现场操作箱、接线箱、变频器等。远程站数目少的为2处，最多的为氧枪倾动系统，有,3路Profibus-DP总线，共计三十余处远程站。 控制系统设备组成如图1所示。 1.2电气控制系统的主要功能 1.2.1氧枪倾动系统 炉体倾动功能完成：由PLC控制4台变频器驱动4台75kW交流笼型电机，通过减速机，使转炉可以360°旋转；电动机端部均装有测速编码器，反馈转速给变频器，构成闭环控制；为保证4台电机转矩同步，4台变频器组成SIMOLINK环，由一号或二号为主；4台电机平时全部投用，但允许使用3台工作，这样当一台设备有故障时，生产不受影响；4台抱闸液压推杆装置由变频器控制打开，保证制动功能可靠；转炉耳轴处装有角度编码器，实时给出炉体角度，其值可通过0°机械限位来校正。 氧枪有横移和升降运动功能。氧枪的高度检测与控制是转炉设备的核心，有3套装置：编码器、凸轮开关和机械限位。凸轮开关使用不便，每次换绳都需调整，而调整过程又比较繁杂，所以通常使用编码器控制，它不仅可靠、使用方便，还能给出连续量变化的高度值。氧枪编码器使用图尔克的终端设备，作为一个远程站在DP网上，在STEP7程序中设计，可使用机械限位对其进行校正。氧枪升降电机为一台75kW交流电机，由一台西门子变频器驱动，同样装有测速编码器，氧枪升降电机的抱闸控制更严格，必须给出预转矩后才能打开。 1.2.2顶底复吹系统 此系统PLC（远程站）有大量模拟量模板，检测各气体、液体流量压力等，给出正常信号。收到倾动PLC给出的生产指令后，打开相应阀门。顶吹即为氧枪的气体阀门、水阀门等的控制；底吹是指炉底接有6个支管，吹出氩气或氮气保证冶炼时充分搅拌。 1.2.3汽化系统、除尘系统 转炉冶炼时产生大量烟气，由汽化除尘系统设备除去，包括一文、二文、汽包、除氧器等。6台供水泵和循环泵使用有2台西门子变频器、4台软启动设备，阀门使用常规电气控制。终端为6kV一次风机两台一用一备。二次除尘系统与汽化系统不同的是，它主要除去来自上料、投料、炉口等处的灰尘，没有有害气体，有一台2000kW风机，有布袋除尘器设备。 1.3网络组成 交换机使用西门子产品OSM TP62，可以连接6个以太网口，2个光纤口，光纤连接可达3000m，可以监视网络状态并输出报警。以太环网含有50个OSM，当冗余管理器检测到两侧网络断线时，它重建网络结构的时间不大于0.3s。使用交换机的port7和port8两个光纤口，连接成环网，同时把某一个OSM设置为冗余管理器，实现冗余控制。 PLC机架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 连接工业以太网的模板，支持多种协议的通信，工作稳定可靠，可最多连接48个s7或64个TCP。 在各个Profibus-DP网络，PLC为主站，从站为远程IO站操作箱、变频器、编码器等等。设计原则是充分利用分布式现场总线网络灵活、方便、节约资金的优点，同时尽量避免其缺点（网络通信故障易导致相当多一部分设备不能工作）。 1.4 HMI系统与OPC服务器 一级自动化级的HMI为5台工业PC机，工控机上使用CP1613或普通以太网卡，安装WINCC监控软件。操作人员通过画面输入有关工艺操作数据，向PLC下达控制命令。另外，HMI通过PLC可采集生产过程中的各种检测数据，并以数据文件或生产流程图等形式在CRT上显示，用于监视生产过程和设备运行状态，还可对生产过程中的数据进行报表打印和事故报警打印，并存储主要工艺参数的历史趋势图。 Opc服务器安装有simatic net软件，通过网络读取PLC中变量信息，再用VC做成第三方软件实现监控和报表功能的功能，完成物流跟踪。可同时安装另一块网卡连接办公网，实现生产信息的发布与交换。 2主要存在问题及改进优化措施 （1）现场总线通信系统的改造。 主PLC机架上增加CP443-5模板,优化、分散所带通信节点，或把关键站点如摇炉操作台、倾动变频器、编码器等单独列出，以达到保证关键设备可靠使用的目的。新增CP443-5模板所带通信节点为地面车辆操作台、变频器和倾动编码器。原兑铁操作台从第一路分离出，编入第二路，这样第二路节点只有6台关键变频器和1个摇炉台，能够保证可靠使用。优化后的通信线路如下： 1路：PLC-5（CPU416-2DP）—出钢操作台（7）—炉后门操作箱FZLC32（11）—出渣操作台（6）—主操作台（4）—卷帘门操作箱FZLC33（12）—炉前门操作箱FZLC31（10）—横移小车操作箱FZLC35（14）—锁定缸操作箱FZLC36（15）—2#氧枪操作箱（9）—2#氧枪编码器（17）—1#氧枪操作箱（8）—1#氧枪编码器（16）。 2路：CP443-5—1#倾动变频器—2#倾动变频器—3#倾动变频器—4#倾动变频器—1#氧枪变频器—2#氧枪变频器—兑铁水操作台（5）。 3路：最右侧CP443-5—（2#氧枪变频柜内接头）—倾动编码器—钢包车变频器—出渣车9CT（61）—钢包车1CT（67）—出渣车7CT（63）—出渣车8CT（62）—钢包车2CT（68） 这样改造的优点：保证主体设备的运行；大大的节约故障排除时间；缩短DP通信线路，有利于信号的传送。 （2）转炉各皮带及加料除尘阀门站通信网络配置改造及优化措施。 转炉二次除尘在辅原料系统、铁合金系统共16个料仓安装有16个除尘阀门，在现场分布8个操作箱，使用了8个远程站，不但站点多、线路长，占用模板通道多，还有可能影响网络前段加料系统正常工作。在生产初期，为了保证正常生产，此部分动作功能没有投用，为满足除尘效果，现场阀门处于常开状态，风机负载加大，电耗居高不下。为此，对整个除尘系统进行了电气控制改造。 首先把现场8个控制箱简化为2个，在现场辅料、合金料处各保留一个电控箱。在控制箱内使用统一的远程/就地切换按钮，把其余操作按钮、指示灯等全部去掉，操作直接通过现场限位点经由PLC通信来完成，在远程站模板上只保留必须的阀门限位点，这样节省了大量I/O通道，原来的多个操作箱得以最大简化。另外，在PLC程序中修改控制功能，设定为完全自动控制，整个除尘系统无需人员操作，当上料车到某个料仓，而且皮带运行确实加料时，其除尘阀门自动打开，而其余15个不用的除尘阀门全部关闭，这样，不但大大提高了风道压力，提升了除尘效果，还大大降低了二次风机2500kW电机的动力电耗。 （3）转炉氧枪提升事故系统的改造。 转炉氧枪提升系统抱闸原设计为单个液压抱闸，在使用过程中易出现因液压抱闸磨损或调整不到位等因素而引发的下滑溜枪现象。改造方案是增加一套液压抱闸，但控制系统仍由原来的控制系统完成，这样动作同步并且安全可靠。增加一套事故提升系统，即在主电机或氧枪变频器及速度编码器出现故障导致氧枪不能提升或溜枪时，生产工可通过开启事故电机来提升氧枪，从而能够保证顺利更换氧枪小车，并且通过事故操作联锁切断氧枪变频器电源，完全避免了恶性事故的发生。此项改造A、B氧枪主要增加设备有：西门子UPS电源控制柜一套；电池柜一套；事故电机（带电磁抱闸）每枪一台。 （4）转炉底吹系统的改造。 底吹系统是炼钢的关键设备，主要由氮气和氩气2个切断阀及6个支管调节阀及自动设定组成。原设计是根据炼钢时间段不同，2个切断阀按PLC程序设定自动打开关闭。随着所炼钢种的增多，这种单一的自动控制模式，不能满足生产工艺的要求，易造成支管堵塞，影响底吹效果，而且氩气浪费相当严重，与低成本运行不符。原系统缺点：氮气氩气切换时间不能控制，固定为吹炼10min后切换，而且在整个搅拌过程中氮气和氩气气体流量设置单一，造成适合的钢种比较单一，而且气体不能充分利用。从PLC程序上入手，重新编写程序，共分4套自动控制模式（A、B、C、D）,操作工可根据钢种分类及冶炼时间段自动选择其中一种模式. 改造完毕后，4种模式对应气体切换的不同时间，A模式为开始吹炼5min后由吹氮气切换为吹氩气，B、C模式分别对应8min和10min切换，而D模式为冶炼期间全程吹氩。不管哪一种模式，在兑铁、倒渣、出钢摇炉期间均使用低流量吹氮，保护气体管路；在冶炼的期间，吹气流量依照吹炼时间不同进行调节，通过与工艺人员的配合、实践，确定分别为每分吹气80m3、50 m3、40 m3；对应炉底的6个不同支管，根据位置的不同，对流量要求进行了优化，对炉底中间的3、4号透气管流量适当开大。 达到的效果：工艺方能够根据钢种不同灵活选择合适的流量设定值与切换时间，在冶炼调铝钢种时还可以全程吹氩，能够发挥顶底复吹转炉的设备优势。这样不仅方便了操作，而且大大降低了低压氮气和氩气的气体消耗，减少了钢水中氮的含量，大大提高了钢水质量。 （5）氮气密封装置的控制改造。 转炉氮封系统分为两大部分，即炉口活动烟罩氮封系统和转炉加料斗及溜管氮封系统。氮气密封装置主要设备为氮气气动切断阀，在转炉冶炼过程中，氮气气动切断阀始终处于打开状态，连续向加料管中吹入氮气。转炉吹氧枪的氧气切断阀与氮气气动切断阀联锁，活动烟罩氮封在冶炼时常开，流量2000 m3/h。加料系统氮封包括3个氮气管路，其中的2个用于加料斗密封，在加料斗打开时氮气阀门打开，防止散装料粉末飘散，防止冶炼时炼钢产生的烟、火上升损坏设备；较大的,1个氮气管路与阀门用于加料斗下部和2个加料溜管的冷却密封，在整个冶炼期间必须保证效果，否则必然损坏溜管。系统工作时氮气流量达6000 m3/h，全天24h工作，耗气量极大。 经工艺人员设备人员的反复推敲试验，将炉口活动烟罩氮封系统的管路整个改为压缩空气密封，大大节省了低压氮气消耗。对于加料系统氮封，由于其溜管必须保持干燥，不能改用压空，于是只能对电气联锁和气体流量进行反复试验与推敲。原阀门联锁为当氧阀打开时开氮封阀门，事实证明，在溅渣期间或是在炼钢间隙等待验样结果时，由于炉口朝上，烟气仍然上涌，容易导致设备损坏，在生产初期曾大量出现溜管和料斗液压缸损坏事故。将PLC程序修改为炉口向上是开氮封，但这样反而增加了氮气消耗，于是在此基础上，准备使用流量调节的方式。整个过程是在节约气体成本与保护设备、节约设备成本之间寻找最佳平衡点，为了不增加设备成本，没有加装调节阀，对氮气管路进行了修改，使工作流量一步步降低到3000 m3/h，在节约大量气体成本的基础上完成设备保护功能，并且有效提高了氮气的使用率，节能效益十分可观。 3 应用效果及前景 100t转炉电气控制系统经过一系列的改造后，生产效率提高，大大降低了一线工人地劳动强度。一些操作画面的改造方便了操作，设计更加合理，对底吹及氮封系统的改进大大节约了氮气，提高了各钢种的质量，为低成本生产创造了良好的设备基础。实践证明，该系统运行比较稳定, 使用效果非常良好,大大减少了转炉因设备故障而热停的次数和时间，保证了工序的通畅和衔接；不仅节约了备件资金，而且事故率的减少和备件消耗降低带来的经济效益显著。底吹系统、氮封系统的改造大大节约了能源，减低了消耗，提高了钢水的质量。

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