安鋼100t轉爐LF爐控制系統的改進

楊伏林 王嵐瀟 劉宇飛 郭 穎 劉文平

( 安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

第一煉軋廠100 t 轉爐LF 爐是轉爐工程配套的主要設備，工藝流程是轉爐出鋼結束后，將來至轉爐的鋼水經鋼包由天車吊運至LF 爐鋼包車上，接通鋼包底部氬氣吹氬，然后開車將鋼水送至LF 爐冶煉位，下電極送電加熱。在精煉過程中進行測溫取樣，根據分析結果，以適當的功率加熱，加入造渣劑和所需合金，主要功能是使鋼液溫度均勻，成份均勻、純凈，使得鋼液脫硫、脫氧，改變夾雜物形態和分布及準確控制合金元素，為后道工序提供高質量的鋼水。

1 LF 爐控制系統組成

1．1 控制系統基本結構

根據LF 爐生產的要求與工藝流程的特點，控制系統的配置使用PLC 控制系統，對參與聯鎖和控制的生產設備的工藝過程進行集中監控。從系統總體結構上，考慮以一體化的控制系統結構，構成一個功能分擔合理、層次清晰，集生產管理、過程控制為一體，安全、高效、開放的控制系統，為生產采用新工藝改造、新技術及提高勞動生產率等方面提供必要的基礎。設1 個集中控制室，內設1 臺工程師站HMI、1 臺操作員站HMI，負責硬件下載、軟件編制、完成人機界面的監控操作，通過畫面輸入有關工藝操作數據，向PLC 下達控制命令，另外，HMI 通過PLC 可采集生產過程中的各種檢測數據，并以數據文件及生產流程圖等形式在CRT 上顯示。

系統主要由兩臺PLC 控制，均為SIMENS S7 －400，構成PROFIBUS－DP 主從網絡結構;主PLC 完成電極調節、高壓系統功能，從PLC 完成加料稱量、液壓系統、鋼包車等功能，從PLC 的I/O 點數較多，設有一個擴展機架。交換機使用西門子產品OSM TP62，可以監視網絡狀態并可輸出報警。根據技術資料，含有50 個OSM 的以太環網，當冗余管理器檢測到兩側網絡斷線時，它重建網絡結構的時間不大于0．3 s;使用交換機的port7 和port8 兩個光纖口，連接成環網，同時把某一個OSM 設置為冗余管理器，實現了冗余控制。除了CPU 外，在主機架上還有CP443 通訊模塊，這個模塊的作用是負責與交換機的連接，從而實現與OPC 服務器之間的通訊［1］，實現數據的交換。原網絡系統如圖1 所示。

圖1 原通訊網絡系統示意圖

除塵風機由S7 －300PLC 單獨控制，帶一個操作面板TP170，沒有與LF 爐主PLC 進行通訊。

1．2 一級自動化系統主要功能描述

主站控制系統:完成電極調節及升降、高壓系統功能。

從站控制系統: 完成加料稱量、液壓系統、鋼包車、氬氣攪拌及儀表設備數據采集等功能。

除塵控制系統: 完成LF 爐煙氣除塵及高壓風機的數據檢測。

2 存在問題及分析

安鋼轉爐LF 爐于2004年6月投產，是100 t 轉爐工程的關鍵配套設施，當時為節約投資，公司采用低價中標，雖然自控系統技術先進，達到上世紀90年代國際先進水平，但有部分設計仍不合理，運行不平穩，另外，核心技術設備沒有在LF 爐上使用，不能很好的發揮LF 爐的作用。存在的主要問題有以下幾點:

2．1 電極控制精度低

原系統采用西門子S7PLC 通過PID 調節來控制電極的運動，控制方式為電流控制。電極控制的軟件功能簡單，不能完全滿足生產工藝要求，維護比較困難。根據現場了解的情況，煉鋼時電極波動大，控制精度不高，系統穩定性不夠，冶煉電耗較高。由于弧流控制精度低，響應時間晚，致使轉爐LF 爐電極消耗高( 噸鋼高0．1 kg，電極每噸10500 元) ，由于弧流控制的滯后性，還導致電極抖動，經常發生斷電極現象(月平均2 根) ，電耗偏高。其原因如下:

1) 冶煉電耗與電爐精煉爐( 弧阻控制) 相比明顯偏高，電爐LF 爐每分鐘電耗200 kW·h 左右，而轉爐LF 爐每分鐘電耗250 kW·h 左右，并且熱量不能被有效的吸收，電爐LF 爐每分鐘鋼水升溫在4 ℃～5℃，而轉爐LF 爐每分鐘鋼水升溫在3 ℃～4 ℃。正常情況下，電爐LF 爐每班可冶煉13 爐左右，而轉爐LF 爐每班可冶煉只有11 爐，不僅浪費電能( 每爐冶煉時間在13 min ～14 min，噸鋼高出5 kW·h ～6 kW·h) ，還影響生產節奏。

2) 針對轉爐LF 爐的高耗電情況，采用電爐LF爐進行冶煉，需啟動電爐除塵風機( 1400 kW) 。如果采用轉爐LF 爐，則利用轉爐二次除塵即可，所以又增加了動力電耗( 動力電耗噸鋼增加2 ℃左右) ，造成嚴重的電能浪費; 由于轉爐混鐵爐的除塵環保要求，在轉爐LF 爐不冶煉的情況下，也必須開轉爐LF 爐除塵風機，又造成電能浪費( 噸鋼1． 5 ℃左右) 。

3) 由于電爐LF 爐是電爐配套設備，距轉爐有80 m 遠，在轉爐鋼水吊運過程中，溫降達10 ℃，而轉爐LF 爐是專為轉爐配備，位于轉爐出鋼對面，天車吊運至轉爐LF 爐時溫降小，所以使用電爐LF 爐冶煉又會增加精煉電耗。

2．2 LF 爐除塵風機不能實時控制

LF 爐除塵風機控制系統屬獨立單元，沒有實現LF 爐整個系統的通訊，原轉爐LF 爐系統和除塵系統分別為兩套PLC，承擔各自功能，導致的后果是操作人員不能及時的調節風機轉速，爐前冶煉情況與風機的運行狀況不能很好的配合。本體與風機運行無通訊，無法建立數據聯系，導致風機在冶煉狀態全程高速，風機不能實時控制升降速，造成電能浪費，增加煉鋼成本。

2．3 鋼包底吹氬流量線性度差

原LF 爐底吹氬控制系統采用傳統的底吹流量PID 控制技術，它具有結構簡單、可靠、穩定等特點，但在生產過程中，由于被控對象的非線性、數學模型的不確定性及系統工作點的劇烈變化等因素，底吹氬系統在使用過程中經常出現流量變化大，線性度差的現象，不能有效克服負載、模型參數的大范圍變化及其非線性因素的影響，難以實現準確控制系統的要求。生產過程中遇到的具體問題如下:

1) 使用工程整定的參數，在一定流量要求時控制效果較好，但在另一流量要求下效果變差。

2) 工況變化時無法適應。例如換鋼種( 造渣要求不同) 、換包( 鋼包尺寸變化) 、透氣磚厚度與疏密程度的變化等，即使是很小的差異，對控制系統來說，其參數是有很大的改變，導致控制效果差異很大。

3) 抗干擾能力比較差。例如氬氣壓力的變化、傳感器受到外界溫度和電磁干擾等引起的誤差等等，對系統來說，控制參數是一成不變的，因此對于不同的干擾不能快速有效的響應。

3 改進措施

3．1 更新電極調節控制系統

對電極調節的控制的改造主要是新增一套基于人工神經元網絡技術( ANN) 的智能調節器，此智能調節器結合了神經元網絡技術與PID 控制的優點，智能調節器系統軟件由系統軟件、開發工具及應用軟件構成。智能調節器中神經元網絡調節包括ANN 爐況仿真器和ANN 調節器，所謂ANN 仿真，就是用ANN 來模擬實際的LF 爐的動態響應，即根據時間片N 的輸入信號和LF 爐的輸出( 時間片N+1 的爐況) 來訓練ANN，使得ANN 的輸出逼近LF爐的需要輸出。對大量樣本的分析得出LF 爐的特性，從而在控制過程中可以提前預測控制信號對LF爐的控制效果，控制器根據ANN 仿真器的預測信息來優化控制信號及控制參數( 權值) 。具體實施如下:

1) 增加電極調節控制系統。根據現場電氣控制室內控制柜的布局增設一臺電極調節控制柜，保留原電極控制柜，原電極控制柜不但控制電極升降，而且還控制爐體高壓系統，原系統即采集了電極控制信號點，又采集了高壓系統信號、變壓器保護信號。目前只是改造電極控制系統，若廢除原系統電極控制柜，高壓系統就無法控制。電極控制系統的現場信號電纜都進到原系統電極控制柜內，為了現場減少施工量，降低重新敷設電纜成本，保證系統的完好性，有必要保留原系統電極控制柜，以新增系統與原系統之間通過數據通訊的方式傳送現場控制信號，即簡單又保證了系統的完整性，不增加額外的工作和成本。

2) 增加變壓器副邊電流采集線圈。原系統是從高壓系統一次側電流互感器采集一次電流，經過PLC 程序轉換成副邊電流信號，這樣的電流信號不能真實反應電流有效值，給電極控制帶來不穩定性。采用英國生產的ROCOIL 的羅氏線圈直接從變壓器副邊采集電流信號，可以真實反應煉鋼時電流畸變情況下電流有效值。

3) 增加二次電壓匹配箱。在變壓器旁安裝一臺二次電壓匹配箱，用于二次電壓的濾波、檢測及二次大電流檢測信號的轉接。

4) 通訊。為了從原系統獲得電極控制系統的信號，在原電極控制系統和新系統之間建立數據通訊，通訊方式采用工業以太網。改進后的轉爐LF爐通訊控制系統示意圖如圖2 所示。

圖2 改進后的通訊網絡示意圖

5) HMI 操作畫面完善。原系統HMI 畫面軟件采用的是WINCC5．1 版，為了與原系統保持一致性，在原有的HMI 畫面系統上增加新系統控制參數及狀態顯示畫面。如顯示實際二次電壓、電流;顯示設定二次電壓、電流;顯示實際阻抗計算值;顯示設定阻抗計算值;顯示有功、無功、功率因數及電耗等參數。

3．2 改進除塵風機控制系統

使用工控網絡PROFIBUS － DP 將二者的PLC控制系統建立連接，使風機操作工了解LF 爐生產信息。原來主PLC 為西門子S7 －400，型號414 －2DP，主控室有兩臺工控機進行操作;風機房PLC 為S7 －300，將此作為從站，所以需要添加接口通訊板，模板型號CP342 －5。硬件建立后就可以通過軟件編程實現豐富的應用功能，即可以一方面在風機房控制界面上顯示精煉爐信息，同時可以對LF 爐主控室畫面進行改進，在LF 爐主控室完成風機的直接操作。優化步驟如下:

1) 硬件連接。敷設通訊電纜，兩邊安裝DP 接頭，連接好終端電阻兩邊都需要打至“ON”位置。

2) 精煉爐主PLC 側硬件配置。首先要在項目中添加風機房PLC 站，從風機S7 項目中將整個風機S7 －300 站全部復制過來，然后打開硬件配置，增加DP 從站，存儲區暫定為DI/DO 各四個字節，AI/AO 各8 個字節。DP 地址設定為21。

3) 風機房從站PLC 硬件配置。打開風機S7 －300 硬件配置，增加模板CP342 －5，網絡連接為同一條PROFIBUS － DP 網絡，板子工作模式為slave［2］，地址為21，與步驟2) 主站中設定地址值保持一致。

4) 程序修改。在主從PLC 內增加存儲區域，用于保存信息的發送接收，根據工藝，需要的信息主要有“A 車工作位”、“B 車工作位”、“沒有鋼包車在位”、“有車而且爐蓋已壓下”、“正在送電”、“送電已超過2000 度”六個數字量點。完成上述6 個爐況信息發送及讀取風機轉速等信息，可以定義風機的操作，主要有啟動、停止、升速、降速操作等。

3．3 優化底吹氬控制系統

1) 根據模糊PID 的原理，在PLC 程序中編制一個模糊控制功能塊。LF 爐項目中的CPU 采用西門子公司的CPU414 －2DP，編程語言采用STEP7 V5．2版。該編程工具提供了豐富的功能塊，包括PID 控制功能塊FB41 等，可以直接調用，這樣就為模糊控制算法的實現提供了很好的工具。程序編制的思路是采用分段條件跳轉語句，以傳統PID 控制器的參數為基礎，進行模糊處理，得到相應的P、I 參數的變化值△P、△I，并與傳統原始PID 參數值相加，然后送到功能塊FB41 中作為控制量來實現調節功能。在底吹氬控制系統程序中編制了一個專用的模糊控制功能塊FB100 來實現模糊控制器的功能，并且為這個功能塊配置一個背景數據塊DB100，可以實現相關數值的初始化，同時存儲量化因子及目標底吹流量、反饋底吹流量等參數。整個模糊控制器的功能由三個功能塊FC100、FC101、FC102 來完成。

2) 通過分析底吹氬的現有工作過程，為不同時期的特定目的而采用恒壓變流量操作，去獲得好的“環流”攪拌效果，將整個底吹氬過程根據不同時期的目的分為三段:①加合金微調攪拌時，氬氣流量為高速;②加熱提溫時為中高速;③軟吹除雜為低速弱攪拌;根據爐況與冶煉的步驟要求，這三個步驟由操作者確定時間和流量后即交付控制系統自動控制。

3) 增加底吹氬的操作情況的約束條件，在考慮LF 爐底吹氬的控制方案時一定要把這些因素考慮進去:①開始啟動吹氬時，必須使出口壓力足以吹開透氣磚，并在開吹后能及時將出口壓力迅速減小至略大于鋼水的靜壓力，防止鋼水過氧化，使正常底吹氬順利進行。②由于LF 爐底氬吹過程是一個較為復雜、有一定慣性和滯后、具有非線性、分布參數和時變性的系統，因此，要求在系統受到干擾時，仍能夠保證吹入精煉爐的氬氣量恒定，即要有較強的魯棒性，同時還要滿足精煉時氬氣流量能隨工藝的要求快速、準確地得到調整。

4 改進效果

4．1 電極調節控制系統穩定性

新系統有兩套控制系統，一套是基于人工神經元網絡技術的智能調節系統，一套是常規的PLC 電極調節系統，正常情況下，使用智能調節器系統控制電極系統，智能調節器故障時，電極升降PLC( 熱備) 調節器自動替代智能調節器進行電極升降控制，保障正常生產，同時用于離散量的檢測。

4．2 能源介質消耗

風機控制實現按實時生產情況需要調節轉速，提高風機的控制精度，減少電能浪費，降低了工人的勞動強度。電極智能調節器結合了神經元網絡技術與PID 控制的優點，使電弧控制更加穩定，從而降低了冶煉電耗、電極消耗。

4．3 底吹氬動態特性

底吹氬通過PLC 程序來實現的模糊PID 控制，對模糊規則進行了簡化，流量控制系統能更快速的趨于穩定，而且超調值也大大縮小，抗干擾能力強，包括鋼包透氣磚好壞、氬氣壓力變化、鋼水渣面層厚度變化等。使用效果達到工藝要求，使終點鋼水溫度偏差減少，縮短了加熱周期，提高了生產效率，鋼包中氬氣弱攪拌使得合金收得率提高，更加體現了吹氬合金微調功能，為進一步提高鋼水質量打下基礎。

5 結語

轉爐LF 爐在使用過程中的缺點主要是相比電爐LF 爐能耗較高。通過改進，系統運行比較穩定，降低了動力電耗、精煉電耗、工序能耗、電極消耗，保證了工序的通暢和銜接。另外對電極調節阻抗控制的實現、DP 通訊、網絡數據收發技術、底吹氬控制的優化程序等在同行業中具有極大的推廣和應用價值。

［1］廖常初主編． 西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷． 北京:機械工業出版社，2009:388 －402．

［2］廖常初主編．S7 －300/400PLC 應用技術．北京: 機械工業出版社，2005:310 －320．