RH精煉爐系統(tǒng)的自動控制研究

1、RH精煉爐系統(tǒng)的自動控制研究摘要：伴隨日益加快發(fā)展的生產(chǎn)節(jié)奏，對煉鋼生產(chǎn)線的成本提出了更高的控制要求，同時對鋼水品質(zhì)、鋼水溫度變化和含碳量的技術(shù)控制帶來嚴格考驗。文章以RH (RuhrtahlHeraeu)系統(tǒng)設(shè)備為對象，研究RH系統(tǒng)，闡述基于PLC的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。測試并且驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。關(guān)鍵詞：RH；精煉爐；自動控制；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)過程中的一項重要技術(shù)。而現(xiàn)代煉鋼的最佳工藝流程包括鋼水的預處理、轉(zhuǎn)爐復合吹煉、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。從德國最初使用RH精煉技術(shù)以來，至今全世界已有100余臺RH精煉爐。并且西方一些國家煉鋼企業(yè)已經(jīng)開始普遍使用RH精煉技術(shù)，而在所有亞洲國家中僅日本就已有40余臺RH精煉爐，并且也開始全部引進RH真空精煉爐1。我國從1965年才開始從原西德引進70t的RH精煉真空精煉爐2,隨后逐漸得到各大鋼鐵企業(yè)的認可。文章以RH精煉爐系統(tǒng)為研究目標，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)計實現(xiàn)基于PLC的RH精煉爐綜合自動化控制系統(tǒng)其系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動化、子系統(tǒng)的計算機過程控制和PID控制真空槽環(huán)流氣體等功能模塊。最后測試驗證并分析了該系統(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，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。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氣等不活躍氣體驅(qū)動鋼水在真空槽內(nèi)環(huán)形流動;后一種將氮氣作為保護氣體來使用。對于不同的鋼種冶煉種類中的不同生產(chǎn)工藝流程階段會選用不同的環(huán)流氣體流量作用于真空槽內(nèi)。對鋼水循環(huán)脫氣處理時，真空槽內(nèi)環(huán)流氣體的流動平穩(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、氮氣壓力檢測總管；真空槽環(huán)流氣體流量總管1、2、3和4氬氣、氮氣管切斷閥；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氣等的環(huán)流氣體總管會配備1個量程為02MPa的氣體壓力檢測變送器，用于檢測氣壓狀況。同時，在裝置上會裝有相應氣動切割閥做為總開關(guān)，控制不同氣體的切換。真空槽中環(huán)流氣體的實時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裝置支管來完成。這種支管又分多路支管，每一路有一個流量檢測開關(guān)，PLC系統(tǒng)對超出流量限制的支路支管做報警響應。對鋼水進行RH處理時，系統(tǒng)會根據(jù)所需的不同處理過程有選擇性的打開氬氣或氮氣開關(guān)來加以利用，另一方面，需要實時對各支路支管的環(huán)流氣體流量進行控制與總的環(huán)流氣體流量平衡。2控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)2、1RH系統(tǒng)總體架構(gòu)采用兩級控制方式是RH控制系統(tǒng)的典

6、型特征，分為基礎(chǔ)自動化控制L1系統(tǒng)和過程計算機控制L2系統(tǒng)兩部分。一級控制系統(tǒng)主要承擔系統(tǒng)的一些基本控制功能，包括現(xiàn)場電氣元件的邏輯順序控制、現(xiàn)場設(shè)備的運轉(zhuǎn)、過程回路控制等；二級系統(tǒng)比較獨立，主要管理和優(yōu)化RH系統(tǒng)的整個生產(chǎn)過程，為高級計算機管理信息系統(tǒng)預留接口，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)計與實現(xiàn)考慮系統(tǒng)實際應用需求，使得布置分散、傳輸距離遠的各設(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)級透明冗余控制器，利用冗余技術(shù)和多總線技術(shù)實現(xiàn)各模塊冗余連接，提高可靠性和穩(wěn)定性，采用PROFIBUS總線連接交流傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊協(xié)議棧之間的數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)快速準確到達。按照工業(yè)工藝和實際生產(chǎn)要求，設(shè)計控制系統(tǒng)時，選用2套PLC,并且在上位機設(shè)計2臺HMI服務器作為彼此之間的熱冗余備用，避免其中一臺出現(xiàn)故障，導致整個系統(tǒng)的癱瘓，另外系統(tǒng)中設(shè)置了 2臺PC客戶機連接到L2交換機上，對生產(chǎn)過程控制。工程師站主要完成對L1級系統(tǒng)的軟件開發(fā)和維護工作，上位機采用高速以太網(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)自動化控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)接入信號主要包括數(shù)字信號和模擬信號兩種類型，分別分為輸入和輸出端口：數(shù)字信號輸入、輸出端、模擬信號輸入、輸出端。RH基礎(chǔ)級控制系統(tǒng)主要負責對現(xiàn)場設(shè)備的實時控制、數(shù)據(jù)信號采集、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機監(jiān)控畫面選用VC+6。0或WinCC6。2完成，實時監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程。2、3L2子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計L2級過程自動化系統(tǒng)主要依靠基于PC的標準軟件包完成。在對系統(tǒng)進行控制時，首先設(shè)計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，服務器與各個客戶PC機之間選擇以太網(wǎng)通信，服務器采用RS232串口的方式與控制系統(tǒng)中子傳輸系統(tǒng)通訊，而與L1級自動化系統(tǒng)之間的通信則以高速工業(yè)以太網(wǎng)的方式為優(yōu)，與各個終端之間以O(shè)PS方式進行通信。開發(fā)出的軟件系統(tǒng)要求操作界面簡單，通過人工簡單的點擊鼠標即可完成控制設(shè)備的目的，通過選擇菜單下拉選項、彈出子窗口的顯示及進入信息、各操作界面之間的切換完成自動控制系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的功能。L2系統(tǒng)模型包括各個子功能模塊模型：對溫度的預報：采用預測機制，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)預測目前的鋼水溫度。對碳的靜態(tài)推定：采用合適的預測手段，依據(jù)冶鋼過程中采集的歷史鋼水起始數(shù)據(jù)關(guān)系，預測當前生產(chǎn)鋼水中的含碳量。對碳的動態(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，預測當前鋼水中的碳的含量。合金計算函數(shù)：需要測試鋼水中的成分含量，然后根據(jù)測出的當前值和預期值，計算所加各類合金成本值達到最低的成分重量。產(chǎn)品成分檢測：根據(jù)經(jīng)驗值，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，計算出當前生產(chǎn)鋼水中的成分。3測試與驗證3、1測試環(huán)境L1子系統(tǒng)有2套西門子PLC控制站，2臺HMI服務器和2套公用客戶PC機且裝有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)方式進行通訊，而控制站與HMI服務器及HMI服務器與客戶PC機之間則以以太網(wǎng)的方式進行通信。3、2軟件模塊測試系統(tǒng)軟件測試在測試環(huán)境中選用裝有WindowP操作系統(tǒng)的HMI服務器、客戶PC機及工程師站，所有設(shè)備配備齊全，并且裝完所需系列軟件后，工作人員對各種實驗操作進行相應測試，檢查其工作狀態(tài)。CPU冗余切換測試為達到系統(tǒng)冗余控制的要求，并且減少系統(tǒng)停機的時間，需要檢查系統(tǒng)正常運行的CPU出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)是否能夠切換到另一 CPU。通訊功能測試PC上位機與PLC之間通信由上位機監(jiān)控界面觀測設(shè)備狀態(tài)變化及工作情況判斷，通過

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

13、及工作狀態(tài)等信息，判斷整個設(shè)備及輸入回路的工作狀態(tài)。測試數(shù)字信號輸出通過Step7軟件控制各輸出端口，并觀察相應狀態(tài)指示燈，進而由繼電器控制現(xiàn)場設(shè)備，判斷繼電器當前開關(guān)狀態(tài)，確認設(shè)備當前工作狀態(tài)是否正常，從而判斷數(shù)字信號的輸出端和現(xiàn)場設(shè)備之間的連線是否工作正常。測試PLC操作程序根據(jù)流程工藝及對設(shè)備的要求，由操作人員通過現(xiàn)場放置的操作裝置或WinCC監(jiān)測界面完成相應操作，可以通過Step7編程軟件對控制程序進行監(jiān)控檢查判斷是否滿足控制功能。3、3測試結(jié)果及分析對于測試部分，文章只針對幾個重要測試內(nèi)容的測試結(jié)果進行分析。CPU冗余切換功能人為為系統(tǒng)其中一正常運行的CPU制造故障，如果系統(tǒng)工作正常且并無信息丟失或報警、沖突信息丟失，則表明系統(tǒng)已經(jīng)迅速及時的切換到另一 CPU。測試結(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模擬信號輸入選擇1PLC中的11次站系統(tǒng)中的第一塊模擬信號輸入端口為例，分析該模擬信號輸入端口測試結(jié)果，假定輸入端輸入信號為420mA的模擬信號。測試結(jié)果如表1所示：表1模擬量輸入測試結(jié)果測試結(jié)果表明，該設(shè)備模板端口模擬信號輸入工作情況正常，現(xiàn)場設(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，通過它實現(xiàn)冶金過程中各模式下的真空狀態(tài)。通過測試確保真空泵正常工作，操作人員只需