康 亮，張愛民
（唐山中厚板材有限責(zé)任公司 河北 唐山 063000）
【摘要】轉(zhuǎn)爐煉鋼副槍系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在不中斷吹煉或不倒?fàn)t的情況下從轉(zhuǎn)爐中獲取鋼液成份、溫度、氧含量等所需信息 該系統(tǒng)操作便利，架構(gòu)合理。并且可通過二級(jí)計(jì)算機(jī)的模型完成對(duì)煉鋼全過程的自動(dòng)控制；不僅能將操作者的工作強(qiáng)度有效降低還可減少轉(zhuǎn)爐每爐次的吹煉時(shí)間。主要目的是節(jié)省能源和物料消耗，追蹤優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉過程，提高其管理水平，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的。
【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)模型
1 引言
當(dāng)前唐山中厚板公司轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)的3 座120 噸轉(zhuǎn)爐先后安裝了轉(zhuǎn)爐副槍裝置，解決了在不中斷吹煉以及不搖爐的情況下，如何獲取轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)溶液的各種所需信息的難題：其中包括1 熔液的溫度2 熔液的碳含量3 熔液的氧含量4 熔液的液面高度5 取樣分析等功能。
根據(jù)副槍測(cè)量取樣的數(shù)值來調(diào)節(jié)吹氧值的大小及轉(zhuǎn)爐中熔劑的添加數(shù)量，憑借轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)控制相關(guān)模型針對(duì)冶煉所必需的氧含量及冷卻劑添加的多少進(jìn)一步校正計(jì)算。從而達(dá)到溫度和碳的設(shè)定值，避免轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹，使得直接快速出鋼得以實(shí)現(xiàn)。
副槍及轉(zhuǎn)爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：使操作效率得到提高，自動(dòng)過煉鋼得以實(shí)現(xiàn)；提高吹煉終點(diǎn)時(shí)的碳含量；熔液溫度的雙命中率；實(shí)現(xiàn)“一鍵煉鋼”的自動(dòng)煉鋼方式；降低補(bǔ)吹次數(shù)；減少鋼渣鐵含量；增加爐襯壽命；提高廢鋼的熔化效率；并實(shí)現(xiàn)管理的信息化。
計(jì)算機(jī)煉鋼其主要目為節(jié)約能源和降低物料消耗，節(jié)省噸鋼成本，追蹤優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉過程，提高其管理水平，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的。
2 副槍功能
冶煉時(shí)，副槍系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇并安裝探頭。其進(jìn)入轉(zhuǎn)爐到指定高度，測(cè)量鋼水溫度、鋼水凝固溫度、吹煉后的熔池液位等數(shù)據(jù)。在接近吹煉終點(diǎn)時(shí)，副槍進(jìn)入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行過程檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)以計(jì)算吹氧量和冷卻劑的添加量。同時(shí)，檢測(cè)樣本回收分析，判斷終點(diǎn)的鋼水成分。
吹煉結(jié)束后，副槍可再次檢測(cè)取樣確定終點(diǎn)溫度、碳含量、氧含量。副槍系統(tǒng)可自行取下探頭，降至操作平臺(tái)，以便維護(hù)。
3 副槍系統(tǒng)的硬件配置
中厚板公司轉(zhuǎn)爐副槍的設(shè)備分為副槍旋轉(zhuǎn)裝置；副槍橫移裝置；升降裝置；本體；探頭存儲(chǔ)、副槍供應(yīng)、副槍收集裝置，閥站及配管；副槍口密封和刮渣裝置；副槍運(yùn)輸及副槍存儲(chǔ)設(shè)備。見圖1。
轉(zhuǎn)爐煉鋼廠總體自動(dòng)化從功能上分為三級(jí)：
一級(jí)：煉鋼基礎(chǔ)自動(dòng)化分為電氣、操作站和儀表控制系統(tǒng)。其主要功能針對(duì)轉(zhuǎn)爐操作的過程實(shí)現(xiàn)控制，針對(duì)生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)順序控制，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)煉鋼數(shù)據(jù)的采集。最終實(shí)現(xiàn)和其余系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通訊。
二級(jí)：實(shí)現(xiàn)過程控制的計(jì)算機(jī)基本以單個(gè)或更多的高性能服務(wù)器做為核心，實(shí)現(xiàn)鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉爐以及連鑄等區(qū)域流程的生產(chǎn)控制。當(dāng)系統(tǒng)E R P 投入運(yùn)行或者未設(shè)計(jì)三級(jí)機(jī)的情況下，擔(dān)負(fù)冶煉生產(chǎn)的計(jì)劃管理。
三級(jí)機(jī)：ERP 系統(tǒng)。
4 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)
一級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)分布式的總線控制系統(tǒng)（D C S）方式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用工業(yè)以太網(wǎng)及Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線相互結(jié)合的模式，各主站間以及操作員工作站的網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以太環(huán)形網(wǎng)，它采用TCP/IP 通訊協(xié)議；其每架DP 網(wǎng)內(nèi)主站通過Profibus-DP/PA 的總線下掛遠(yuǎn)程工作從屬站（I/O）、各種儀表執(zhí)行器、交流變頻器。
基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件包括：P L C 裝置、遠(yuǎn)程（I / O）工作站柜等設(shè)備；H M I 系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)；基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；操作臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)操作箱；編程和維護(hù)設(shè)備。
基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（L1 級(jí)）主要功能：
（1）基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)用于完成全線設(shè)備的自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集和參數(shù)調(diào)整，并具備通訊功能。
（2）基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的各種功能，及其實(shí)現(xiàn)控制的方式（手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)、維修）。
（3）副槍的P L C 控制系統(tǒng)的功能包括：副槍的旋轉(zhuǎn)、升降的控制、密封帽刮渣器裝置和探頭自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)等，選用S i e m e n s 系列高端P LC。副槍旋轉(zhuǎn)角度和副槍的高度位置檢測(cè)由高速計(jì)數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)。模擬量I / O模塊以及各類數(shù)字I / O 模塊，其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)狀態(tài)信息及測(cè)量結(jié)果通過通訊接口實(shí)現(xiàn)，同時(shí)借助以太網(wǎng)絡(luò)及其它HMI、PLC 通訊，與轉(zhuǎn)爐的二級(jí)機(jī)連網(wǎng)通訊，向轉(zhuǎn)爐的二級(jí)機(jī)傳送其副槍測(cè)量結(jié)果以及接收轉(zhuǎn)爐的二級(jí)機(jī)控制信號(hào)。
5 副槍控制的方式為以下三種
手動(dòng)：操作人員針對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的操作。同時(shí)，二級(jí)計(jì)算機(jī)未向一級(jí)傳送其設(shè)定值，但操作全過程中，實(shí)際數(shù)據(jù)可以由一級(jí)并向二級(jí)計(jì)算機(jī)傳送。
自動(dòng)：操作人員使用基礎(chǔ)自動(dòng)化中人機(jī)界面手動(dòng)輸入操作過程的數(shù)據(jù)，經(jīng)過確認(rèn)后方能通過PLC 并對(duì)每個(gè)設(shè)備采用自動(dòng)順序操作。同時(shí)，二級(jí)不向一級(jí)傳送相關(guān)工藝設(shè)定值，但是操作過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)可以由一級(jí)傳送至二級(jí)計(jì)算機(jī)。
計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)控制所需各種條件都滿足的情況下，
自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)選擇該控制方式，該方式不需要人為干預(yù)。此方式下，二級(jí)計(jì)算機(jī)向一級(jí)自動(dòng)傳送各種模型設(shè)定值及吹煉模式，經(jīng)過一級(jí)機(jī)確認(rèn)后，自動(dòng)化控制系統(tǒng)將依據(jù)二級(jí)傳送的設(shè)定值自主完成工藝操作，操作員僅需要在一級(jí)和二級(jí)的HMI 上監(jiān)視全部生產(chǎn)過程。
操作執(zhí)行中的實(shí)際過程數(shù)據(jù)由一級(jí)系統(tǒng)并向二級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)送。
6 副槍主要控制功能
6.1 升降控制通過交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行升降。其電機(jī)通過V V V F 裝置所帶得閉環(huán)控制回路來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的控制。現(xiàn)場(chǎng)的位置控制通過兩個(gè)編碼器相互校對(duì)，兩只接近感應(yīng)開關(guān)、兩只機(jī)械極限開關(guān)和其它輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)位置控制。
6.2 旋轉(zhuǎn)控制通過一套V V V F 變頻裝置并驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)場(chǎng)的位置控制通過編碼器和四個(gè)接近感應(yīng)的極限開關(guān)以及兩個(gè)機(jī)械極限開關(guān)和其它輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)位置控制。控制系統(tǒng)應(yīng)用的測(cè)量方式為旋轉(zhuǎn)定位，目的為副槍機(jī)構(gòu)可以移動(dòng)到固定的聯(lián)接位來聯(lián)接探頭，進(jìn)行測(cè)量時(shí)同時(shí)移動(dòng)到測(cè)量位，還可依據(jù)廠房的結(jié)構(gòu)位置來確定其維修位。
6.3 副槍探頭連接控制指副槍探頭從探頭倉(cāng)去翻轉(zhuǎn)臂間的順序控制。副槍探頭先從倉(cāng)中依靠氣缸的控制下到運(yùn)輸機(jī)上，而后通過氣動(dòng)馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)使其傳輸?shù)椒D(zhuǎn)臂之上，等待翻轉(zhuǎn)臂自身的探頭夾持器經(jīng)過閉合后翻轉(zhuǎn)臂再轉(zhuǎn)至垂直位，然后副槍下降安裝探頭。
6.4 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)和副槍的連鎖控制副槍測(cè)量時(shí)，氧槍的吹氧量及轉(zhuǎn)爐底吹的氣體流量控制務(wù)必下降到規(guī)定的區(qū)間內(nèi)；此時(shí)轉(zhuǎn)爐也要保持在垂直位置。所有的相關(guān)連鎖條件通過轉(zhuǎn)爐副槍PLC 和轉(zhuǎn)爐其它PLC 間進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)。
7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
S I E M E N S S T E P7 作為進(jìn)行控制器的編程軟件，SIEMENSWINCC6.0 作為HMI 的監(jiān)控軟件。控制器程序的功能模塊主要有：判定控制模式、手動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制、探頭連接控制、測(cè)量過程控制、與DIRC 之間的通訊、復(fù)位過程控制、故障報(bào)警與二級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通訊。
一級(jí)HMI 畫面有以下3 類：
（1）過程狀態(tài)：用于針對(duì)全測(cè)量過程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種信息進(jìn)行監(jiān)視，例如副槍的旋轉(zhuǎn)、升降、結(jié)晶器的碳含量及氧含量，鋼液的溫度等。
（2）過程控制：該畫面允許操作人員調(diào)節(jié)某些工藝參數(shù)及設(shè)定值，例如冷卻水流量及壓力、探頭選擇等。
（3）過程管理：該畫面針對(duì)副槍運(yùn)行及測(cè)量過程實(shí)行管理，含故障報(bào)警的管理及起動(dòng)條件管理，其控制過程是：操作工發(fā)出指令，探頭倉(cāng)中的探頭被自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)取出，使其其連接于副槍上，系統(tǒng)判定其具備運(yùn)行的條件后，控制副槍并將其旋轉(zhuǎn)至測(cè)量位，最終完成全測(cè)量過程。
用聯(lián)接周期和測(cè)量周期舉例，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
8 結(jié)語(yǔ)
中厚板公司的副槍控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，操作方便，通過二級(jí)計(jì)算機(jī)模型完成全煉鋼過程的控制，最終不僅降低勞動(dòng)者的強(qiáng)度，還縮短了每爐次的吹煉時(shí)間。這對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升、生產(chǎn)成本的降低都起到至關(guān)重要的作用。
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