太钢一钢厂电炉计算机控制系统

本文作者孙海燕女士，太钢第一炼钢厂工程师；温芙蓉女士，工程师；樊力先生，太钢自动化所工程师。

关键词：PLC　WinCC　计算机控制

一   引言
太钢一钢厂“平改电”工程经过两年多紧张的准备、设计、施工和调试后，其电炉系统已于2000年1月正式投产。

该电炉由太钢二钢厂于20世纪60年代末引进的Aesa公司的50t电炉改造而成。电炉设备主要由以下部分组成：炉体、水冷炉盖、倾动机构、电极升降机构、炉盖提升旋转机构、大电流线路、维修装置、加料装置、水冷装置、气动系统、液压系统等。

该电炉系统的电气控制采用电控、仪控及计算机控制三电一体化，计算机控制系统由2台操作员站、3台可编程控制器和5个远程I/O站组成。系统涉及开关量输入输出点800多个、模拟量输入输出40多路，通过Siemens公司的Profibus现场总线实现数据传递。

二   工艺及控制功能简介

电炉是冶金生产的初始环节，目的是将废钢和铁水炼成钢水，供给生产的下一环节——精炼炉。电炉生产的好坏对产品的产量、质量和成本都有直接的影响。其工艺及控制功能如图1所示。


该电炉装料方式为炉盖旋开式顶装料，装料过程完毕后，下降电极，利用电极与炉料之间产生的电弧熔炼炉料，熔炼中可通过炉门吹氧或加料以加温和改善钢水成分。出钢时，倾动炉体，利用偏心底出钢，钢水由出钢车运输至下一环节。熔炼过程中，炉壁与炉盖通过水冷方式降温，炉盖、炉体以及电极等设备的各种动作均通过液压驱动实现。

在自动控制方面，冷却水控制、液压控制、电极弧流的调节、碳氧枪的控制、油氧烧嘴的控制、数据的传输，以及温度、流量等信号的采集与处理，均为电炉生产的重要环节。本系统能对上述环节的有关参量进行检测、控制、运算、显示、报警及记录。

三   计算机系统控制方式

整个电炉的计算机控制系统采用Siemens公司的S7-300可编程控制器，它通过开放的、标准化的Profibus-DP现场总线连接各个部件，构成分布式分散控制系统，对现场的控制部件实行在线调试、诊断。它还通过Profibus-S7网络与上位机实现数据共享，使交流电弧炉和钢包精炼炉有机地组成一个整体，实现炼钢自动化。

控制方式为全线PLC程序控制，实现顺控、逻辑控制、联动和联锁，以及信号传输、报警和数据采集等，必要时人工(通过按钮或旋转开关)参与紧急处理甚至停机。PLC作为全线枢纽，必需具备如下特性：

(1)实现无接点控制，减少继电器接触系统频繁出现接触不良故障。
(2)可方便地实现逻辑控制、数字运算。
(3)拥有大存储量的内、外存储器，能建立生产过程的多种数据库。
(4)编程较容易，能用多种方式编程。
(5)能与上位机联网，以及完成与各控制单元之间的通信，实现自动化控制与管理。
(6)可靠性高，具有故障自诊断的能力。
(7)可按装置要求选择标准模块进行组合。
(8)抗干扰能力强，有多种屏蔽和联锁措施，适合在电炉的强磁场条件下工作。

综上所述，在控制复杂、数据处理量大的电控系统中，使用大型PLC实现其控制任务，在控制精确度、安全性、维护量以及性能价格比方面都是首选方案。

四   计算机系统构成

计算机系统主要由两台操作员站OS1、OS2，3台S7-300可编程控制器AS1、AS2、AS3，Profibus-S7及Profibus-DP网，检测及执行元器件组成，并由5台ET200接收主操作室PLC主机的输出控制信号，使现场布线简单化。计算机系统的构成如图2所示。


1.    操作员站

操作员站作为系统的人机界面，通过WinCC实现与下位机的对话，通过Profibus-S7网对系统进行实时监控。本系统选用台湾研华公司生产的ADVANTECH 610工业型计算机及Siemens网络通信卡CP-5412实现与PLC的数据共享。

2.    PLC

系统采用3台Siemens公司的S7-300可编程控制器AS1、AS2、AS3实现对电炉的基本控制，其配置主要有主机架、扩展机架、电源、CPU、接口模块、通信模块，以及数字量和模拟量输入/输出模块等。

a. AS1(S7-315-2DP)用于实现炉体的基本控制，设置以下Profibus-DP远程控制

(1)ET200M-1：液压泵站的控制；

(2)ET200M-2：液压阀台的控制；

(3)ET200M-3：炉前操作的控制；

(4)ET200M-4：炉后操作的控制；

(5)ET200M-5：碳氧枪操作的控制。

b. AS2(S7-315)用于实现电极系统的调节

电极调节是电炉炼钢的关键所在，由一台S7-300独自组成电弧炉的一个自动控制系统，完成对电弧炉内弧电流及电压的调节，系统中另设计一套手动控制系统，在非正常情况下，可脱机手动对电极进行人工升降操作。

电极调节控制系统根据变压器电压档自动设置输入炉内的弧流，如表所示。


当系统运行时，高压闸合闸后冶炼开始，三相电极自动下降，在任一相电极接触到导电炉料时，该相电极自动停止下降，直至另一相电极起弧后第一相电极自动起弧。

操作员站主画面的三相弧压、弧流指示信号和电耗以及三相电流、电压、功率的历史曲线指示画面的数据均取自电极调节器控制系统，当后者停止运行时，则上述画面皆为零。

PLC电极调节器数字控制系统和OPA电极调节器模拟系统共用一套伺服电流放大电路，以及一套三相弧流、弧压信号的数据采样和信号转换电路，三相弧流、弧压信号的采样和转换的速率及精确度将直接影响系统的控制效果。

c. AS3(S7-315)完成油氧烧嘴的控制

AS3通过对软沥青、蒸汽、氧气的流量、压力、温度等的控制，来提高钢液的升温速度和控制钢水温度，从而缩短冶炼时间，提高产品质量。

3.Profibus-S7及Profibus-DP网

Profibus-S7网由同轴电缆及收发器组成。

采用通信处理模块CP342-5和通信卡CP-541以方便地实现S7-300与操作员站及网络的通信。

4.    检测及执行元器件

本系统的检测和执行元器件包括测温与测压仪表、电磁流量计、电流互感器与电磁阀等。

五   应用软件的选择

1.    WinCC组态软件及应用

本系统操作员站由通用工业PC、PC操作系统，配置通用工控组态软件组成。通用工控组态软件选用Siemens公司的Windows Control Center。该软件以Windows为软件平台，全面开放。

WinCC可将过程或生产中发生的事件清楚地记录、显示出来，完成参数设定、操作控制和动态画面监视的功能。它显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部或有选择地简要显示，亦可编辑、输出。WinCC提供各种功能块实现以上功能，可结合用户程序进行信息处理、测量值处理和报表打印。运行时，它具有很强的实时性。

2.    控制系统应用程序

本控制系统的PLC程序是基于Siemens编程软件平台STEP7设计开发而成，程序设计采用结构化编程，应用OB、FB、FC块及相关数据块DB组成对整台电炉的自动控制程序。

STEP7在线调试直观、便捷，可用梯形图(LD)、功能块图(FBD)，或语句表(STL)方式编程。

六   结束语

改造后的50t电炉已在太钢第一炼钢厂正式投运，自动化水平高、运行稳定、操作简便、故障率低、维修量小，达到国内先进水平。

计算机过程控制与工艺上新技术的运用，大大缩短了冶炼时间，降低了吨钢消耗，取得了良好的经济效益。