莱钢银前1#80t转炉自动控制系统的设计

1 引言
       莱钢银山前区1#80吨转炉自动化控制系统包括转炉本体、汽化冷却、散状料上料、铁合金上料、循环水泵站、干法除尘、煤气回收总共七个子系统。每套子系统用一套SIMATIC S7-400系列PLC进行控制，PLC与PLC、PLC与HMI之间采用工业以太网通讯，PLC与现场分布式I/O、变频器之间采用PROFIBUS-DP总线进行通讯和控制。二级系统完成对转炉系统的管理任务，及时下达炼钢的计划和命令。
   2 系统组成
   2．1 转炉控制概述
       莱钢银山前区1#80吨转炉生产线设计能力为80万吨/年，其自动化控制水平的高低直接影响产品的质量。实现转炉的智能自动控制，对降低能耗，提高产品合格率，减轻工人的劳动强度具有重要作用。
       炼钢生产线主要控制散状料、铁合金的称量和添加，转炉炉体的倾动、氧枪的升降、炼钢介质的应用，循环水的循环、冷却、净化，及炼钢烟气的吸收、冷却、除尘、加压储存。
       散状料从地下受料仓到高位料仓称散状料上料系统；从高位料仓到汇总斗进入转炉，称散状料加料系统。每座转炉散状料加料系统共有10个高位料仓，每个贮料仓下配有一个振动给料机，该系统还有三个称量斗，两个汇总斗（带称量）。散状料重量由称量斗称量，散状料需要量可由计算机根据炼钢原料条件给出或人工设定。
       当转炉氧枪下降、吹氧开始时，散状料加入第一批料信号，并进行第二坯料的称量；当吹氧量达到预设定氧量的（30-40%）时，作为第二批散状料的加入信号。按自动按钮，自动成批地加入各种散状原料。
       铁合金上料共设高位料仓20个、称量斗6个。铁合金料经过烘烤后，根据设定值进行称量，铁合金料称量后根据生产情况加入转炉。
       转炉本体主要通过炉体的倾动实现转炉的兑铁水、加废钢、出钢、出渣，氧枪升降、氧枪横移实现转炉吹氧炼钢、吹氮溅渣护炉，根据转炉倾动角度实现转炉倾动快速、慢速、正反转。实现转炉倾动的转矩自平衡功能、炼钢介质安全参数故障时的氧枪自动飞枪功能。
       余热锅炉汽化冷却系统主要控制蓄热器补水阀、低压强制循环泵、中压强制循环泵、除氧水箱紧急放水阀、加药泵、溶液搅拌器等设备。实现转炉炼钢水介质的循环、冷却、净化功能。
       循环水实现整个转炉区域、连铸区域的循环水供应。
       干法除尘控制主要根据转炉冶炼情况，调节风机的转速，调节转炉烟尘的吸入量，调节水阀控制蒸发冷却器的温度，控制静电除尘器静电除尘，控制粗灰输送系统、细灰输送系统，煤气冷却器冷却回收后的煤气；通过控制煤气加压机连锁运行，控制加压机前后调节阀，实现煤气的加压储存，满足煤气吸收和供气的生产要求。
   2．2 系统组成：
       系统硬件配置采用SIEMENS公司的WinCC/S7-400控制系统。该控制系统是建立在S7-400控制器、Pentium Ⅳ工控机平台之上的开放式系统；S7-400是模块化大型PLC系统，采用标准的以太网通讯。DELL工控机采用主频为2.5GHz的pentiumⅣCPU，512MB SDRAM 内存，80GB UltraSCSI 接口硬盘。 S7-400控制器和工控机采用以太网通讯，通讯速率为100Mbps，使用多模光纤连接。
       转炉本体、汽化冷却、散状料上料、铁合金上料、循环水泵站、干法除尘、煤气回收七个站（每个站包括电源模块、1个CPU、1个CP443通讯接口模块和数量不等的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块）采用工业以太环网通讯,客户机和冗余服务器结构,共有两台服务器,11台客户机,8台变频器，变频器与控制器采用PROFIBUS-DP通讯。（如图1）
   
   3 自动控制系统控制方式和控制难点：
   3.1 工程师站
       基于SIMATIC STEP7编程软件的工程师站，完成7个PLC站系统的硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发和调试工作。程序设计采用模块化、结构化编程，应用OB、FC、FB块和相关数据块DB组成整个控制系统，并且在软件设计中采用了抗干扰措施。
   3.2 操作员站
       操作员站作为整个系统的人机界面，采用通用工业PC，配置SIMATIC WinCC画面组态监控软件，通过以太网实现对现场设备的过程监控。WinCC能实现过程数据动态显示、参数设定、操作控制等功能，并具有过程信息归档、报警信息顺序显示、报表打印等功能，具有很强的实时行。
   3.3 主要控制难点
   1）炉体倾动
       转炉本体PLC站主要完成炉前的炉门动作和炉体的倾动操作，炉后倾炉和出钢钢包车、出渣渣车操作，烟罩的升降操作和冷却水流量、压力联所控制，氧枪的升降操作和氧枪定位及冷却水流量压力联锁控制，氧枪横移换枪操作，上料称重和进料操作，并完成转炉水冷烟罩、水冷炉壁、水冷氧枪等水冷系统48个测温点温度变化的实施数据采集以及冷却水系统压力、流量等实时数据采集监视和超限及事故报警。通过以太网实现PLC和操作站之间的实时数据传送，由人机界面完成生产过程监控。
       其中，四台转炉倾动电机的负荷平衡是该项目中技术难度最大的课题，要求必须做到高速响应、高控制精度、高安全可靠性能。设计采用的传动控制装置是西门子全交流MASTERDRIVE 6SE70系列变频器产品，配合西门子公司的PLC、PROFIBUS-DP和SIMO-LINK通讯网络构建起高性能的传动系统，充分发挥出西门子产品多功能、高性能的特点，较好地解决了技术难题，同时，大大提高了转炉倾动系统的响应速度。
       转炉倾动分2地操作，炉前主操作室和炉后操作室，2处操作只能有一处在主操作室设有指令转换开关，转炉倾动操作有快速、慢速、正反转及其信号显示和炉子倾角显示。
       转炉倾动速度为0.12r/min～0.998r/min，转炉为全正力矩操作，最大倾动力矩：240吨·米。
   2）氧枪定位
       氧枪系统为双小车双卷扬系统装置，一套工作，一套备用。氧枪升降是采用交流电机驱动、变频调速。氧枪升降速度为快速40m/min，慢速５m/min。断电时，用气动马达提枪。CRT可显示氧枪实际枪位，可通过计算机键盘控制枪位。氧枪枪位控制分自动和手动两种方式，自动方式为PLC，自动按设定枪位自动进行，手动方式，在自动方式出故障时，使用设在操作台上的指令转换开关进行操作。
       氧枪接到下枪指令后由等待位（+16.00m）快速下枪，下至开氧点（+14.20m）氧气快速切断阀自动打开供氧。下降至变速点（+12.20m）变为低速，直至下降至吹炼点止.30～10.00m）。氧枪接到提枪指令后，快速提枪，提至关闭氧点（+12.20m）氧气切断阀自动关闭，停止供氧，快速提升到变速点（+15.30m）、慢速提升至等待位（+16.00m）停止提升。
       氧枪接到更换上升指令由等待位（+16.00m）快速提枪至变速点（+21.00m），变慢速至换枪位（+24.9m），氧枪自动更换后，按下枪指令由换枪位慢速下降至变速点（+21.00m）、快速下降至变速点（+16.50m）慢速下降至等待位（+16.00m），停止下枪。
       氧枪单支卷扬钢丝绳张力≥6吨时，自动联锁停枪。
       飞枪后，氧枪升降和炉体倾动均被锁定，需转为检修状态或手动定位，才可动枪，炉倾需解除联锁方可动炉。待飞枪条件消失后，可点击飞枪解锁按钮恢复联动操作。
   4 主要技术和功能
   4．1 多客户机技术
       多客户机结构允许一个客户机访问多个服务器的数据；也允许多个客户机同时访问若干个服务器。操作可同时完成，项目数据、过程变量、存档数据、报警和消息均从多客户机的服务器获得。这样数据可以分布在若干服务器上，多客户机都通过一个公共操作进行访问，从而提高系统的可用性。
   4．2 冗余服务器技术
       冗余度选件能使二个冗余的WinCC服务器同时运行，以保证连续的过程和操作员控制。如果两个站中的一个发生故障，另一个就接替报表传送和过程值的归档。当故障站恢复运行后，在该站不工作时所采集的全部过程值档案和报文都复制到现在恢复运行的站上。从而再一次可同时运行二个相同的WinCC 站。用这种概念来配置冗余管理下的所有过程值档案和报文，从而保证了数据完整性。在客户机/ 服务器方式，客户机自动地从故障的服务器切换到冗余的配合站。在短暂的切换周期后，所有运行的站又继续工作。为了简化配置，可使用项目复制器，它将所有配置数据复制到配合站，并相应地加以匹配。
   4．3 PROFIBUS现场总线技术
       控制器与变频器的通讯采用PROFIBUS-DP,PROFIBUS 现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率可达12M 的高速总线PROFIBUS - DP（H2）和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS - PA（H1）。DP 和PA 的完美结合使得PROFIBUS 现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，减少了故障率。  
   4．4 以太环网通讯技术
       S7-400控制器和DELL工控机采用以太环网，通讯速率为100Mbps，使用多模光纤连接。所有的控制器都连接到以太环网上，环网在现场的走向形成一个环，由于某种原因环网上某个点断开，控制器可通过另个方向实现通讯，不会影响系统的正常运行。
   5 结束语
       系统投运至今运行稳定可靠，高性能、高可靠性、体积小、价格低、具有强大的运算功能、易于实现复杂控制功能等优点的计算机控制系统的实现，有效提高了产品的质量、产量，节约了大量的电能和水资源，减少了环境污染，提高设备使用寿命，降低工人劳动强度，改善了操作环境。
   参 考 文 献
       1 李乐亭，王洪才．钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册．北京：冶金工业出版社出版，2000．
       2 王常力，廖道文．集散型控制系统的设计与应用[M] ．北京：清华大学出版社出版，1993．