摘要：目前，提高产品质量、降低生产成本、节约能源消耗及减少污染排放，已成为国内大多数炼钢企业的当务之急。国内外经验表明，转炉控制自动化是实现上述要求的重要途径。本文通过对转炉炼钢系统的工艺流程、控制要求和过程特点的研究，完成了基于PLC的转炉自动化系统的设计，实现了对工艺流程、过程变量、过程参数的实时监控，达到了一定的自动控制水平。
关键词：转炉炼钢；自动化控制系统；PLC；STEP7
1.概述
目前的转炉炼钢主要以氧气顶吹转炉为主。在转炉生产过程中，自动化已成为提高产量、保证钢水质量、降低消耗、改善操作和延长炉龄的重要手段，转炉自动化系统不仅是转炉现代化的标志，而且是生产必需的装备，是企业能获得重大经济效益并在激烈的市场竞争中立于不败之地的重要措施。
2.转炉自动化控制系统的硬件设计
2.1控制系统的硬件组成
转炉自动化控制系统如图2-1所示，整个系统由工控机、S7-400 PLC站、S7-300 PLC站及变频控制柜等组成。各系统之间通讯通过工业以太网和Profibus网完成。并预留有管理级网络接口。
图2-1 转炉自动化控制系统结构图
2.2控制系统实现的功能
一、基础自动化
基础自动化级控制系统实现的功能如下：
氧气总管压力检测。
转炉氧气压力、温度检测。
炉前钢水温度及钢水包钢水温度检测。
转炉倾动控制。
氧枪自动控制。
上料自动控制。
煤气回收风机交流变频调速及其控制等。
由工控机组成的操作显示站主要功能有：
数据采集。
数据显示。包含以下几方面：(1)流程画面；(2)实时趋势及历史趋势画面；(3)报警状态及历史记录等画面；(4)各控制系统的设定值；(5)生产报表打印画面等。
二、过程自动化
对于中小型转炉，一般不考虑动态控制。过程自动化级控制系统实现的主要功能如下：
生产管理。包括制造命令输入，出钢和钢包计划输入，钢种变更输入，混铁车信息输入，成产作业状况显示和传送等。
打印各种报表和记录及与连铸、化验室等计算机通信。
3.转炉自动化控制系统的软件设计
应用软件是用西门子的STEP7软件编写的，采用了块结构的形式。在程序编制中，将整个自动化任务按不同的工艺控制区域分成若干个任务，对应每一个任务编出实现其功能的功能块，再用组织块将各块连接起来，形成用户的应用程序。标准STEP7软件包提供有编程语言梯形图(LAD)、功能块图(FBD)以及语句表(STL)等三种编程语言[6]。
本论文中所述的控制系统PLC程序包含：12个组织块(OB)，10个功能块(FB)，30个功能(FC)，18个数据块(DB)，6个系统功能(SFC)，11个数据类型(UDT)及7个变量表(VAT)。鉴于程序中的功能块较多，只对以下两个主要功能块给出详细的设计说明。
3.1氧枪系统功能块(FC31)
完成氧枪的高度调节、氧枪冷却水开关、吹炼等功能。
氧枪定位控制包括三种运行方式(点动运行、手动运行、自动运行)和三种工作方式(吹炼、溅渣护炉、检修)。点动运行由机旁箱操作，手动运行和自动运行由主控室操作，机旁操作优先于主控室操作。主控室操作时，由HMI来决定氧枪的手/自动运行。无论氧枪选择何种操作方式，转炉都必须在零位(转炉零位为炉口垂直向上的位置)时氧枪才允许运行。
(1)氧枪的机旁点动控制 在主控室操作台未按急停按钮的条件下，在机旁箱上选择机旁操作，按点动升按钮时，氧枪以低速提升；按点动降按钮时，氧枪以低速下降。机旁操作不受工作方式的限制。
(2)氧枪的主控室手动控制 这是在主控室操作的一种方式，在氧枪控制画面上设置了互锁的手动和自动选择按钮。当选定了手动操作方式，氧枪运行的速度变化及运行/停止命令均由主控室操作台的主令控制器决定。为了防止主令控制器的误动作，在程序中特设置了给定死区，当主令离零且给定值大于死区值时才发出启动命令。
(3)氧枪的自动定位控制 氧枪的自动定位控制是在主控室自动控制操作方式下进行的，并且它只工作在吹炼或溅渣护炉状态下。为了氧枪定位的准确性，在自动方式运行前，氧枪先手动控制运行一个升降周期，进行枪位校零，然后将氧枪停在待吹点[4]。
氧枪的事故提枪：当氧枪进入到炉内时，若氧气(吹炼情况下)压力、氧枪冷却水压力、流量、温度等任何一个不满足工艺要求，或有氧枪急停信号及氧枪碰到机械下限，则氧枪自动提枪到待吹点。
3.2倾动系统功能块
完成转炉倾动、活动烟罩升降等功能的程序块。本功能块在完成控制功能的同时将有关状态信号和数据上传给HMI，以便于转炉的实时监控。
转炉的倾动控制：转炉倾动可以在炉前操作台、炉后操作台、主控室操作台进行三地操作，三个操作台遵循谁先选择谁优先的原则对转炉进行操作。转炉倾动配备变频器控制柜。
转炉倾动控制的顺序：
(1)初始条件 润滑油己开启；氧枪不在炉内；两汇总斗己关闭；三个操作台的主令控制器均在零位。
(2)选台控制 优先原则，先进行操作选择的操作台得到了控制权，其信号在上位机和其操作台上均有指示灯显示。
(3)倾动控制 某个操作台的选台指示灯亮后，操作人员用该操作台的主令控制器来进行转炉倾动的操作。
活动烟罩控制：转炉炼钢节能的一个重要环节就是收集炼钢时产生的烟气。在转炉上面装有活动烟罩，烟气经活动烟罩之后进入冷却烟道。吹炼结束出钢、出渣及吹炼前加废钢、兑铁水时，烟罩需提升，以不妨碍转炉倾动。
4.结论
本文是以某厂氧气转炉炼钢项目为背景，全面了解转炉炼钢的工艺流程，详细研究了炼钢过程中的原料系统、氧枪系统、倾动系统等几套关键设备的工作过程及控制原理，根据用户方的控制要求并结合以往的工作经验，设计出转炉的自动化控制系统。该系统投入生产使用至今一直运行稳定、可靠，转炉和氧枪的速度控制灵活、调节平稳，从未发生过倒炉事故，减少了因操作失误而引发重大事故的机率，提高了产量、保证了钢水质量、降低了消耗、延长了炉龄，并取得了显著的经济效益。
参考文献
[1]中国金属学会,中国钢铁工业协会.2006年-2020年中国钢铁工业科学与技术发展指南.北京:冶金工业出版社,2006.
[2]冯捷,张红文.转炉炼钢生产.北京:冶金工业出版社,2008.
[3]马竹梧.钢铁工业自动化(炼钢卷).北京:冶金工业出版社,2003.
[4]谢书明.转炉炼钢厂转炉氧枪枪位控制.冶金自动化,1999, 23(2).
论文作者:郑晓萌1,赵云鹏2
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/6
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