基于RSView SE的煉鋼-連鑄過程監控仿真系統

[摘 要] 本文在對煉鋼-連鑄的工藝流程以及仿真參數進行分析的基礎上，運用工廠監控軟件RSView SE建立包括數據采集、各類參數控制、報警控制以及設備起停控制等功能的煉鋼-連鑄過程監控仿真系統。系統已載入生產實際數據運行，效果良好。

[關鍵詞] 煉鋼-連鑄;過程監控;仿真;RSView SE

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2010 . 20. 010

[中圖分類號]TP391.9;TF703.8 [文獻標識碼]A [文章編號]1673 - 0194(2010)20- 0024 - 04

0引 言

在鋼鐵企業的生產過程中，煉鋼和連鑄是兩個關鍵工序，其生產流程復雜、生產設備多、物流縱橫交錯，影響著生產過程的順利進行，以及產品質量的穩定和提高。作為鋼鐵企業生產管理的核心內容，煉鋼-連鑄生產調度不僅需要考慮鋼水到達時間偏差、設備故障，而且還需要考慮鋼水成分不合格、鋼水溫度補償等動態擾動事件。煉鋼-連鑄工序所具有的高溫連續和生產環境高度動態化的特點使得生產計劃與實際結果往往難以吻合，從而導致不必要的浪費甚至重大損失。為了確保安全生產、減少能源損失、降低原料消耗以及保證鋼鐵質量，建立煉鋼-連鑄生產流程仿真系統是十分必要的。

RSview SE是一套專業的HMI仿真軟件，與其他組態軟件相比，RSview SE增加了安全保護、圖形顯示、全局報警、活動及報警記錄、TrendX趨勢圖等功能。其核心部分RSview Studio用來創建圖形顯示畫面，能生動形象地反映生產過程，方便操作人員直接對生產過程進行操作，并能極大地節省工程設計和開發時間。此外，RSview SE可以與其他支持FactoryTalk的軟件共享數據，并且可以與ROCKWELL公司的硬件PLC等快速實現通訊，更加方便從現場讀取實時數據。

本文建立的煉鋼-連鑄過程監控仿真系統在導入已編制生產計劃的基礎上，對生產計劃的執行情況進行監控，為煉鋼-連鑄生產過程的穩定運行提供保證。

1煉鋼-連鑄生產工藝及仿真參數

煉鋼-連鑄生產過程主要是通過轉爐，把從高爐來的鐵水冶煉成鋼水，倒入轉爐下臺車上的鋼包內，通過臺車和吊車的作業，把鋼水包運送到精煉設備處，再通過精煉設備精煉鋼水，以使其達到下道工序要求的鋼水成分和溫度，按工藝要求的精煉作業全部完成后，再通過臺車和吊車，把鋼水包運送到連鑄機實施澆鑄，形成連鑄板坯。

1.1生產工藝特點

煉鋼-連鑄生產工藝特點可以歸納如下[1-2]:

(1)間歇與連續方式相混雜的多階段混合流程式生產過程。轉爐、精煉設備為間歇作業方式，為提高作業效率、降低機器設置次數和生產成本，連鑄機在其中間包壽命之內為連續作業方式。生產的總流程為鐵水預處理—煉鋼—精煉—連鑄，包括多個生產工序，各工序又存在著多個生產設備，生產過程為多階段混合流程式。

(2)物流銜接緊密，具有準時制要求。連鑄生產工藝要求在一個連續生產周期內澆鑄的鋼水成分和溫度滿足一定的工藝限制條件，必須協調間歇式和連續式作業工序的生產節奏，使工序間物流傳遞滿足正確成分、溫度和時刻的要求，保證生產的持續性。

(3)產品種類規格繁多，結構復雜。鑄坯產品鋼種規格繁多，決定了產品結構的復雜性。

(4)生產管理與控制多種信息、多種功能集成。煉鋼-連鑄生產過程調度管理要求實時監視各設備作業狀態、跟蹤各工序物流狀態，在此基礎上在線編制和調整調度計劃，實現整個生產過程的動態管理和控制。來源于管理級、過程自動化級、基礎自動化級的多種性質、頻度、用途及響應時間的不同信息在系統中有機集成，滿足生產過程監視、調度計劃編制、設備管理、數據查詢統計報表等功能需求。

1.2過程參數

煉鋼-連鑄工序具有高溫連續的特點，生產流程復雜，參數眾多，其中最主要的參數有時間、溫度和成分。

1.2.1 時間

時間主要包括工序時間和運輸時間。

工序時間是鋼鐵制造系統中的一個重要參數，它在鋼鐵制造流程中是以時間點、工序位、時間序、周期等形式表現出來，包括組罐、脫硫、提釩、轉爐煉鋼、吹氬喂絲、LF 精煉、RH 精煉、方坯或板坯連鑄工序的作業開始、結束/離開時間點、冶煉、精煉、澆注時間的長短(時間域)，各個工序日、班出鋼爐數、連澆爐數等時間節奏(時間頻)，相鄰工序間的關系和時間序的安排和調控等。

運輸時間同樣也是鋼鐵生產過程中的一種重要的時間參數。各工序間的運輸環節主要包括脫硫工序、提釩工序、轉爐煉鋼工序、爐后吹氬喂絲、LF 處理、連鑄等工序。其中精煉到板坯連鑄采用軌道運輸。其他工序采用天車吊運。

1.2.2溫度

溫度是鋼鐵制造流程多維物流管制的重要工藝參數之一，通過對煉鋼廠生產流程的主要溫度參數進行解析，在結合時間參數優化的基礎之上，建立合理的溫度制度，以保障全廠物流的順行。結合煉鋼廠的實際情況，實測溫度有轉爐溫度、氬前溫度、氬后溫度、大包到連鑄平臺溫度和中間包溫度等。

1.2.3成分

成分是鋼鐵制造流程中的一個重要工藝參數，它不僅影響工藝流程，而且影響鋼材的特性。在鐵水預處理過程中需要進行脫硫、脫磷;轉爐煉鋼流程中要進行脫碳;精煉過程中要伴隨著脫氧、脫氮、脫氫以及合金化操作。實際生產中，我們需要對鋼水中的C、Si、Mn、P、S、O等元素的含量進行監測。

2系統設計方案

煉鋼-連鑄仿真系統采用分布式結構，分別模擬生產過程的不同環節，通過信息交換整體協調，共同模擬整個鋼廠的生產活動過程。煉鋼-連鑄生產過程包括煉鋼、精煉、連鑄3個階段，來自高爐的鐵水經冶煉加工后轉變為鋼水，通過精煉處理保證所需要的化學成分和溫度，然后在連鑄機澆注成規定規格板坯供軋制工序使用。因此系統共包括3個模塊，即煉鋼模塊、精煉模塊和連鑄模塊。整個監控系統的結構如圖1所示。

監控系統要求完成下面的工作:

(1)信號采集:對現場的溫度、液位、流量、熔煉時間等信號進行采集，并進行處理和運算。這些信號由生產現場經檢測變送環節變成標準信號反饋至ControlLogix系統中，RSView組態軟件需從ControlLogix 控制器中獲取數據，兩者之間要采用OPC通信方式。

(2)監控操作:完成系統操作控制、參數設定和系統的啟動和停止。

(3)動態顯示:以圖形和曲線等形式顯示煉鋼-連鑄流程的動態畫面、趨勢圖、報警等。

(4)操作畫面:通過操作畫面查詢實時數據和歷史數據，并打印實時報表和歷史報表。

(5)系統具備可擴展性。

2.1仿真流程

仿真的流程如圖2所示，系統啟動后，首先初始化仿真參數，如仿真開始時刻、仿真時間等，然后輸入生產計劃并放行后，開始進行生產流程仿真，同時收集工藝參數以進行計劃的動態調整。

2.2硬件配置

煉鋼-連鑄生產過程仿真系統是一個集合了冶金工藝技術、計算機技術、網絡技術、數據庫管理技術的有機整體。系統軟硬件平臺的選用，必須能最大限度地描述生產過程的實際情況且能滿足系統的總體建設目標和應用需求。系統的硬件設備主要分為3個部分:上位機系統、下位機系統和網絡結構。

(1)上位機系統。上位機系統負責數據的顯示和處理，包括1臺運行FactoryTalk Directory的計算機、2臺安裝了RSView SE Server軟件的冗余計算機、2臺運行數據服務器的冗余計算機、1臺運行RSView Studio的開發計算機、1臺運行RSView SE Client的客戶端計算機以及1臺運行RSView Administration Console的管理計算機。

(2)下位機系統。下位機系統負責數據的采集，采用AB公司的ControlLogix控制系統，執行用戶控制程序，完成數據采集、輸出控制、與上位機進行通訊等任務。

(3)網絡結構。由于煉鋼-連鑄生產系統的監控和數據采集具有實時性的要求，因此系統對于計算機網絡傳輸性能有較高的要求。因此，系統采用總線型工業以太網(10M/100M)網絡拓撲結構。在這種網絡結構中，各個節點之間是平等的，任意兩個節點之間的通信可以直接通過網絡進行，而不需要通過其他節點的介入。

2.3軟件配置

在此系統中主要對上位機進行軟件配置。上位機系統安裝了Windows 2003操作系統，組態軟件為ROCKWELL公司的RSView SE。此外，上位機還裝有RSLinx通信軟件和RSLogix5000編程軟件。

3 系統實現

3.1 監控界面

根據系統的要求，要求對煉鋼連鑄流程中關鍵過程參數進行在線監視，過程監視包括轉爐煉鋼、爐外精煉、連鑄中關鍵過程參數。本系統建立在C/S網絡的基礎上，在各環節都安裝有數據采集站，因此可以實現煉鋼連鑄各環節的數據監控。

(1)煉鋼數據監控界面。界面的中央是轉爐本體，在轉爐的上方是各原料的現有量和已加入的量;左側顯示的是溫度參數，包括氬前溫度、氬后溫度、終點溫度。右側顯示耗氧量和供氧強度的數值。所有的參數均由數據站采集，反映了實際生產的數據。

(2)精煉數據監控界面。主要用于監控精煉過程中的一些參數，包括S、O、H、N的成分含量以及鋼水溫度。由于這些元素直接影響到鋼產品的質量，因此需要對這些參數設置報警，當各參數的含量超過警戒值時，系統就會報警。

(3)連鑄數據監控界面。能夠清晰地反映出連鑄中鋼水經鋼包、中間包、結晶器、二冷等設備的流程，并進行相應數據的采集。系統為二流連鑄系統，監控參數包括溫度、壓力、水流量、溫差等參數，并對連鑄過程進行了動態模擬，模擬動作與設備現場流程保持一致，可以達到很好的監控效果。

3.2趨勢圖

在鋼鐵生產中，有許多參數會影響鋼材質量和性能，如溫度、鋼水中的成分等，因此需要對各參數進行實時跟蹤。趨勢圖是實時數據或歷史標簽數據的一種可視化表示，可以幫助操作員跟蹤工廠中正在發生的活動，通過對主要參數變化趨勢的描述，反映出整個系統運行的好壞。

3.3 報警

在煉鋼連鑄生產流程中，因為系統復雜，考慮的因素很多，所以需要設置故障報警的位置也較多，比如精煉爐中S、O、H、N的含量，出鋼鋼水的溫度等。利用界面報警符號來監視報警信息，有助于避免由于生產停工帶來的巨大損失。為了最大限度地減少損失并便于追查損失的原因，在整個生產過程中，要始終觀察和跟蹤系統中出現的事件。

4通訊設置

通訊在組態軟件中起著非常重要的作用，網絡中計算機之間的訪問、上位機和下位機直接的數據交換都離不開通訊，它將整個系統連成一個統一的有機整體。一般來說，通訊需要設置FactoryTalk Directory、OPC服務器等。

4.1FactoryTalk Directory

FactoryTalk Directory能夠幫助應用項目的各個組成部分在單臺計算機或者網絡上找到對方。用戶也可以設置網絡，以便多個應用項目共享一臺FactoryTalk Directory計算機，或者多個應用項目使用多臺FactoryTalk Directory計算機。本系統使用一臺FactoryTalk Directory計算機。

4.2OPC 通訊

OPC是OLE for Process Control的簡稱，可以通過不同廠商特定的OPC服務器將RSView SE連接到通訊設備。由于本系統采用的是AB公司的ControlLogix控制系統，而RSLinx是ROCKWELL公司專門為其產品生產的OPC服務器，且支持OPC-DA 2.0，因此系統使用RSLinx作為OPC服務器，使RSView SE能夠從ControlLogix控制器設備獲取標簽數值。

為了提高系統的安全性和穩定性，系統還提供數據訪問冗余。在另一臺計算機上建立另一個OPC服務器，然后在主數據服務器上進行冗余設置，使得在主數據服務器失效時客戶端能夠指向從服務器。

5結束語

由于煉鋼-連鑄工序具有高溫連續、生產環境高度動態化的特點，如何對其進行實時有效的監控是鋼鐵企業生產管理中的重要問題。本文分析了煉鋼-連鑄生產過程的工藝流程，在歸納其工藝特點的基礎上，確定了仿真系統參數;從系統結構、仿真流程、系統硬件和軟件配置等方面提出系統設計方案，運用RSView SE軟件，建立包括數據采集、各類參數控制、報警控制以及設備起停控制等功能的煉鋼-連鑄過程監控仿真系統。系統導入實際生產數據后，運行正常，達到預期效果。

主要參考文獻

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