本钢转炉自动化控制系统

本钢板材股份有限公司炼钢厂于2004年新建了两座180t顶底复吹转炉——4#、5#转炉。整个自动化控制系统的配置达到当今国内领先水平，电气仪表(EI)控制一体化，具有方便、快捷和非常友好的人机操作界面(HMI)，EI网络数据通讯一体化，具有高速、大容量和开放的技术性能。 1 基础自动化系统 1．1 控制系统结构 控制站采用西门子S7-400PLC系列，CPU选用400系列中高性能的CPU416-2DP，远程站采用当前先进的现场总线产品(TURCK FLDP系列模块)，编程软件使用西门子STEP7 V5.2。数据通讯网络以德国赫斯曼工业型光纤交换机MICE系列为核心构成100M高速光纤环网，各控制PLC通过CP443-1以太网通讯模板和ITP工业双绞电缆连接至工业以太环网上，各站远程操作箱、操作台以及氧枪、倾动、投料变频器则通过PROFIBUS-DP网连接到其主PLC站上，操作站采用工业计算机配中文WIN2000+SP3操作系统，HMI监控软件采用西门子WINCC5.1，通过以太网卡经ITP电缆与工业以太环网相接。 1．2 控制系统的特点 系统具有以下特点： (1)电气、仪表和计算机系统采用网络连接，实现EIC三电一体化。 (2)电气和仪表采用相同的控制设备，编程及控制统一，且挂在同一个网络上，通讯方便，减少了通讯硬件接口，合理分担控制功能；电气和仪表采用相同的操作站，操作简化且统一，有利于稳定生产。 (3)远程站 现场操作箱、操作台等远程站采用工业现场总线产品(TURCK FLDP系列)，极大地减少了设计工作量、电缆施工量等，各箱体通过PROFIBUS-DP网连接，提高系统的可靠性和维护方便性。 1．3 网络通讯 本钢4#5#转炉自动化系统中的数据通讯网络是以德国赫斯曼工业型光纤交换机MICE系列为核心构成的100M高速光纤环网。 赫斯曼MICE系列交换机采用灵活的构网方式，无论在控制柜或分散的现场操作箱内都可以结合各种功能以达到特殊的要求。它采用无风扇散热方式，可以冗余供电，支持HIPER-Ring，达到了很高的可靠运行等级、模块化结构是MICE的突出特点之一，它由一个交换机和若干通讯介质模块组成，交换机包含除了网络接口以外的所有工业交换机的功能，而介质通讯模块提供了网络的接口功能。这一切可使你按照要求选用设备，避免了资金的浪费，模块化结构也为用户的投资提供了保障。另外MICE网络交换机提供多种方法管理网络系统：①通过V.24串行口连接进入MICE提供的用户介面；②在网络上的任意位置通过Web浏览器访问MICE上提供的用户友好介面；③集中地使用SNMP管理软件，如Hi Vision软件，访问MICE上的SNMP代理机构。 1．4 系统控制方式 转炉PLC系统共有15套，按每转炉、公用系统分开的原则设置，以保证一座转炉检修或故障情况下不影响其他转炉正常运行。 单体设备的基本运转分为自动、手动二种方式，操作场所分为中央、现场两种选择：系统的运转分为计算机、自动、手动三种方式，操作场所固定为中央。在“计算机”方式下PLC接受L2计算机模型数据并进行实时控制，包括氧气流量、底吹气体种类及流量、氧枪高度、副原料种类及重量；在“自动”方式下，PLC根据内部保存的吹炼计划模式自动进行炼钢；在“手动”方式下，PLC根据人工设定数据控制炼钢生产。 根据转炉炼钢的生产工艺特点，中央控制室操作站CRT的数量每炉配置3台。在正常操作时，3台CRT分担的监控内容有所区别，但在异常情况下可以互相备用，甚至用1台CRT也可以完成吹炼作业：主要监控内容有顶底复吹、氧枪倾动、副原料和铁合金投料、汽化冷却烟气净化、一次除尘、二次除尘等。在系统上料操作室、风机房操作室和二次除尘操作室分别设立操作站监视各自的设备。为安全起见，防止误操作，各炉操作站设计成专用形式，即本炉操作站只能操作本炉设备，不能控制其他转炉设备，但公用设备除副原料上料系统外在各炉均可操作。 设备的运转操作及监视基本上通过中控室的操作站画面完成，为了生产的安全性和方便性，设置了硬件操作台，上面设有必要的操作开关、操作按钮、数据显示及关键设备的紧急停止按钮等。 PLC软件的开发采用了模块化的方式，在编程前规划好PLC的内存和数据块，划分站间通讯数据区及HMI显示数据区；不同类型的程序采用不同的组织块调用，吹炼时钟、流量累加、PID调节采用定周期调用；根据工艺特点，采用多种编程逻辑，如对过程级数据处理采用语句表编程，对底吹控制采用顺序功能图编程等；对操作数据进行安全性处理，如对设定数据的合理性检验、变化速率的约束等。 在控制功能上，实现了在“计算机”方式下的全程自动化炼钢，该系统具有以下主要功能和特点： (1)副原料、铁合金上料的优先顺位控制。根据“料仓组合设定表”中规定的优先顺序输送，而不是根据料空的顺序输送，以满足转炉工艺的控制要求。 (2)炉顶料仓的在库量管理。根据炉顶料位计、料位开关和上料皮带秤信号计算炉顶料仓的在库量，并对落差量进行实时修正。 (3)吹炼的状态迁移控制。根据吹炼计划表(scheme)和现场设备状态控制氧气流量、底吹气体种类和流量、氧枪枪位、副枪测量、副原料种类和投入量。 (4)汽包水位的自动控制。根据吹炼时期对锅炉汽包水位实行三冲量或单冲量调节。 (5)氧枪和倾动系统采用交流传动控制，配置紧急后备电源。在紧急情况下，保证设备的安全性。 (6)副枪系统也采用交流传动控制，配置紧急后备电源，数据处理采用DIRC计算机系统，具有测温、定碳、定氧功能，可使用TSO定氧探头进行液面的测量计算。 2 电气传动控制 炼钢系统是钢铁厂的中心环节，转炉倾动、氧枪升降电气传动设备的控制尤为重要，它与吹氧系统有着最直接的联系，电气设备的控制速度与定位精度直接影响到冶炼周期和吹氧效率，因此如何控制转炉倾动设备以及如何自动快速精确地进行氧、副枪位置控制成为提高钢产量及质量的关键。 2．1 转炉倾动装置电气传动及控制方式 (1)电气传动 电气传动一般可采用公共直流母线和单独一对一传动两种形式，而采用单独一对一传动形式从调速性和可靠性等方面均具有优越性。本钢4#5#转炉采用的是单独一对一传动控制方式，变频器选用西门子SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制变频器。该装置的控制功能有：带编码器的矢量控制应用于需要高度精确转矩和动态响应，无编码器的矢量控制在水泵、风机的简单应用和U／f控制。 (2)传动控制 4台转炉倾动电机同轴刚性连接，如果4台电机的输出转矩不平衡，即电机输出转矩大小不一，必会造成电机负荷的不平衡，缩短电机使用寿命。因此必须解决4台电机负荷平衡问题。采用一对一传动方式，可在传动装置上设置“主一从”方式，确定主传动装置，通过脉冲编码器引入速度反馈信号，设置公用的调速调节器，将主传动的电流调节器的输入信号同时输出到三台从装置的电流调节器中，由于电流调节器的输入信号是相同的，其输出也相同，故4台电动机可保证在等同的负荷下运行，从而保证了运转设备的平稳性和负荷的均衡性。 4台变频器与主PLC之间通过PROFIBUS-DP网连接，每台变频器通过网络接受控制指令和速度给定，并将设备的运行状态传送给主PLC；4台变频器通过SIMOLINK光纤网连接成一个环形结构，实现“一主三从”的控制思想，完成主/从设备之间的数据通讯。 2．2 氧枪的电气传动及其自动控制 (1)电气传动 每座转炉设有2套氧枪升降机构(A枪和B枪)，配备2套变频控制柜(A枪电控柜和B枪电控柜)和一套制动控制柜，一套作为工作枪，另一套作为备用抢。变频器选用西门子SIMOVERT MASTER-DRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制变频器； 传统的设计是“对应”控制方式，即A枪变频器控制A枪电机，B枪变频器控制B枪电机。而在本钢4#5#转炉自动化控制系统中，两套氧枪装置增加了“交换”控制方式，即：当选择开关置于“对应”控制时，还是A枪变频器控制A枪电机，B枪变频器控制B枪电机；而当选择开关置于“交换”控制时，在不进行台车交换情况下，就可完成A枪变频器控制B枪电机，而B枪变频器控制A枪电机。 氧枪“交换”控制技术是一种全新的控制技术。正常生产中，两支氧枪的变频器、升降电机可以做到互为备用。其鲜明的特点有：①机械故障时，在台车不移动的情况下，可以通过电气快速切换氧枪；②电气故障时，在不更换变频器、台车不移动的情况下，可以快速实现氧枪的正常控制。 另外，在氧枪制动控制上，完善了氧枪电机的抱闸控制，实现了变频器合／分闸、PLC程序输出、变频器本身输出三点联锁控制抱闸，使制动控制技术更加完善，系统更加安全、稳定及可靠。主要特点有：①当变频器因故跳闸后，制动输出自动实现抱闸，确保了设备的安全；②当PLC故障时，无论变频器工作在什么状态，制动输出都处于抱闸状态，绝对保证设备不失控，提高了控制系统的可靠性和安全性。③正常生产过程中，因变频器内部或外部线路原因造成了变频器不能正常工作和控制输出，可通过PLC输出完成电机的抱闸，保证了系统、设备的安全、可靠与稳定。 (2)氧枪的自动控制 氧气顶吹转炉的自动控制中，氧枪高度的正确是一个相当重要的环节。采用先进的吹氧量自动控制枪位定位技术对氧枪的吹炼点进行控制，可使氧枪准确地停止在工艺操作要求的位置上，其定位的精度相当高，从而更好地保证了炼钢过程计算机控制，实现了自动化。副枪作为另一重要设备，在氧枪下枪吹炼前测液面高度，在吹炼周期中测温取样，其同样对速度、位置控制有严格的要求。它们的高度位置控制基本是相同的，下面以氧枪为例，着重列举其控制要点。 ①位置控制 氧枪上下移动的距离通过与电动机、卷筒同轴旋转的两个绝对编码器来计测，即把垂直的位移量转化为数字量。正常生产中，以其中一个为主，另外一个绝对编码器与之比较作为校准信号，偏差超出设定范围时发出报警，过大