萊鋼型鋼3200m3高爐出鐵系統自動控制改造完善與實施

孫豐利

(萊鋼設備檢修中心,山東萊蕪 271104)

萊鋼型鋼3200m3高爐出鐵系統自動控制改造完善與實施

孫豐利

(萊鋼設備檢修中心,山東萊蕪 271104)

開鐵口機及泥泡是煉鐵廠的一種常用設備,用來打開鐵口及快速堵鐵口,實現現代化高爐煉鐵。它們的可靠性和使用性能直接關系到高爐煉鐵的生產效率。為了提高勞動生產率,提高經濟效益,在銀山型鋼3200m3高爐爐前自動控制工程的設計上做了充分長遠的考慮,引進國內外先進設備與先進技術,全面實現爐前開鐵口和堵鐵口的自動控制,以適應未來發展的需要。

自動控制 S7-400PLC

萊鋼銀山型鋼3200m3高爐爐前自動控制系統工程是大型H型鋼煉鐵生產線的重要系統。其智能化、高效化是發展趨勢所在。在高爐生產過程中爐前是環境惡劣、勞動強度較大的場合。爐前設備歷來都是操作人員手動操作,若遠離鐵口則不能近距離觀察,若離鐵口太近則相關的電氣設備又無法正常使用,導致生產操作中相關的一些設備參數只能靠經驗積累而無量化概念,因此爐前設備的智能控制配備是很必要的。爐前設備的智能化指爐前設備的控制是以PLC(可編程邏輯控制器)為控制中心,通過使用終端(操作臺、遙控器、液壓站等)對設備實現程序控制、遙控,并能對相應的設備參數(如打泥壓力、流量等)進行設置、調整、顯示和記錄。智能化控制系統根據用戶的使用要求、配置狀況,可選擇高、中、低檔幾種方案。本項目改造完善后,實現了一人、無距離限制開堵出鐵口的理想效果。

1 國內外研究現狀分析及發展方向

(1)控制系統的現狀。該自控系統現采用由西門子S7-400PLC集成控制,通訊通過PROFIBS-DP協議完成,下設3個遠程機架、4個遠程操作臺,8個泥炮編碼器、4個遠程液壓站。其中還有8個開鐵口機編碼器通訊是走SSI協議,由硬線直接連接到遠程機架模板。(2)本系統存在問題。自投入生產以來,通訊網絡的穩定、液壓站的運行狀態、閥臺的信號到位以及機械設備的調整都存在大大小小的問題,高爐每次出鐵時必須用其打開出鐵口以及封堵出鐵口,它們的性能和效率直接影響到高爐的正常穩定生產,為此,我們應該在現有自控設備基礎上,通過優化網絡回路,屏蔽掉干擾信號,增加穩壓電源,加裝遠程啟停泵條件,完善遠程遙控信號穩定以及和機械人員配合調整機械位置。這樣才能使爐前操作工擺脫了地域操作限制,隨時隨地的監控設備動作情況,以及更好的完善了網絡,使系統更加穩定可靠。大大提高了操作精度,是高爐生產穩定順行、高產高效的強有力的保障。(3)國內外同行對比。與其他同行業的高爐爐前自控系統比較而言,這套系統是以可靠性強、操作安全性高、控制系統遠距離人工操作、可編程控制器(PLC)為核心而構成的全分布式網絡化控制系統,控制器遠程站之間、控制器與監控站、控制器與編碼器之間的通訊數據速度快、程序執行周期短的特點；通過模塊化編程,運用多種控制操作模式,全面實現了爐前設備在標準模式、維修模式、遙控模式以及故障緊急模式下的開口及堵口控制,自動控制水平高,已達到國內先進水平。

2 研究內容與技術路線,項目的技術創新點

2.1 項目內容與技術路線

2.1.1 全面實現儀電合一

為了便于管理與維護,電控系統和儀控系統設置為三電一體化(EIC)控制,統一由PLC完成其控制功能。其中鐵口開口機系統、液壓泥炮系統所有設備的參數及液壓站的部分參數均引入爐前主控室內,例如開口機開口壓力、旋轉角度、進給速度、泥炮打泥量檢測等關鍵參數,實時監控爐前設備的每一個狀態,實現了全面EIC一體化的系統。

2.1.2 基礎網絡重組

(1)高速以太環網技術應用。本套計算機網絡系統采用高速以太環網,以WINCC軟件實現監控終端的集中顯示、操作和故障自診斷。主PLC采用以太網模板西門子CP 443-1,此技術要點是通訊和連網模塊控制從(或至)CPU的數據傳輸,獲得通訊接口的最大靈活性。機架之間通過PROFIBUS協議通訊,每個機架通過I/O字數的限制以保證數據采集的快速性、實時性。整個系統具有開發周期短,系統擴展性好,用戶編程方便等諸多優點。另外,運用各個鐵口控制器之間的通訊技術,將各設備的運行狀態實時傳送給主PLC控制系統進行控制,以便主PLC系統能夠適應各鐵口設備各種運行狀況,運用復雜性分析控制技術,設計各鐵口設備動作的觸發條件。(2)C腳本技術開發。通過數據庫組態、編輯C腳本,在主控室客戶機顯示各鐵口開口機系統、泥炮控制系統、爐前液壓控制系統重要參數的歷史趨勢,并可隨時打印,大大提高了工作效率和操作管理水平。

2.1.3 PLC與HMI的完美集成

WINCC6．0是一個多用戶實時SCADA軟件解決方案,Microsoft SQL sever 2000被集成在WINCC軟件中,使WINCC提供重要的SCADA功能。另外,WINCC“逢變則報”的數據驅動方式,使其具備超大容量的實時數據庫。在此基礎上,開發實現了歷史數據、報警記錄、歷史記錄和報表打印等,形成了友好的人機界面。

2.1.4 全數字編碼精確測量、定位技術

在自動化領域,旋轉編碼器是一種檢測角度、位置、速度和加速度的檢測裝置。它將輸入給軸的角度量,利用轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量,具有體積小、精度高、工作可靠接口數字化等優點。它廣泛應用于數控冶金行業、機床、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。本系統中大臂前進后退角度測量,小車鉆孔錘擊位置測量均采用了高精度的編碼器測量技術。其中:大臂前進后退位置測量,小車鉆孔前進位置角度測量,均采用絕對值式編碼器。絕對值式編碼器為每一個軸位置提供一個獨一無二的編碼數字值,減輕了電子接收設備的計算任務,省去了復雜而又昂貴的輸入裝置,電源切除后位置信息不會丟失,保證了數據采集的精確性與不間斷性。

由于數據傳輸距離比較遠,運用數字控制技術,我們在模板配置上直接采用西門子編碼器專用模板,直接將數字信息輸出轉換成模板可以接收的二進制數,以便CPU進行最優處理。

2.1.5 多種操作方式,實現快速穩定的控制開口堵口

爐前開堵鐵口采用純手動操作、電動操作臺操作、緊急蓄能器操作、電動遙控操作等多種操作模式,緊急蓄能器操作僅在少數情況下使用,遙控及操作臺操作為電動自動工作。

為了保護開鐵口機及泥炮設備本身不被燒壞,創造性的實現了快速時間開堵鐵口,其時間嚴格控制在15秒以內。設計思想是通過PLC運算輸出信號給液壓站,液壓站升壓保壓后,做出最快時間參數的反應,實現了快速穩定的控制開口堵口。

2.2 該項目控制系統的技術創新點

(1)運用網絡通訊功能增強控制系統穩定性。由于改造前通過單CPU下帶20個遠程站,其網絡通訊為線性結構,其控制設備較多,在長期惡劣的生產過程中,由于硬件模板設備本身磨損或質量問題容易出現網絡通斷信號不穩定現象,致使爐前生產不能按照程序邏輯進行下去,就會影響高爐生產的正常進行。因此,為了增強控制系統網絡穩定性,我們研發人員在網絡結構上做出了重組,程序硬件完成升級處理,即:把原有單CPU帶4個鐵口設備的線性網絡結構,改為用S7-400PLC帶4套S7-300PLC,每套S7-300PLC即控制一個鐵口設備工作,并每套S7-300PLC下設一個液壓站系統的樹形網絡結構。這樣,有利的避免了網絡中斷造成的,高爐不能正常開堵鐵口的生產故障。(2)無線遙控器的投入使用。隨著在現代冶煉技術的發展進步,現代化大型高爐均采用高冶煉強度、高頂壓的冶煉方法,高爐爐容加大,導致爐墻增厚,爐門變深,至使開鐵口機必須增加開口能力及工作行程。另外,開鐵口機的工作位置處于鐵水噴濺范圍之內,環境溫度高400℃,粉塵濃度達6g/m3～8g/m3。在打開鐵口瞬間,噴出的鐵水具有很高的速度,設備容易被燒毀,操作人員安全也有高風險。鑒于惡劣的工作環境及苛刻的工藝要求,本次項目通過PLC系統E框架來完成系統控制,采用現場無線遙控器完成,操作人員的遠程及高精確度的操作控制,這樣大大提高了操作人員工作效率和勞動精度,使高爐生產順行穩定,出鐵正點率高,為高爐長壽、高產、優質、低耗奠定了良好的基礎并產生了巨大的社會效益。(3)故障自診斷報警系統。隨著萊鋼自動化控制技術的不斷發展和提高,萊鋼的生產已與自動化系統的正常運行密不可分。為了使整個系統穩定順行,我們特別設計了故障自診斷報警系統,為了提高本系統的準確性,我們采用了一些先進的自動控制和人工智能技術。

由于爐前系統設備現場環境惡劣,設備元器件故障率大,參數特性不穩定性,給經典故障診斷方法帶來了困難。因此,在故障自診斷報警系統的研發過程中,我們借鑒了具有診斷速度快、容錯能力強、精度高并基于模糊診斷法、神經網絡診斷法和專家系統診方斷法的現代智能診斷思想,采用分布式故障檢測診斷結構,結合高爐系統的實際情況給出此系統的故障診斷案。

從本系統的運行情況來看,自動報警診斷的研發運用使整個爐前系統運行穩定,為維護人員重新校驗更換編碼器及處理故障贏得了時間,減少了設備事故和故障率,有利于高爐生產和爐況的穩定,為萊鋼年產千萬噸鋼的生產目標的實現提供了強有力的保障。

3 結語

萊鋼型鋼煉鐵廠3200m3高爐出鐵口區域采用計算機控制后,提高了自動化裝備水平,其主要工藝過程的控制,技術先進,生產指標控制穩定,節能降耗顯著,其它煉鐵廠家采用自動控制提供了參考依據。同時,由于該爐前系統自動化程度高,有利于減少設備的故障率、減輕工人的勞動強度,同時在職工的人身安全,環境保護方面也更有益處。該系統性能可靠,系統在線運行率達100%,軟件設計完全滿足現場需要,保證了開鐵口、堵口過程的安全,產生了可觀的經濟效益,具有良好的推廣價值。該項目對提高高爐出鐵穩定效率及節能減排具有很好的效果,可應用于2000+以上級大型高爐。