轉爐煉鋼自動化控制系統設計分析

林楠

（攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

隨著我國煉鋼工業的發展，轉爐煉鋼成為主要的工藝操作。轉爐煉鋼對操作效率和規范性的要求非常高，轉爐煉鋼中引入了自動化控制系統，規劃好自動化控制系統的具體設計，確保其在轉爐煉鋼中可以發揮出自動化、控制性的作用。自動化控制系統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的設計框架

1.1 系統組成

轉爐煉鋼自動化控制系統是由三級自動化控制系統構成的，第一級是基礎級，負責檢測系統中各項設備的運行狀態，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據報表，第二級是過程級，負責開發與轉爐煉鋼自動化相關的數學模型，第三級是管理級，負責在轉爐煉鋼中下發生產中的任務計劃，同時向上級傳輸生產的數據。轉爐煉鋼自動化控制系統的設計框架中，三級自動化控制系統中的設備分布如下圖1所示，支持自動化控制系統在轉爐煉鋼中的應用。

圖1 自動化控制系統的設備

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，在線監測轉爐煉鋼的參數，提供數據運轉、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。例如某煉鋼廠的轉爐煉鋼自動化控制系統中，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、循環水泵等之間實現了高效的自動化。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中的操作站負責監控各級畫面，操作站運行時的數據均對應著設備控件，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據，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據，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設計中的接線部分，提供網絡化的系統控制。

1.3 過程控制

轉爐煉鋼自動化控制系統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過程級的生產，協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據輸入到計算機內，監控生產的過程。過程控制的功能非常明確，就是按照控制對象產生的數據流設置人機接口，現場工作人員可以監視并管控好轉爐煉鋼自動化控制系統中的各項內容，實現高標準的過程控制。

1.4 數據采集

數據采集是轉爐煉鋼自動化控制系統的關鍵設計，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的每個級別都涉及到數據采集工作。自動化控制系統數據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劃好轉爐煉鋼的生產數據。例如數據采集中的PLC系統，根據數據流可以分為上位、下位，上位數據傳輸是指在由主控室工況機從PLC下位采集數據，監控轉爐煉鋼的工藝流程，下位數據傳輸是指位于下位的PLC專門監控工藝設備。

1.5 硬件設計

硬件是轉爐煉鋼自動化控制系統的支持，系統硬件應該可以支撐多種編程語言，同時具備先進的指令集、多種函數塊、功能塊以及內置通訊。硬件設計中自動化控制系統采用了工業以太網結構，采用多模光纖設置，保障基礎數據傳輸的穩定性與可靠性。轉爐控制中的每個系統都要配置工程師站，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控系統，如煤氣清洗系統、轉爐本體系統、氧槍系統、汽化冷卻系統等。

1.6 軟件設計

轉爐煉鋼自動化控制系統的軟件設計是指HMI人機界面軟件、INTOUCH組態軟件，支持自動化控制系統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，自動化控制系統專門設置了不同級別的密碼保護，網絡安全系統采用用戶名與密碼匹配的方式，控制好自動化控制系統中的功能。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網的關系，自動化控制系統中還要安裝殺毒軟件，確保自動化控制系統的運行安全。

2 轉爐煉鋼自動化控制系統的設計實現

本文主要從轉爐自動化控制系統中的轉爐傾動控制為例，分析系統的設計實現。

首先轉爐傾動系統采用的是PID控制方式，從現場的實際調試過程中可以發現PID的控制方式較為簡單、可靠，容易在轉爐傾動系統中實現自動化。轉爐傾動系統具備大轉矩設置，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內，按照主從控制要求完善轉爐傾動系統的運行過程。

然后是轉爐傾動自動化系統中的電氣設計，一般情況下轉爐煉鋼廠內的電氣系統的配置是：(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未達到規范的操作條件時，向設備和操作員提供的緊急制動方法，保護現場的運行環境。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、低速區中，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的性能測試

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

3.1 基于動態模型的性能測試

動態模型中總結了轉爐煉鋼自動化控制系統中的運行經驗，通過經驗模型分析出轉爐煉鋼自動化控制系統的性能指標。例如動態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，現場安排好轉爐煉鋼的時間。動態模型的性能測試中，按照時間向模型中輸入性能測試的數據指標，準確分析出轉爐煉鋼自動化控制系統的動態數據。

3.2 基于靜態模型的性能測試

靜態模型是轉爐煉鋼自動化控制系統的基本結構，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的靜態運行狀態，直接從模型中反饋出靜態模型的性能狀態。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，模型中需要以轉爐煉鋼自動化控制系統為參考致力于減少系統中的誤差，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中的運行設備，提高轉爐煉鋼自動化控制系統的運行能力。

4 結語

轉爐煉鋼自動化是現代煉鋼廠的發展方向，自動化控制系統綜合化、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范的生產標準。

[1]王文勇．煉鋼廠轉爐控制系統簡介[J]．信息系統工程,2017(03):41．

[2]單海英．轉爐自動控制系統的設計與實現[D]．東北大學,2015．

[3]張華．淺析煉鋼廠轉爐PLC系統自動控制[J]．數字化用戶,2013,19(10):37．

[4]于新樂．遷鋼210噸轉爐自動化煉鋼控制系統研究與設計[D]．東北大學,2011．

[5]李月美．PLC控制系統在轉爐煉鋼生產中的應用[J]．科技資訊,2008(19):94．