转炉炼钢自动化控制

信息化技术与控制　本钢转炉自动化控制系统　王其瑞，孟利明，余岩，王雷　（北京金ｆ￡＿｝灭止智能控制股份有限公司，：ｆＥ京ｌ０００７０）　

［摘要］文章描述ｒ本钢炼钢厂‘１８０ｔ转炉基础自动化和传动控制系统的结构，行着重介绍ｒ废系统特点的儿个方而，　最后描述了系统的应用情７兑。　［关键词］转炉；基础自动化；现场总线；交换机；主传动　［中图分类号］Ｔｉｔ２３７　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１００２—１１８３（２００６）０１—００２３—０３　

Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｆ　Ｂｅｎｘｉ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．　ＷＡＮＧ　Ｑｉ—ｒｕｉ，ＭＥＮＧ　Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＹＵ　Ｙａｎ，ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＡｒｉＴｉｍｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｏ．Ｌ　ｔＩ．．Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌ０００７０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂａｓｉｃ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｎｌ　ｆｉ）ｒ　１８Ｏ［ｏｕ　ｅｏｌｗｅｌ’ｔｅｒ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ　ｐｌａｎｔ　ｉｎ　Ｂｅｎｘｉ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ。ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｐ１）ｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｂａｓｉｃ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄｂｕｓ；ｓｗｉｔｃｈｂｏａｒｄ；ｍａｉｎ　ｄｒｉｖｅ　

本钢板材股份有限公司炼钢厂于２００４年新建了　两座１８０ｔ顶底复吹转炉——４　、５　转炉。整个自动　化控制系统的配置达到当今国内领先水平，电气仪表　（Ｅ１）控制一体化，具有方便、快捷和非常友好的人　机操作界面（ＨＭＩ），Ｅｌ网络数据通讯一体化，具有　高速、大容量和开放的技术性能。　ｌ基础自动化系统　１．１控制系统结构　控制站采用西门子ｓ７—４００ＰＩ　Ｃ系列，ＣＰＵ选用　４００系列中高性能的ＣＰＵ４１６—２ＤＰ，远程站采用当前　先进的现场总线产品（ＴＵＲＣＫ　ＦＬＤＰ系列模块），编　程软件使用西门子ｓＴＥＰ７　Ｖ５．２。数据通讯网络以德　国赫斯曼工、　型光纤交换机ＭＩＣＥ系列为核心构成　１００Ｍ高速光纤环网，各控制ＰＬＣ通过ＣＰ４４３—１以太　网通讯模板和ＩＴＰ工业双绞电缆连接至工业以太环网　上，各站远程操作箱、操作台以及氧枪、倾动、投料　变频器则通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网连接到其主ＰＬＣ站　上，操作站采用工业计算机配中文ＷＩＮ２０００＋ＳＰ３操　作系统，ＨＭＩ监控软件采用西门子ＷＩＮＣＣ５．１，通过　以太网卡经ＩＴＰ电缆与工业以太环网相接。　１．２控制系统的特点　系统具有以下特点：　（１）电气、仪表和汁算机系统采用网络连接，实　现ＥＩＣ三电一体化　（２）电气和仪表采用相同的控制设备，编程及控　制统一，且挂在同一个网络上，通汛方便，减少了通　讯硬件接口，合理分担控制功能：电气和仪表采用相　同的操作站，操作简化且统一，有利于稳定生产。　（３）远程站　现场操作箱、操作台等远程站采用工业现场总线　产品（ｒｒＵＲＣＫ　ＦＬＤＰ系列），极大地减少了设计工　作量、电缆施工量等，各箱体通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ　网连接，提高系统的可靠性和维护方便性。　１．３网络通讯　本钢４　５　转炉自动化系统巾的数据通讯网络是　以德国赫斯曼工业型光纤交换机Ｍ　ＩＣＥ系列为核心构　成的１００Ｍ高速光纤环网　赫斯曼ＭＩＣＥ系列交换机采用灵活的构网方式，　无论在控制柜或分散的现场操作箱内都可以结合各种　功能以达到特殊的要求。它采用无风扇散热方式，可　以冗余供电，支持ＨＩＰＥＲ—Ｒｉｎｇ，达到了很高的可　靠运行等级。模块化结构是ＭＩＣＥ的突出特点之一，　它由一个交换机和若干通讯介质模块组成，交换机包　含除了网络接口以外的所有工业交换机的功能，而介　

［收稿日期］２００５—０６—０９　［作者简介］王其瑞（１９６５一），男，北京人，硕士，毕业于冶金自动化研究设计院，高级丁程师，从事自动化工稗设计及管理　工作　

工业计量２００６年第１６卷第１期　・２３・　

维普资讯 http://www.cqvip.com －ｆ．ｇ－息化技术与控制　质通讯模块提供了网络的接口功能。这一切可使你按　照要求选用设备，避免了资金的浪费，模块化结构也　为用户的投资提供了保障。另外ＭＩＣＥ网络交换机提　供多种方法管理网络系统：①通过Ｖ．２４串行口连接　进入ＭＩＣＥ提供的用户介面；②在网络上的任意位旨　通过Ｗｅｂ浏览器访『口Ｊ　ＭＩＣＥ　ｊ：提供的用户友好介面；　③集中地使用ＳＮＭＰ管理软件，如ＨｉＶｉｓｉｏｎ软件，　访问ＭＩＣＥ上的ＳＮＭＰ代理机构。　１．４系统控制方式　转炉ＰＬＣ系统其有１５套，按每转炉、公用系统　分开的原则设置，以保汪一座转炉检修或故障情况下　不影响其他转炉正常运行。　单体设备的基本运转分为自动、手动二种方式，　操作场所分为中央、现场两种选择。系统的运转分为　计算机、自动、手动　种方式，操作场所固定为中　央。在“计算机”方式下ＰＬＣ接受Ｉ　，计算机模型数　据并进行实时控制，包括氧气流量、底吹气体种类及　流量、氧枪高度、副原料种类及重量；在“自动”方　式下，ＰＬＣ根据内部保存的吹炼计划模式自动进行　炼钢；在“手动”方式下，ＰＬＣ根据人工设定数据　控制炼钢生产。　根据转炉炼钢的生产上艺特点，中央控制室操作　站ＣＲＴ的数量每炉配置３台。在正常操作时，３台　ＣＲＴ分担的监控内容有所区别，但在异常情况下可　以互相备用，甚至用１台ＣＲＴ也可以完成吹炼作业。　主要监控内容有顶底复吹、氧枪倾动、副原料和铁合　金投料、汽化冷却烟气净化、一次除尘、二次除尘　等。在系统上料操作室、风机房操作室和二次除尘操　作室分别设立操作站监视各自的设备。为安全起见，　防止误操作，各炉操作站设计成专用形式，即本炉操　作站只能操作本炉设备，不能控制其他转炉设备，但　公用设备除副原料上料系统外在各炉均　町操作。　设备的运转操作及监视基本上通过中控室的操作　站画面完成，为了生产的安全性和方便性，设置了硬　件操作台，上面设有必要的操作开关、操作按钮、数　据　示及关键设备的紧急停止按钮等。　ＰＬＣ软件的开发采用了模块化的方式，在编程　前规划好ＰＬＣ的内存和数据块，划分站问通讯数据　区及ＨＭＩ显示数据区；不同类型的程序采用不同的　组织块调用，吹炼时钟、流量累加、ＰＩＤ调节采用定　刷期涮用；根据工艺特点，采用多种编程逻辑，如对　过程级数据处理采用语句表编程，对底吹控制采用顺　序功能图编程等；对操作数据进行安伞性处理，如对　设定数据的合理性检验、变化速率的约束等。　在控制功能上，实现了在“计算机”方式下的全　・２４・　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ：ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　ｌｌ＆　∞ＮＴＲ。Ｌ　程自动化炼钢，该系统具有以下主要功能和特点：　（１）副原料、铁合金上料的优先顺位控制。根据　“料仓组合设定表”中规定的优先顺序输送，而不是　根据料空的顺序输送，以满足转炉工艺的控制要求。　（２）炉顶料仓的存库量管理。根据炉顶料位计、　料位丌关和．　料皮带秤信号汁算炉顶料仓的在库量，　并对落差量进ｉ彳实时修正。　（３）吹炼的状态迁移控制。根据吹炼汁划表　（ｓｃｈｅｍｅ）和现场设备状态控制氧气流量、底吹气体　种类和流量、氧枪枪位、副枪测量、副原料种类和投　入量。　（４）汽包水位的自动控制　根据吹炼时期对锅炉　汽包水位实行三冲量或单冲量调节　（５）氧枪和倾动系统采用交流传动控制，配置紧　急后备电源。在紧急情况下，保证设备的安全性。　（６）副枪系统也采用交流传动控制，配置紧急后　备电源，数据处理采用ＤＩＲＣ计算机系统，具有测　温、定碳、定氧功能，可使用ＴＳＯ定氧探头进行液　面的测量计算　．　２电气传动控制　炼钢系统是钢铁厂的中心环节，转炉倾动、氧枪　升降电气传动设备的控制尤为重要，它与吹氧系统有　着最直接的联系，电气设备的控制速度与定位精度直　接影响到冶炼周期和吹氧效率，【大Ｊ此如何控制转炉倾　动设备以及如何自动快速精确地进行氧、副枪位置控　制成为提高钢产量及质量的关键。　２．１转炉倾动装置电气传动及控制方式　（１）电气传动　电气传动一般可采用公共直流母线和单独一对一　传动两种形式，而采用单独一对一传动形式从调速性　和ｎ　靠性等方面均具台优越性。本钢４　５　转炉采用　的是　独　对一传动控制方式，变频器选用两门子　ＳＩＭＯＶＥＲＴ　ＭＡＳＴＥＲＤＲＩＶＥＲＳ　６ＳＥ７０系列三相交　流矢量控制变频器。该装置的控制功能有：带编码器　的矢量控制应用于需要高度精确转矩和动态响应，无　编码器的矢量控制在水泵、风机的简单应用和Ｕ／ｆ　控制。　（２）传动控制　４台转炉倾动电机同轴刚性连接，如果４台电机　的输出转矩不平衡，即电机输出转矩大小不一，必会　造成电机负荷的水平衡，缩短电机使用寿命。因此必　须解决４台电机负荷甲衡问题　采用一对一传动方　式，可在传动装置上设胃“丰一从”方式，确定主传　动装置，通过脉冲编码器引入速度反馈信号，设置公　用的调速调节器，将主传动的电流调节器的输入信号　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　２００６　Ｖｏ１．１６　Ｎｏ．１　

维普资讯 http://www.cqvip.com 信息化技术与控制　同时输出到三台从装置的电流调节器中，由于电流调　节器的输入信号是相同的，其输出也相同，故４台电　动机可保证在等同的负荷下运行，从而保证了运转设　备的平稳性和负荷的均衡性。　４台变频器与主ＰＬＣ之问通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ　网连接，每台变频器通过网络接受控制指令和速度给　定，并将设备的运行状态传送给主Ｐ　Ｊ＿ＪＣ；４台变频器　通过ｓＩＭＯＬＩＮＫ光纤网连接成一个环形结构，实现　“一主三从”的控制思想，完成主／从设备之间的数据　通讯。　２．２氧枪的电气传动及其自动控制　（１）电气传动　每座转炉设有２套氧枪升降机构（Ａ枪和Ｂ枪），　配备２套变频控制柜（Ａ枪电控柜和Ｂ枪电控柜）和　一套制动控制柜，一套作为工作枪，另一套作为备用　枪。变频器选用西门子ＳＩＭＯＶＥＲＴ　ＭＡＳＴＥＲ—　ＤＲＩＶＥＲＳ　６ＳＥ７０系列三相交流矢量控制变频器。　传统的设计是“对应”控制方式，即Ａ枪变频　器控制Ａ枪电机，Ｂ枪变频器控制Ｂ枪电机。而在　本钢４　５　转炉自动化控制系统中，两套氧枪装置增　加了“交换”控制方式，即：当选择开关置于“对　应”控制时，还是Ａ枪变频器控制Ａ枪电机，Ｂ枪　变频器控制Ｂ枪电机；而当选择开关置于“交换”　控制时，在不进行台车交换情况下，就可完成Ａ枪　变频器控制Ｂ枪电机，而Ｂ枪变频器控制Ａ枪电机。　氧枪“交换”控制技术是一种全新的控制技术。　正常生产中，两支氧枪的变频器、升降电机可以做到　互为备用。其鲜明的特点有：①机械故障时，在台车　不移动的情况下，可以通过电气快速切换氧枪；②电　气故障时，在不更换变频器、台车不移动的情况下，　可以快速实现氧枪的正常控制。　另外，在氧枪制动控制上，完善了氧枪电机的抱　闸控制，实现了变频器合／分闸、ＰＬＣ程序输出、变　频器本身输出三点联锁控制抱闸，使制动控制技术更　加完善，系统更加安全、稳定及可靠．．主要特点有：　①当变频器因故跳闸后，制动输出自动实现抱闸，确　保了设备的安全；②当ＰＩ　ｃ故障时，无论变频器工　作在什么状态，制动输出都处于抱闸状态，绝对保证　设备不失控，提高了控制系统的可靠性和安全性。　③正常生产过程中，因变频器内部或外部线路原因造　成了变频器不能正常工作和控制输出，可通过ＰＩ　ｃ　输出完成电机的抱闸，保证了系统、设备的安全、可　靠与稳定。　（２）氧枪的自动控制　氧气顶吹转炉的自动控制中，氧枪高度的正确是　工业计量２００６年第１６卷第１期　一个相当重要的环节　采用先进的吹氧量自动控制枪　位定位技术对氧枪的吹炼点进行控制，可使氧枪准确　地停止在工艺操作要求的位置上，其定位的精度相当　高，从而更好地保汪了炼钢过程计算机控制，实现了　自动化。副枪作为另一重要设备，在氧枪下枪吹炼前　测液面高度，在吹炼周期中测温取样，其同样对速　度、位置控制有严格的要求。它们的高度位置控制基　本是相同的，下面以氧枪为例，着重列举其控制要　点　，　①位置控制　氧枪上下移动的距离通过与电动机、卷筒同轴旋　转的两个绝对编码器来计测，即把垂直的位移量转化　为数字量。正常生产中，以其中一个为主，另外一个　绝对编码器与之比较作为校准信号，偏差超出设定范　围时发出报警，过大时急停。　氧枪在多次上下移动过程中会产生突发性数字误　差及编码器数值换算时的累计误差，如不加以修正则　会发生氧枪检测位置与实际位茕的偏差。为解决这一　难题，可在氧枪的换枪位没置校正点。动作周期大体　如下：预先将换枪位的高度实际值存入主ＰＬＣ内存　中；氧枪每次换枪提到换枪位时该信号读入主ＰＩ　Ｃ　中，使此时氧枪实际高度检测记忆值强制性修改。　②自动快速定位控制　现代化的转炉炼钢氧枪在吹氧过程中是根据吹氧　量的不同而自动调整枪位的。吹炼过程中氧枪调整枪　位的速度将直接影响到冶炼周期和钢的质量，因此希　望氧枪能以最快速度准确停止在指定位置。　为了解决这一问题，控制时可以采用位置闭环系　统，将氧枪设定位置与实际位置的偏差值作为控制信　号，并将其转化为一个控制传动装置的速度指令。为　缩短氧枪上升与下降时间，在设定值与实际偏差较大　时，以最大速度运行，当设定值与实际偏差越来越小　达到设定范围时，控制速度给定按照预先给定的函数　曲线减小，最终使氧枪准确停止在所要求的位置上。　３结束语　通过对国外炼钢厂自动化技术的消化移植，结合　本钢当前的具体情况及工艺要求，采用当代先进的技　术设备而开发研制的４　５　转炉自动控制系统，使本　钢炼钢厂转炉的自动控制和生产管理水平跃上丁一个　新的台阶，满足了今后　产和新技术开发、生产管理　和信息管理的需要。　［参考文献］　［１］马竹梧，等＋钢铁工业自动化炼钢卷［Ｍ］．北京：冶　金工业出版社，２００３＋　［编辑：薛敏］　・２　・