RH精煉爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制研究

1、RH精煉爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制研究摘要：伴隨日益加快發(fā)展的生產(chǎn)節(jié)奏，對(duì)煉鋼生產(chǎn)線的成本提出了更高的控制要求，同時(shí)對(duì)鋼水品質(zhì)、鋼水溫度變化和含碳量的技術(shù)控制帶來嚴(yán)格考驗(yàn)。文章以RH (RuhrtahlHeraeu)系統(tǒng)設(shè)備為對(duì)象，研究RH系統(tǒng)，闡述基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試并且驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。關(guān)鍵詞：RH；精煉爐；自動(dòng)控制；PLC引言縱觀鋼鐵發(fā)展歷程，鋼鐵爐外精煉技術(shù)已成為煉鋼生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)。而現(xiàn)代煉鋼的最佳工藝流程包括鋼水的預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉、RH精煉(爐外精煉)和連鑄。其中RH精煉技術(shù)能夠顯著提高煉鋼產(chǎn)量和改善出鋼品質(zhì)，并且有效降低生產(chǎn)成本，已逐漸成為煉鋼生

2、產(chǎn)工藝中的一種重要手段。從德國(guó)最初使用RH精煉技術(shù)以來，至今全世界已有100余臺(tái)RH精煉爐。并且西方一些國(guó)家煉鋼企業(yè)已經(jīng)開始普遍使用RH精煉技術(shù)，而在所有亞洲國(guó)家中僅日本就已有40余臺(tái)RH精煉爐，并且也開始全部引進(jìn)RH真空精煉爐1。我國(guó)從1965年才開始從原西德引進(jìn)70t的RH精煉真空精煉爐2,隨后逐漸得到各大鋼鐵企業(yè)的認(rèn)可。文章以RH精煉爐系統(tǒng)為研究目標(biāo)，分析基于PLC的RH精煉爐控制系統(tǒng)的工作原理及生產(chǎn)需求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于PLC的RH精煉爐綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)其系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化、子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)過程控制和PID控制真空槽環(huán)流氣體等功能模塊。最后測(cè)試驗(yàn)證并分析了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

3、1RH精煉爐生產(chǎn)設(shè)計(jì)分析1、1基本工藝概述RH系統(tǒng)裝置是一種二次精煉生產(chǎn)裝置，可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的鋼水，需在生產(chǎn)裝置真空槽內(nèi)內(nèi)置耐火材料345，防止高溫鋼水流過時(shí)燒穿真空槽，如圖1所示。真空槽兩側(cè)下浸漬管內(nèi)壁同樣附著耐火材料，用于浸沒于鋼水中，真空槽上部安裝有一個(gè)熱彎管，用于將真空槽爐內(nèi)抽掉的高溫氣體排出。該裝置工作原理如下：處理鋼水時(shí)，將浸漬管浸入鋼水包中，隨后用真空泵持續(xù)抽走真空槽內(nèi)的氣體，用于減小槽內(nèi)鋼水表面的大氣壓，造成真空槽裝置內(nèi)外氣壓差，從而趨使鋼水由浸漬管流入到真空槽內(nèi)。真空槽下部浸漬管分為上升管和下降管，前者用于將氬氣不斷的吹入到真空環(huán)流系統(tǒng)中正在處理的鋼水，造成與下降管相比較高的靜

4、壓差，使得外界鋼水可以不斷的由真空槽上升管進(jìn)入然后在重力作用下從下降管流出，完成一次鋼水的循環(huán)流動(dòng)。1、2RH真空槽環(huán)流氣體控制真空槽環(huán)流氣體控制分為脫氣處理和非脫氣處理兩種：前一種通過浸漬管不斷送入氬氣或氮?dú)獾炔换钴S氣體驅(qū)動(dòng)鋼水在真空槽內(nèi)環(huán)形流動(dòng);后一種將氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體來使用。對(duì)于不同的鋼種冶煉種類中的不同生產(chǎn)工藝流程階段會(huì)選用不同的環(huán)流氣體流量作用于真空槽內(nèi)。對(duì)鋼水循環(huán)脫氣處理時(shí)，真空槽內(nèi)環(huán)流氣體的流動(dòng)平穩(wěn)度直接決定鋼水真空處理后的質(zhì)量。真空槽環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)備主要有：氬氣、氮?dú)鈮毫z測(cè)總管；真空槽環(huán)流氣體流量總管1、2、3和4氬氣、氮?dú)夤芮袛嚅y；真空槽環(huán)流氣體流量支管1、2、3和4。位于真

5、空槽上輸送氣體包括氬氣和氮?dú)獾鹊沫h(huán)流氣體總管會(huì)配備1個(gè)量程為02MPa的氣體壓力檢測(cè)變送器，用于檢測(cè)氣壓狀況。同時(shí)，在裝置上會(huì)裝有相應(yīng)氣動(dòng)切割閥做為總開關(guān)，控制不同氣體的切換。真空槽中環(huán)流氣體的實(shí)時(shí)流量可以由具備單只氣體流量調(diào)節(jié)閥和單只孔板流量檢測(cè)裝置支管來完成。這種支管又分多路支管，每一路有一個(gè)流量檢測(cè)開關(guān)，PLC系統(tǒng)對(duì)超出流量限制的支路支管做報(bào)警響應(yīng)。對(duì)鋼水進(jìn)行RH處理時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所需的不同處理過程有選擇性的打開氬氣或氮?dú)忾_關(guān)來加以利用，另一方面，需要實(shí)時(shí)對(duì)各支路支管的環(huán)流氣體流量進(jìn)行控制與總的環(huán)流氣體流量平衡。2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2、1RH系統(tǒng)總體架構(gòu)采用兩級(jí)控制方式是RH控制系統(tǒng)的典

6、型特征，分為基礎(chǔ)自動(dòng)化控制L1系統(tǒng)和過程計(jì)算機(jī)控制L2系統(tǒng)兩部分。一級(jí)控制系統(tǒng)主要承擔(dān)系統(tǒng)的一些基本控制功能，包括現(xiàn)場(chǎng)電氣元件的邏輯順序控制、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、過程回路控制等；二級(jí)系統(tǒng)比較獨(dú)立，主要管理和優(yōu)化RH系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)過程，為高級(jí)計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)預(yù)留接口，設(shè)備之間通過以太網(wǎng)通信。RH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2RH網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、2L1子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)考慮系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求，使得布置分散、傳輸距離遠(yuǎn)的各設(shè)備能夠相互通信，提高系統(tǒng)的抗干擾能力及數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定性67。依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)本地I、O控制和分布式I、O控制，對(duì)于分布式I、O控制系統(tǒng)，選用抗干擾性能好的ProfiBu電纜連接，抑制雜

7、波干擾。系統(tǒng)選用工業(yè)級(jí)透明冗余控制器，利用冗余技術(shù)和多總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各模塊冗余連接，提高可靠性和穩(wěn)定性，采用PROFIBUS總線連接交流傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議棧之間的數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確到達(dá)。按照工業(yè)工藝和實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，選用2套PLC,并且在上位機(jī)設(shè)計(jì)2臺(tái)HMI服務(wù)器作為彼此之間的熱冗余備用，避免其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，另外系統(tǒng)中設(shè)置了 2臺(tái)PC客戶機(jī)連接到L2交換機(jī)上，對(duì)生產(chǎn)過程控制。工程師站主要完成對(duì)L1級(jí)系統(tǒng)的軟件開發(fā)和維護(hù)工作，上位機(jī)采用高速以太網(wǎng)與PLC通信。廠房中設(shè)置控制柜，用于安裝電氣和儀表設(shè)備，方便引出的信號(hào)線連接到系統(tǒng)過程控制單元中

8、的I、O模塊。所有電磁閥和電機(jī)控制都由PLC繼電器輸出端或輔助繼電器控制。在RH基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)接入信號(hào)主要包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種類型，分別分為輸入和輸出端口：數(shù)字信號(hào)輸入、輸出端、模擬信號(hào)輸入、輸出端。RH基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)信號(hào)采集、信息處理和設(shè)備邏輯狀態(tài)判斷等功能。本系統(tǒng)PLC控制軟件選用西門子公司Step7V5、4編程軟件完成。PC機(jī)監(jiān)控畫面選用VC+6。0或WinCC6。2完成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過程。2、3L2子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)L2級(jí)過程自動(dòng)化系統(tǒng)主要依靠基于PC的標(biāo)準(zhǔn)軟件包完成。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，首先設(shè)計(jì)RH的工藝模型，使得煉爐

9、與煉爐之間保持均勻的真空通氣環(huán)境，提高鋼水質(zhì)量。一般情況下，服務(wù)器與各個(gè)客戶PC機(jī)之間選擇以太網(wǎng)通信，服務(wù)器采用RS232串口的方式與控制系統(tǒng)中子傳輸系統(tǒng)通訊，而與L1級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通信則以高速工業(yè)以太網(wǎng)的方式為優(yōu)，與各個(gè)終端之間以O(shè)PS方式進(jìn)行通信。開發(fā)出的軟件系統(tǒng)要求操作界面簡(jiǎn)單，通過人工簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成控制設(shè)備的目的，通過選擇菜單下拉選項(xiàng)、彈出子窗口的顯示及進(jìn)入信息、各操作界面之間的切換完成自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的功能。L2系統(tǒng)模型包括各個(gè)子功能模塊模型：對(duì)溫度的預(yù)報(bào)：采用預(yù)測(cè)機(jī)制，依據(jù)生產(chǎn)過程中采集的歷史鋼鐵水的溫度、含氧量、生產(chǎn)過程中的耗氧量、生產(chǎn)過程中的鋁消耗量及其他合

10、金的消耗量等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)目前的鋼水溫度。對(duì)碳的靜態(tài)推定：采用合適的預(yù)測(cè)手段，依據(jù)冶鋼過程中采集的歷史鋼水起始數(shù)據(jù)關(guān)系，預(yù)測(cè)當(dāng)前生產(chǎn)鋼水中的含碳量。對(duì)碳的動(dòng)態(tài)推定：同上，也需要根據(jù)歷史鋼水起始含碳量及排放氣體的含碳量，預(yù)測(cè)當(dāng)前鋼水中的碳的含量。合金計(jì)算函數(shù)：需要測(cè)試鋼水中的成分含量，然后根據(jù)測(cè)出的當(dāng)前值和預(yù)期值，計(jì)算所加各類合金成本值達(dá)到最低的成分重量。產(chǎn)品成分檢測(cè)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，利用最初鋼水中各種成分及所需添加的合金量等數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出當(dāng)前生產(chǎn)鋼水中的成分。3測(cè)試與驗(yàn)證3、1測(cè)試環(huán)境L1子系統(tǒng)有2套西門子PLC控制站，2臺(tái)HMI服務(wù)器和2套公用客戶PC機(jī)且裝有WinCC監(jiān)控軟件。1套裝有Step7編

11、程軟件的工程師站，L1子系統(tǒng)的控制站分為主戰(zhàn)與分站，由PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行通訊，而控制站與HMI服務(wù)器及HMI服務(wù)器與客戶PC機(jī)之間則以以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信。3、2軟件模塊測(cè)試系統(tǒng)軟件測(cè)試在測(cè)試環(huán)境中選用裝有WindowP操作系統(tǒng)的HMI服務(wù)器、客戶PC機(jī)及工程師站，所有設(shè)備配備齊全，并且裝完所需系列軟件后，工作人員對(duì)各種實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，檢查其工作狀態(tài)。CPU冗余切換測(cè)試為達(dá)到系統(tǒng)冗余控制的要求，并且減少系統(tǒng)停機(jī)的時(shí)間，需要檢查系統(tǒng)正常運(yùn)行的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)是否能夠切換到另一 CPU。通訊功能測(cè)試PC上位機(jī)與PLC之間通信由上位機(jī)監(jiān)控界面觀測(cè)設(shè)備狀態(tài)變化及工作情況判斷，通過

12、上位機(jī)界面操作控制判斷工程師站與PC上位機(jī)之間的通訊，而判斷控制系統(tǒng)中主戰(zhàn)點(diǎn)與次站點(diǎn)則是由各工作部分指示燈來判斷。測(cè)試模擬信號(hào)輸入由信號(hào)發(fā)生器從輸入端送入模擬信號(hào)量，然后利用Step7軟件的參數(shù)變量監(jiān)測(cè)各輸入端的輸入信號(hào)是否正常，或通過監(jiān)測(cè)界面中顯示的各終端的模擬信號(hào)顯示值來判斷輸入模擬信號(hào)的正確與否。測(cè)試模擬信號(hào)輸出由手動(dòng)控制監(jiān)測(cè)界面中開關(guān)閥門的開關(guān)度，觀察開關(guān)閥門的反饋值是否與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值相一致，利用這種方式判斷模擬信號(hào)的輸出和相應(yīng)的系統(tǒng)控制回路是否正確，簡(jiǎn)化了操作。測(cè)試數(shù)字信號(hào)輸入人工操作系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備箱上的控制開關(guān)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過觀察設(shè)備箱上相應(yīng)的狀態(tài)指示燈、上位機(jī)監(jiān)控界面中的操作方式

13、及工作狀態(tài)等信息，判斷整個(gè)設(shè)備及輸入回路的工作狀態(tài)。測(cè)試數(shù)字信號(hào)輸出通過Step7軟件控制各輸出端口，并觀察相應(yīng)狀態(tài)指示燈，進(jìn)而由繼電器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，判斷繼電器當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)，確認(rèn)設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)是否正常，從而判斷數(shù)字信號(hào)的輸出端和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連線是否工作正常。測(cè)試PLC操作程序根據(jù)流程工藝及對(duì)設(shè)備的要求，由操作人員通過現(xiàn)場(chǎng)放置的操作裝置或WinCC監(jiān)測(cè)界面完成相應(yīng)操作，可以通過Step7編程軟件對(duì)控制程序進(jìn)行監(jiān)控檢查判斷是否滿足控制功能。3、3測(cè)試結(jié)果及分析對(duì)于測(cè)試部分，文章只針對(duì)幾個(gè)重要測(cè)試內(nèi)容的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。CPU冗余切換功能人為為系統(tǒng)其中一正常運(yùn)行的CPU制造故障，如果系統(tǒng)工作正常且并無信息丟失或報(bào)警、沖突信息丟失，則表明系統(tǒng)已經(jīng)迅速及時(shí)的切換到另一 CPU。測(cè)試結(jié)果表明，添加冗余的PLC控制系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)故障概率,提高系統(tǒng)可靠性。2模擬信號(hào)輸入選擇1PLC中的11次站系統(tǒng)中的第一塊模擬信號(hào)輸入端口為例，分析該模擬信號(hào)輸入端口測(cè)試結(jié)果，假定輸入端輸入信號(hào)為420mA的模擬信號(hào)。測(cè)試結(jié)果如表1所示：表1模擬量輸入測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備模板端口模擬信號(hào)輸入工作情況正常，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間連線正確，系統(tǒng)的工作過程正常。3真空泵開關(guān)狀態(tài)真空泵工作在真空模式下，通過它實(shí)現(xiàn)冶金過程中各模式下的真空狀態(tài)。通過測(cè)試確保真空泵正常工作，操作人員只需