轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)設計分析

林楠

（攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

隨著我國煉鋼工業(yè)的發(fā)展，轉爐煉鋼成為主要的工藝操作。轉爐煉鋼對操作效率和規(guī)范性的要求非常高，轉爐煉鋼中引入了自動化控制系統(tǒng)，規(guī)劃好自動化控制系統(tǒng)的具體設計，確保其在轉爐煉鋼中可以發(fā)揮出自動化、控制性的作用。自動化控制系統(tǒng)跟蹤并控制了轉爐煉鋼的過程，從整體上提高了轉爐煉鋼的生產效益和經濟效益。

1 轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的設計框架

1.1 系統(tǒng)組成

轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)是由三級自動化控制系統(tǒng)構成的，第一級是基礎級，負責檢測系統(tǒng)中各項設備的運行狀態(tài)，控制設備的有效運行，同時在基礎級生成與轉爐煉鋼相關的數(shù)據(jù)報表，第二級是過程級，負責開發(fā)與轉爐煉鋼自動化相關的數(shù)學模型，第三級是管理級，負責在轉爐煉鋼中下發(fā)生產中的任務計劃，同時向上級傳輸生產的數(shù)據(jù)。轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的設計框架中，三級自動化控制系統(tǒng)中的設備分布如下圖1所示，支持自動化控制系統(tǒng)在轉爐煉鋼中的應用。

圖1 自動化控制系統(tǒng)的設備

1.2 基礎控制

基礎控制分為控制范圍與控制功能兩個部分。轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中基礎控制的范圍是轉爐本體、電氣儀表與電氣設備等，轉爐煉鋼的基礎控制范圍中最直接的控制對象是生產過程，在線監(jiān)測轉爐煉鋼的參數(shù)，提供數(shù)據(jù)運轉、處理的能力，轉爐煉鋼的操作人員通過人機界面設定、修改并控制好自動化控制的系統(tǒng)。例如某煉鋼廠的轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中，集中控制了分散型結構，通過Profibus-DP網連接CPU和遠程I/O機架，同時也在轉爐的輔助工藝中實行集中、自動化的控制，如二次除塵、循環(huán)水泵等之間實現(xiàn)了高效的自動化。基礎控制的功能主要有：(1)操作站，轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中的操作站負責監(jiān)控各級畫面，操作站運行時的數(shù)據(jù)均對應著設備控件，每個工藝流程都可以在操作站中顯示出來，操作站記錄著轉爐煉鋼工藝的數(shù)據(jù)，方便后期查詢和使用；(2)控制器，也就是PLC，其為自動化控制系統(tǒng)的核心，PLC控制信號由I/O模塊負責輸入或輸出，由PLC獨立完成所有的煉鋼工藝；(3)服務器，轉爐煉鋼工藝的服務器設置在調度室，調度轉爐煉鋼工藝的數(shù)據(jù)，向服務器下達命令；(4)網絡功能，網絡是轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)設計中的接線部分，提供網絡化的系統(tǒng)控制。

1.3 過程控制

轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中的過程控制同樣分為控制范圍和控制功能兩個部分。控制范圍是指轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)過程級的生產，協(xié)調好轉爐與煉鋼的生產工藝。過程級控制范圍中，從轉爐煉鋼的鐵水一直到轉爐外的精煉工藝，都要由過程控制進行協(xié)調與匹配，過程控制中還需要計算機進行控制，也就是轉爐煉鋼生產與調度過程中的數(shù)據(jù)輸入到計算機內，監(jiān)控生產的過程。過程控制的功能非常明確，就是按照控制對象產生的數(shù)據(jù)流設置人機接口，現(xiàn)場工作人員可以監(jiān)視并管控好轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中的各項內容，實現(xiàn)高標準的過程控制。

1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的關鍵設計，按照上文中的基礎自動化、過程控制自動化的運行方式，轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的每個級別都涉及到數(shù)據(jù)采集工作。自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設計需要跟蹤轉爐煉鋼的生產過程，按照生產計劃與生產流程規(guī)劃好轉爐煉鋼的生產數(shù)據(jù)。例如數(shù)據(jù)采集中的PLC系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)流可以分為上位、下位，上位數(shù)據(jù)傳輸是指在由主控室工況機從PLC下位采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控轉爐煉鋼的工藝流程，下位數(shù)據(jù)傳輸是指位于下位的PLC專門監(jiān)控工藝設備。

1.5 硬件設計

硬件是轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)硬件應該可以支撐多種編程語言，同時具備先進的指令集、多種函數(shù)塊、功能塊以及內置通訊。硬件設計中自動化控制系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網結構，采用多模光纖設置，保障基礎數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。轉爐控制中的每個系統(tǒng)都要配置工程師站，由中心控制室負責連接，直接接入到PLC的通訊模塊中。工程師站的PC機上設置了人機接口，負責接入硬件中的5臺操作站，操作站的工作人員負責監(jiān)控系統(tǒng)，如煤氣清洗系統(tǒng)、轉爐本體系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、汽化冷卻系統(tǒng)等。

1.6 軟件設計

轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的軟件設計是指HMI人機界面軟件、INTOUCH組態(tài)軟件，支持自動化控制系統(tǒng)人機界面應用程序的運行。軟件設計提供了控制程序所需的基本工具。

1.7 安全設計

轉爐煉鋼自動化安全設計也就是網絡安全，自動化控制系統(tǒng)專門設置了不同級別的密碼保護，網絡安全系統(tǒng)采用用戶名與密碼匹配的方式，控制好自動化控制系統(tǒng)中的功能。網絡安全設計與軟件設計相互結合，在人機界面操作上設計了密碼式的操作級別，考慮到網絡安全與互聯(lián)網的關系，自動化控制系統(tǒng)中還要安裝殺毒軟件，確保自動化控制系統(tǒng)的運行安全。

2 轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的設計實現(xiàn)

本文主要從轉爐自動化控制系統(tǒng)中的轉爐傾動控制為例，分析系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。

首先轉爐傾動系統(tǒng)采用的是PID控制方式，從現(xiàn)場的實際調試過程中可以發(fā)現(xiàn)PID的控制方式較為簡單、可靠，容易在轉爐傾動系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化。轉爐傾動系統(tǒng)具備大轉矩設置，減速比相對比較大，由此轉爐傾動對精確度的要求比較高，確保傾動力矩能夠均衡的分配到轉爐系統(tǒng)內，按照主從控制要求完善轉爐傾動系統(tǒng)的運行過程。

然后是轉爐傾動自動化系統(tǒng)中的電氣設計，一般情況下轉爐煉鋼廠內的電氣系統(tǒng)的配置是：(1)4臺負責傾動的變頻交流電機，電機可允許的過載力矩是200%，每臺電機都要配置好冷卻風機；(2)4臺與變頻交流電機相匹配的交流電機抱閘電機，1套軸承稀油潤滑站，1臺驅動稀油潤滑站。轉爐傾動操作分為兩種操作方法，第一種是非常手動操作，當轉爐傾動自動化控制系統(tǒng)未達到規(guī)范的操作條件時，向設備和操作員提供的緊急制動方法，保護現(xiàn)場的運行環(huán)境。第二種是機旁手動操作，其為轉爐傾動的主要操作方式，操作臺上可以保留轉爐傾動的聯(lián)鎖信號，支持轉爐傾動的工藝。

最后是轉爐傾動中的設備運行配置，轉爐傾動系統(tǒng)運行時需要同時投入4臺驅動電機，確保力矩平衡，允許4臺驅動電機中出現(xiàn)1臺故障設備，如遇到緊急情況也可以允許2臺驅動電機正常工作，轉爐傾動的高速區(qū)、低速區(qū)中，專門使用西門子交流變頻調速器進行控制，按照調速裝置的需要把電機速度分配到指定裝置中。

3 轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的性能測試

本文采用動態(tài)模型、靜態(tài)模型的方法測試轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的性能，分析如下。

3.1 基于動態(tài)模型的性能測試

動態(tài)模型中總結了轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中的運行經驗，通過經驗模型分析出轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的性能指標。例如動態(tài)模型中吹煉模型的設計，專門測試吹煉期間轉爐中冷卻劑的添加到二吹階段的時間，同時還能測試出一座轉爐內相鄰兩次煉鋼的時間差，現(xiàn)場安排好轉爐煉鋼的時間。動態(tài)模型的性能測試中，按照時間向模型中輸入性能測試的數(shù)據(jù)指標，準確分析出轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 基于靜態(tài)模型的性能測試

靜態(tài)模型是轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的基本結構，設計了供氧模型、造渣模型、終點預報模型、底吹模型等，各種模型中模擬出了轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的靜態(tài)運行狀態(tài)，直接從模型中反饋出靜態(tài)模型的性能狀態(tài)。例如終點預報模型，其中包括氧耗量模型、冷卻劑加入模型兩種參數(shù)，模型中需要以轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)為參考致力于減少系統(tǒng)中的誤差，并且提高模型自身的適應能力，模型中可以選擇出轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)中的運行設備，提高轉爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)的運行能力。

4 結語

轉爐煉鋼自動化是現(xiàn)代煉鋼廠的發(fā)展方向，自動化控制系統(tǒng)綜合化、集成化的管控轉爐煉鋼的生產過程，向轉爐煉鋼工藝提供自動化的控制條件。自動化控制系統(tǒng)簡化了轉爐煉鋼的生產工藝，積極提高轉爐煉鋼的生產水平，規(guī)避生產過程中的風險，最主要的是確保轉爐煉鋼自動化能夠達到規(guī)范的生產標準。

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