鋼包爐底吹系統(tǒng)的自主開發(fā)

錢 輝，連麗珍，宋志華，高幫國(guó)

（武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武漢 430083）

一、系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

武漢鋼鐵股份有限公司某廠二號(hào)鋼包爐原底吹系統(tǒng)采用BronkHorst公司的一體式流量檢測(cè)控制設(shè)備完成底吹流量調(diào)節(jié)。該設(shè)備調(diào)節(jié)功能集成在設(shè)備中，采用總線方式接入Profibus網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)送入PLC。

由于鋼包爐采用電弧加熱，加熱裝置大電流動(dòng)力電纜及電弧均產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)總線設(shè)備有強(qiáng)電磁干擾，經(jīng)常引起設(shè)備掉網(wǎng)。調(diào)節(jié)設(shè)備掉網(wǎng)后，閥門全關(guān)，底吹中斷，引起鋼包爐透氣磚阻塞，減短鋼包使用壽命，并且造成鋼水質(zhì)量降低改判等，經(jīng)濟(jì)損失巨大。另外，調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工況適應(yīng)性差，受供氣壓力流量和雙工位同時(shí)使用等因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)頻繁上下波動(dòng)，波幅較大，給生產(chǎn)和精煉鋼水質(zhì)量造成很大的影響。由于裝置不能滿足多工況需要，且無法進(jìn)行修改，故自主開發(fā)了鋼包爐底吹調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

二、控制目標(biāo)

在鋼包底吹攪拌過程中，如果鋼水吹氬流量過大會(huì)吹穿液面而發(fā)生噴濺，致使鋼水裸露氧化，夾雜物增加。流量過小，不能快速地?cái)嚢?無法達(dá)到去除有害氣體和充分?jǐn)嚢桎撍哪康摹Ｒ虼耍瑢?duì)氬氣流量控制的精度將直接影響鋼水的純凈度和質(zhì)量。

在正常攪拌過程中，操作人員將根據(jù)鋼水在不同階段的攪拌要求，對(duì)攪拌氣體流量隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳的底吹效果。氣體流量可以在人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定，PLC程序?qū)?shí)時(shí)處理從現(xiàn)場(chǎng)流量檢測(cè)設(shè)備采集回來的數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)與溫度、壓力等環(huán)境參量通過數(shù)學(xué)模型聯(lián)合運(yùn)算后得出準(zhǔn)確的實(shí)際氣體流量。依靠PID控制程序?qū)⒃O(shè)定值和實(shí)際值的差值轉(zhuǎn)換為流量控制閥門的動(dòng)作模擬量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制。最終流量偏差可有效控制在±5%以內(nèi)，滿足多工況應(yīng)用并確保品種鋼的生產(chǎn)質(zhì)量。滿足鋼包底吹率由80%提高到100%。由于底吹流量不穩(wěn)造成透氣磚的堵塞罐次量基本消除，從而減少透氣磚堵塞造成的經(jīng)濟(jì)損失。

三、實(shí)現(xiàn)方法

考慮到備件和設(shè)備運(yùn)行等問題，選用國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)控制設(shè)備做替代，接入原管道，由于其特殊工況環(huán)境，選用安全防爆型設(shè)備，按照電磁防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)電纜。利用原有控制PLC機(jī)架，增加I/O控制模板接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制功能。

1.外部設(shè)備

鋼包底吹控制系統(tǒng)的管路由兩條正常支路和事故支路共三條支路組成。當(dāng)?shù)状迪到y(tǒng)正常工作時(shí)，氬氣由正常支路經(jīng)過流量調(diào)節(jié)后吹入鋼包內(nèi)，實(shí)現(xiàn)底吹功能；當(dāng)透氣磚發(fā)生堵塞時(shí)，系統(tǒng)切換到事故支路，加大氬氣壓力，強(qiáng)行吹開堵塞的透氣孔，保證底吹能夠正常進(jìn)行。

底吹系統(tǒng)為了能夠達(dá)到流量的精確控制和最大程度地保障生產(chǎn)正常進(jìn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量支路進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，使用了雙流量控制回路。兩條流量控制支路在生產(chǎn)中同時(shí)使用，在其中一條支路發(fā)生故障時(shí)，可以立即調(diào)整另外一條支路的流量設(shè)定值，滿足生產(chǎn)工藝需要的總氬氣流量。

系統(tǒng)中正常流量控制支路由過濾器、流量調(diào)節(jié)部分、壓力檢測(cè)部分、輸送管道和放散管道等組成。另外，底吹系統(tǒng)在逆止閥和快速接頭之間安裝了放散切斷閥門。在每次系統(tǒng)底吹結(jié)束后，放散閥門自動(dòng)開啟，將殘留氣體放空，防止在操作人員拆卸鋼包快速接頭時(shí)管道內(nèi)殘留的高壓氣體沖出，能有效地保障人身安全（見圖1）。

2.控制系統(tǒng)設(shè)備

本系統(tǒng)采用S7 400主站掛IM153擴(kuò)展機(jī)架的方式進(jìn)行硬件配置，利用300型模板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有優(yōu)異運(yùn)算性能的CPU419進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算，使用CP443實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)包括與其他系統(tǒng)PLC間的過程數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)。PLC與二級(jí)機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，也由CP443通過工業(yè)以太網(wǎng)完成。底吹系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備通過硬線接入I/O遠(yuǎn)程模板采集信號(hào)，擴(kuò)展機(jī)架均通過DP電纜通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，節(jié)省了布線所需大量電纜。避免線路過長(zhǎng)產(chǎn)生干擾。

3.軟件介紹

本系統(tǒng)采用Siemens公司Step7軟件作為下位機(jī)組態(tài)工具軟件。上位機(jī)采用Siemens公司的WinCC軟件進(jìn)行開發(fā)。

四、下位機(jī)組態(tài)

1.系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)的主機(jī)站使用的是Siemens公司S7 400系列，為了節(jié)約成本和減少施工量，設(shè)計(jì)采用了在就地S7 300系列的擴(kuò)展機(jī)站上增加I/O通道的方案，通過Profibus總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)站。

2.系統(tǒng)組態(tài)

S7系列PLC的系統(tǒng)組態(tài)分為硬件和軟件組態(tài)兩部分。在硬件安裝完成后，必須在下位機(jī)軟件中對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)才能正常運(yùn)行。在圖形化的硬件組態(tài)窗口下，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際硬件配置，從設(shè)備列表中選取相應(yīng)型號(hào)的機(jī)架、模板和可分布式I/O等搭建硬件平臺(tái)。在組態(tài)窗口下，對(duì)硬件平臺(tái)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立可分配參數(shù)模板的特性，如啟動(dòng)特性、保持區(qū)等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的性能要求，對(duì)每個(gè)I/O通道的組態(tài)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)置，其中包括定義通道的地址、定義通道的信號(hào)類型及定義信號(hào)的量程范圍。

軟件組態(tài)就是將控制邏輯思想轉(zhuǎn)換成S7系統(tǒng)能夠執(zhí)行的程序代碼。在軟件組態(tài)窗口中，可以根據(jù)控制邏輯在組織塊(OB)、程序塊（PB） 和功能塊（FC）中編寫程序代碼，完成各種控制過程。系統(tǒng)運(yùn)算處理完成的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都可以保存在數(shù)據(jù)塊(DB)中，并通過通信功能發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

3.邏輯功能

底吹系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)均為自動(dòng)操作，同時(shí)操作員可根據(jù)攪拌情況在HMI操作站上進(jìn)行人工干預(yù)。

底吹系統(tǒng)的自動(dòng)控制邏輯主要分為系統(tǒng)啟動(dòng)、流量調(diào)節(jié)、停止和事故狀態(tài)控制四個(gè)部分。啟動(dòng)部分接收啟動(dòng)命令，判斷系統(tǒng)是否具備啟動(dòng)條件；流量調(diào)節(jié)部分根據(jù)工藝流量設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)攪拌氣體流量；停止部分接受停止指令，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止底吹過程；事故狀態(tài)控制部分是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)入緊急控制的過程。下面將詳細(xì)介紹每個(gè)部分的具體控制邏輯流程。

（1） 系統(tǒng)啟動(dòng)

圖2為系統(tǒng)啟動(dòng)過程的邏輯圖。系統(tǒng)在接收到啟動(dòng)命令后，會(huì)對(duì)以下4個(gè)邏輯條件進(jìn)行依次判斷。

①事故切斷閥門是否在關(guān)狀態(tài)，否則將自動(dòng)發(fā)出關(guān)事故切斷閥門指令；

②放散切斷閥門是否在關(guān)狀態(tài)，否則發(fā)出自動(dòng)關(guān)指令；

③當(dāng)攪拌氣體總管的壓力低于0.8MPa時(shí)，系統(tǒng)禁止自動(dòng)啟動(dòng)；

④系統(tǒng)中的任一設(shè)備處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)禁止自動(dòng)啟動(dòng)；

當(dāng)以上4個(gè)邏輯條件全部滿足時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)允許指令，控制邏輯繼續(xù)進(jìn)行下一階段的自動(dòng)控制，否則自動(dòng)控制過程中斷。

（2） 流量調(diào)節(jié)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)允許后，控制程序會(huì)檢查停止命令是否存在。如果存在，系統(tǒng)不會(huì)執(zhí)行流量控制程序；否則，控制系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)氣體流量，鋼包底吹功能正式開始運(yùn)行。

流量控制程序應(yīng)用了PID控制原理，根據(jù)系統(tǒng)的偏差，利用比列、積分、微分計(jì)算出控制量對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3是PID控制的邏輯功能圖，將被調(diào)量CTR_VAR和設(shè)定值SETPT進(jìn)行比較得出差值，經(jīng)過比例、積分、微分作用后的輸出量控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備，達(dá)到被調(diào)量滿足設(shè)定值要求的目的。

（3） 系統(tǒng)停止

圖4為系統(tǒng)停止過程的邏輯圖。系統(tǒng)在接收到停止命令后，會(huì)依次執(zhí)行以下兩個(gè)動(dòng)作：

①發(fā)出關(guān)總切斷閥命令，切斷底吹系統(tǒng)的工作氣體；

②在確認(rèn)總切斷閥為關(guān)狀態(tài)后，發(fā)出開放散閥命令，排放系統(tǒng)管道中殘留的高壓工作氣體。

以上過程中，設(shè)備不能按照系統(tǒng)的指令動(dòng)作，系統(tǒng)將發(fā)出設(shè)備故障信號(hào)，程序跳轉(zhuǎn)到停止邏輯的起始端重新執(zhí)行以上動(dòng)作。如果設(shè)備能夠正常動(dòng)作，在放散閥門開啟10s后，系統(tǒng)將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

（4） 事故狀態(tài)

底吹系統(tǒng)在工作時(shí)，如果調(diào)節(jié)閥后管道壓力超過正常值達(dá)到1.0MPa以上，系統(tǒng)將認(rèn)為是管道或透氣磚有堵塞現(xiàn)象，自動(dòng)轉(zhuǎn)入事故狀態(tài)（見圖5）。事故切斷閥將自動(dòng)開啟，同時(shí)總切斷閥自動(dòng)關(guān)閉，保證事故支路的用氣壓力。此時(shí)底吹系統(tǒng)用總管道上1.2MPa的Ar氣對(duì)管道和透氣磚進(jìn)行吹掃，強(qiáng)行沖開堵塞的氣路。

在事故狀態(tài)控制執(zhí)行過程中，閥門不能按照要求動(dòng)作，系統(tǒng)將發(fā)出設(shè)備故障信息。如果設(shè)備全部按程序動(dòng)作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入事故狀態(tài)（見圖5）。當(dāng)管道內(nèi)的壓力恢復(fù)到低于1.0MPa時(shí)，事故狀態(tài)將自動(dòng)解除。

五、上位機(jī)組態(tài)

1.HMI與PLC數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)

HMI和PLC使用RJ45網(wǎng)線，通過交換機(jī)接入工業(yè)以太網(wǎng)。S7 400系列CPU通過使用CP443實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)包括與其他系統(tǒng)PLC間的過程數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)。PLC與二級(jí)機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，也由CP443通過工業(yè)以太網(wǎng)完成。

2.HMI設(shè)備控制組態(tài)

鋼包爐底吹系統(tǒng)HMI通過屏幕下部?jī)蓚€(gè)按鈕工作條進(jìn)行畫面切換，最底部按鈕條為系統(tǒng)功能分類，底吹系統(tǒng)過程控制在F2類中，點(diǎn)擊進(jìn)入后，選擇Ladle B stirring進(jìn)入底吹控制畫面。

該HMI畫面是對(duì)PI圖1的描述，操作人員和維護(hù)人員可直接在畫面中了解工藝流程控制、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以通過HMI上檢測(cè)點(diǎn)數(shù)值和設(shè)備工作狀態(tài)對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷，也可以通過HMI上面控制畫面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作控制，改變工藝設(shè)定值，從而滿足不同工藝要求，達(dá)到鋼水精煉效果。另外，對(duì)于控制量，如流量、壓力、溫度以及相應(yīng)控制閥門，其相應(yīng)過程量和控制量趨勢(shì)曲線均歸檔在Wincc中，可以隨時(shí)調(diào)出以供查詢。

3.系統(tǒng)說明

（1）HMI上設(shè)備狀態(tài)顯示代表的狀態(tài)

①HMI上系統(tǒng)設(shè)備模式選擇中：A為自動(dòng)模式，M為手動(dòng)模式；

②HMI上的切斷閥閥帽顯示為棕色時(shí)設(shè)備處于自動(dòng)模式，顯示為灰色時(shí)設(shè)備處于手動(dòng)模式；

③主管路的壓力大于600kPa時(shí)為正常，HMI上顯示為綠色；壓力低于600kPa時(shí)為非正常狀態(tài)，HMI上顯示紅色報(bào)警；

（2） 系統(tǒng)功能

①系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鋼包底吹氬和破渣功能，在生產(chǎn)中可以隨時(shí)切換兩種功能；

②可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的1#線和2#線進(jìn)行流量控制調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)范圍為0～1 250L/min；

③系統(tǒng)停止鋼包底吹功能時(shí)，管路放散閥自動(dòng)開啟，保持10s鐘后自動(dòng)關(guān)閉。

六、結(jié)語

LF爐底吹系統(tǒng)是爐外精煉系統(tǒng)重要組成部分，其底吹效果好壞直接影響鋼水品質(zhì)。本系統(tǒng)解決了原有底吹系統(tǒng)設(shè)備掉網(wǎng)問題，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備嚴(yán)格選型保證其設(shè)備特性滿足工藝及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。利用原PLC機(jī)架，增加少量I/O模板將設(shè)備接入系統(tǒng)。采用面向?qū)ο蠓绞介_發(fā)設(shè)備控制程序和工藝控制程序。圖形化操作界面及記錄功能為操作人員提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。LF爐底吹系統(tǒng)投產(chǎn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，雙流量控制回路的設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)在不同工況下對(duì)氣體流量的控制，保證了精煉品種鋼的穩(wěn)定性。其旁路控制可對(duì)鋼包進(jìn)行高壓吹堵操作，極大程度地延長(zhǎng)鋼包的使用周期。對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高鋼水質(zhì)量有顯著效果，在降本增效中取得了可觀的效益。