武鋼第三煉鋼廠3#轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)

2007年01月11日 13:26:23人氣：1122來源：煙臺(tái)勾股通信技術(shù)有限公司

0 引言
轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，以及工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)監(jiān)控為輔的煉鋼控制技術(shù)?？梢哉f，轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼技術(shù)是理論計(jì)算、專家經(jīng)驗(yàn)和*檢測(cè)手段相結(jié)合的采用計(jì)算機(jī)以及PLC進(jìn)行控制的科學(xué)煉鋼方法，是轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)上又一次重大的革命性進(jìn)步
此項(xiàng)技術(shù)，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(yīng)用。
2004年，為實(shí)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(kuò)建3^#轉(zhuǎn)爐。武漢鋼鐵工程技術(shù)集團(tuán)有限公司計(jì)控公司承接廠3^#轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)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(jì)算機(jī)控制自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。
1 系統(tǒng)總貌
總體上說3^#轉(zhuǎn)爐個(gè)自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)分成兩大部分，即二級(jí)機(jī)系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、級(jí)機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)生產(chǎn)過程的控制和模型的自學(xué)習(xí)，基礎(chǔ)自動(dòng)化則根據(jù)二級(jí)機(jī)的要求，控制本系統(tǒng)中的設(shè)備按指令順序動(dòng)作，同時(shí)將生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)按二級(jí)機(jī)的要求傳到二級(jí)機(jī)
3^#轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼過程的流程如圖1所示。控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。
3^#轉(zhuǎn)爐各PLC的控制功能如下：
（1）PLC3-1 吹氧設(shè)定值，底吹氮、氬設(shè)定值模式認(rèn)控制；氧量時(shí)鐘的計(jì)算；全自動(dòng)煉鋼方式下的吹煉順序控制；氧氣頂吹控制；濺渣護(hù)爐控制；氮、氬底吹及氮?dú)遄詣?dòng)切換控制。

（2）PLC3-2 副槍測(cè)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(shè)定值模式確認(rèn)控制；吹煉模式控制單元；氧槍升降控制；轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制。
（5）PLC3-5 熔劑加料設(shè)定值模式確認(rèn)控制；熔劑稱量及加料控制。
（6）PLC3-6 鋼包氮、氬、底、頂吹及氮?dú)迩袚Q控制；爐后合金稱量及加料控制；吹氬站合金微調(diào)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(dòng)煉鋼技術(shù)在基礎(chǔ)自動(dòng)化上的實(shí)現(xiàn)
3^#轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼在基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)的上要控制環(huán)節(jié)是吹煉模式確認(rèn)和轉(zhuǎn)爐順序控制。
2．1 吹煉模式確認(rèn)
轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主控PLC中，有一個(gè)吹煉模式控制單元，此單元在HMI上：實(shí)現(xiàn)了可視化，方便了操作工的操作?？刂茊卧饕腥蠊δ埽阂皇菙?shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制單元中有若干個(gè)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(dāng)時(shí)的實(shí)際情況選擇是采用二級(jí)機(jī)算計(jì)控制方式還是從歷史數(shù)據(jù)庫中調(diào)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(huì)從二級(jí)機(jī)或PLC中傳遞到一個(gè)專為執(zhí)行吹煉控制而設(shè)計(jì)的吹煉模式工作數(shù)據(jù)庫中，然后再由操作工對(duì)工作數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容進(jìn)行模式確認(rèn)。
吹煉模式工作數(shù)據(jù)庫中主要有氧量時(shí)鐘、氧氣流量設(shè)定值、氮?dú)饬髁吭O(shè)定值、氬氣流量設(shè)定值、氧槍高度設(shè)定值、熔劑材料名、熔劑加入量、副槍測(cè)量降氧量等。而模式確認(rèn)的實(shí)質(zhì)就是由PLC輔助操作工根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行逐一確認(rèn)，在確認(rèn)無誤后，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到相關(guān)PLC（如將氧、氮、氬的流量設(shè)定值給PLC3-1；氧槍高度設(shè)定值給PLC3-4；熔劑設(shè)定值給PLC3-5等），以便執(zhí)行一步煉鋼過程。
在模式確認(rèn)完成后，操作工可以選擇是否將確認(rèn)好的內(nèi)容存入歷史數(shù)據(jù)庫以備今后冶煉同鋼種時(shí)使用。
2．2 吹煉順序控制
3^#轉(zhuǎn)爐的吹煉順序控制分成15個(gè)階段。在主操作HMI上有個(gè)吹煉順序控制菜單，將這15個(gè)階段按功能設(shè)計(jì)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(yù)處理。轉(zhuǎn)爐吹煉模式確認(rèn)后，如果有零階段料，則PLC3-5開始自動(dòng)稱料，完成稱料過程后，自動(dòng)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(rèn)的信號(hào)后，自接生成“零階段稱重結(jié)束信號(hào)”發(fā)給PLC3-1，而PLC3-1則在收到PLC3-5的信號(hào)后，直接產(chǎn)生“熔劑處理已完成”信號(hào)
（2）轉(zhuǎn)爐添加開始。進(jìn)入“轉(zhuǎn)爐添加開始”階段后，PLC3-1將給PL3-3發(fā)送ID風(fēng)機(jī)升速命令，而PLC-3在自動(dòng)完成ID風(fēng)機(jī)升速的工作后，將“風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速”的信號(hào)返回給PLC3-1，完成“轉(zhuǎn)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(rèn)現(xiàn)場(chǎng)已完成向轉(zhuǎn)爐中添加廢鋼的工作后，需要在HMI上點(diǎn)擊“廢鋼添加完成”鍵，使順控進(jìn)入下一階段。
（4）鐵水添加完成。操作工確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)已完成向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐添加完成。當(dāng)系統(tǒng)正常完成“轉(zhuǎn)爐添加開始”、“廢鋼添加完成”和“鐵水添加完成”這3個(gè)階段后，“轉(zhuǎn)爐添加完成”階段即實(shí)現(xiàn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)“轉(zhuǎn)爐添加完成”后，“轉(zhuǎn)爐添加”開始指令將被屏蔽，
（6）吹煉開始。在轉(zhuǎn)爐添加階段完成后，PLC3-1，PLC3-3，PLC3-4，PLC3-5都處于吹煉準(zhǔn)備狀態(tài)，氧氣系統(tǒng)正常，模式確認(rèn)信號(hào)，正常。這時(shí)，HMI上彈出“吹煉開始”鍵，由操作工確認(rèn)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(rèn)為有問題，可以重新進(jìn)行模式確認(rèn)，必要時(shí)可重新執(zhí)行順控的前5個(gè)階段，因?yàn)榇藭r(shí)的“爐次結(jié)束”信號(hào)并沒有取消，而操作工按下“吹煉開始”鍵后，“爐次結(jié)束”信號(hào)隨即消失，此時(shí)系統(tǒng)的順控進(jìn)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(dá)開氧點(diǎn)后，PLC3-1自動(dòng)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(huì)山PLC3-1給PL3C-4發(fā)出緊急提槍指令。
（7）點(diǎn)火。當(dāng)氧槍到達(dá)高度并且氧氣閥已經(jīng)打開后，HMI上彈出“點(diǎn)火”按鈕，操作工必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按下“點(diǎn)火”按鈕，否則系統(tǒng)即會(huì)認(rèn)為出現(xiàn)了故障，從而緊急提槍。
“點(diǎn)火”的作用主要是啟動(dòng)氧量時(shí)鐘，進(jìn)而啟動(dòng)整個(gè)煉鋼進(jìn)程。在氧量時(shí)鐘啟動(dòng)后，PLC3-1中的氧氣系統(tǒng)開始對(duì)吹氧量進(jìn)行累計(jì)，以得到每個(gè)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(gè)爐役的累計(jì)吹氧量等7項(xiàng)指標(biāo)。PLC3-1中的底吹系統(tǒng)根據(jù)吹煉模式中的設(shè)定，依據(jù)氧量時(shí)鐘的變化自動(dòng)進(jìn)行底吹氮?dú)迩袚Q及氮?dú)辶髁吭O(shè)定值的修正。另外，PLC3-1將根據(jù)吹煉模式，依據(jù)氧氣時(shí)鐘動(dòng)態(tài)調(diào)整氧槍的吹煉設(shè)定高度，并通過通信發(fā)給PLC3-4。同時(shí)，PLC3-1還將通過通信將氧量時(shí)鐘傳遞給PLC3-3和PLC3-5。
PLC3-3在收到氧量時(shí)鐘后，將用來控制自動(dòng)煤氣回收的全部過程；PLC3-4收到變化著的氧槍高度設(shè)定值后，及時(shí)對(duì)氧槍高度進(jìn)行調(diào)整；而PLC3-5將根據(jù)氧量時(shí)鐘，自動(dòng)將不同的熔劑料按吹煉模式中的規(guī)定加入轉(zhuǎn)爐中。
在吹煉后期，當(dāng)吹氧量接近進(jìn)行副槍測(cè)量的沒定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行降氧、抬升氧槍位操作，在完成這兩項(xiàng)工作后，通過通信發(fā)送給PLC3-2，允許副槍執(zhí)行測(cè)量工作。在副槍測(cè)量完成后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)人動(dòng)態(tài)煉鋼進(jìn)程。
（8）吹煉停止。在氧量時(shí)鐘達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)修正后的總氧量值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提槍，當(dāng)氧槍到達(dá)工作停放位后，將會(huì)產(chǎn)生“吹煉停止”事件。
（9）吹煉結(jié)束。有“出鋼開始”并且有“吹煉停止”信號(hào)，則生成“吹煉結(jié)束”信號(hào)。
（10）出鋼開始。前面的10個(gè)吹煉順控信號(hào)以及后面的濺渣和爐次信號(hào)都是由PLC3-1生成，兩個(gè)出鋼信號(hào)以及出渣信號(hào)，則是在PLC3-4中產(chǎn)生的。當(dāng)轉(zhuǎn)爐開始出鋼，并且角度編碼器檢測(cè)到轉(zhuǎn)爐已轉(zhuǎn)至出鋼位時(shí)，在PLC3-4中生成“出鋼開始”信號(hào)，并發(fā)給PLC3-1。
（11）出鋼結(jié)束。在出鋼結(jié)束，轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)回零位后，PLC3-4生成“出鋼結(jié)束”信號(hào)，并發(fā)給PLC3-1。
（12）濺渣護(hù)爐。在出鋼結(jié)束后，如果操作工需要進(jìn)行濺渣護(hù)爐，則將轉(zhuǎn)爐工作模式從吹煉方式切換到維護(hù)方式，并且濺渣系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)后，即可進(jìn)行濺渣護(hù)爐。
濺渣護(hù)爐的控制過程類似廠轉(zhuǎn)爐順控，也分子動(dòng)和自動(dòng)兩種。在自動(dòng)方式下，由PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下槍，自動(dòng)開氮，自動(dòng)提槍，自動(dòng)關(guān)氮以及緊急提槍和緊急關(guān)氮等控制。
（13）出渣開始，當(dāng)轉(zhuǎn)爐開始出渣，并旺角度編碼器檢測(cè)到轉(zhuǎn)爐已轉(zhuǎn)至出渣位時(shí)，在PLC3-4中生成“出渣開始”信號(hào)，并發(fā)給PLC3-1。
（14）出渣結(jié)束。在出渣結(jié)束，轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)回零位后，PLC3-4生成“出渣結(jié)束”信號(hào)，并發(fā)給PLC3-1接*版
（15）爐次結(jié)束。在出渣事件已產(chǎn)生，并且“出渣結(jié)束”已生成的情況下，產(chǎn)生“爐次結(jié)束”信號(hào)。
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(dòng)控制方式、半自動(dòng)控制方式、自動(dòng)控制方式和計(jì)算機(jī)控制方式，這4種控制方式的優(yōu)先級(jí)別是由高到低，自動(dòng)化程度則是由低到高。在正常情況下，操作工總是選擇自動(dòng)化程度高但優(yōu)先級(jí)低的計(jì)算機(jī)操作方式，但在生產(chǎn)過程中，操作工可以根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)換操作方式，原則是只能從優(yōu)先級(jí)低的操作方式向優(yōu)先級(jí)高的操作方式轉(zhuǎn)換。
對(duì)于如此復(fù)雜的全自動(dòng)煉鋼技術(shù)而言，PLC的控制程序必須采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)思想來編寫。首先，針對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)所選用的設(shè)備，統(tǒng)一編制模擬量處理標(biāo)準(zhǔn)功能塊和各種設(shè)備的控制標(biāo)準(zhǔn)功能塊。然后，各PLC根據(jù)自己的設(shè)備控制情況選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊進(jìn)行使用并完成單體設(shè)備的調(diào)試，之后，各PLC按照轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼的總體控制要求，編制各自的自動(dòng)煉鋼順序控制程序。zui后，再在工業(yè)以入網(wǎng)的架構(gòu)下，編制和調(diào)試通信程序和轉(zhuǎn)爐自動(dòng)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(gè)體差異而給各PLC帶來的系統(tǒng)差異，杜絕了同一類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)有機(jī)地融合為一個(gè)整體，也方便了維護(hù)人員對(duì)各控制系統(tǒng)的掌握。
另外，各PLC的程序按照樹狀結(jié)構(gòu)編寫，以增強(qiáng)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(gè)PLC所對(duì)應(yīng)的工藝控制順序和設(shè)備種類，存放工藝控制功能和設(shè)備控制功能，再在各功能中，調(diào)用執(zhí)行各個(gè)工藝或設(shè)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(shè)備控制數(shù)據(jù)，這樣做的好處是即使在出現(xiàn)故障導(dǎo)致PLC死機(jī)時(shí)，也能根據(jù)數(shù)據(jù)塊中記錄的在PLC死機(jī)前的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，方便地查找造成系統(tǒng)死機(jī)的故障點(diǎn)。
3^#轉(zhuǎn)爐PLC程序結(jié)構(gòu)還有一個(gè)顯著特點(diǎn)是所有的程序都是采用語句表（STL）的形式編寫，而且大量運(yùn)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(jì)算機(jī)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(duì)于轉(zhuǎn)爐門動(dòng)煉鋼這樣一個(gè)復(fù)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(jìn)行間接或變量尋址，雖然在編程和調(diào)試過程中比較困難，但實(shí)踐證明，這樣的程序較簡(jiǎn)單，比使用邏輯指令完成的程序具有更高的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制性，不容易出現(xiàn)一些隨機(jī)的小故障。
3 結(jié)束語
武鋼三煉鋼廠3#轉(zhuǎn)爐于2005年4月投產(chǎn)，投產(chǎn)的第1爐鋼就使用了自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)，并且連續(xù)煉鋼11爐，創(chuàng)造廠投產(chǎn)當(dāng)班即達(dá)產(chǎn)的新水平。從投產(chǎn)至今，3^#轉(zhuǎn)爐每天保持30爐左右的生產(chǎn)能力，計(jì)算機(jī)的投運(yùn)率在95％以上，副槍雙命中率也超過90％，*達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，確保了武鋼年產(chǎn)鋼能力過千萬噸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
3^#轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)，年多來，自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過因自動(dòng)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(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)形勢(shì)，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(zhuǎn)爐依靠*的全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)，順利完成了公司下達(dá)的各項(xiàng)計(jì)劃，鋼水合格率一直控制在三煉鋼廠內(nèi)控指標(biāo)以內(nèi)。
實(shí)踐證明，3^#轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)是一項(xiàng)成熟而穩(wěn)定的煉鋼技術(shù)，它的成功使用，說明我們已經(jīng)*掌握了自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)，相信它一定會(huì)有更廣泛的使用前景。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)角度編碼器編碼器過程控制自動(dòng)控制系統(tǒng)

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