電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

丁夢(mèng)怡

電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

丁夢(mèng)怡

（山東鋼鐵集團(tuán)山信軟件股份有限公司）

電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程管理系統(tǒng)，用于監(jiān)控、優(yōu)化電爐的生產(chǎn)過(guò)程，貫穿從生產(chǎn)計(jì)劃到出鋼的各個(gè)階段。結(jié)合山東鋼鐵100 t電爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程不智能、物料信息跟蹤不及時(shí)等問(wèn)題，引入過(guò)程控制計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過(guò)裝配設(shè)備、構(gòu)建系統(tǒng)等，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?yàn)殡姞t各階段的生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

電爐煉鋼；過(guò)程計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)管理

0 引言

山東鋼鐵100 t電爐煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)包含100 t電爐、100 t精煉爐、100 t VD爐、30 t電渣重熔爐、鋼渣處理、余熱鍋爐、水處理和除塵系統(tǒng)。這些生產(chǎn)系統(tǒng)又分為電極調(diào)節(jié)、爐體控制、自動(dòng)上料和吹氧噴碳等26套自動(dòng)生產(chǎn)控制單元，這些控制單元中的冷卻水控制、電極弧流調(diào)節(jié)、碳氧槍控制等參數(shù)判定、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸都是電爐煉鋼的重要環(huán)節(jié)。為提高電爐煉鋼的效率，本文對(duì)電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，通過(guò)對(duì)上述參量進(jìn)行檢測(cè)、控制，運(yùn)算、顯示、報(bào)警和記錄等，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、控制部件在線診斷模擬和電爐自動(dòng)煉鋼。

1 電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括L3生產(chǎn)控制級(jí)、L2過(guò)程控制級(jí)、L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和L0設(shè)備控制級(jí)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中L3、L2系統(tǒng)框架在生產(chǎn)線建設(shè)初期已建設(shè)完成，但相互間的通訊沒(méi)有真正建立，因此生產(chǎn)線上的部分設(shè)備需要人工操作干預(yù)，影響生產(chǎn)節(jié)奏和線上自動(dòng)化水平。根據(jù)山東鋼鐵100 t電爐生產(chǎn)實(shí)際，在已有生產(chǎn)控制系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上，將煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)每個(gè)區(qū)域的L1與L2、L2與L3相連接，建立接口通信，實(shí)現(xiàn)信息上傳和計(jì)劃下達(dá)功能，從而使生產(chǎn)數(shù)據(jù)以報(bào)表形式，自動(dòng)發(fā)送到生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)綜合智能化管控。

圖1 電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置

2.1 L0現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制級(jí)系統(tǒng)概述與選型

山東鋼鐵100 t電爐煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)L0設(shè)備控制級(jí)主要分布在合金上料、高壓供電系統(tǒng)、測(cè)溫取樣、噴碳系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、爐體動(dòng)作和爐底吹氬系統(tǒng)等生產(chǎn)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都有SINEAX I552電流變送器、PMC131-A15F1A1S壓力傳感器、72W50-SE0DAUAAA4AA流量計(jì)、TYP-K-NL9熱電偶等多個(gè)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備和儀表，這些設(shè)備和儀表負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)即時(shí)發(fā)送給L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)，從而保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。

2.2 L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)概述與選型

本文結(jié)合電爐煉鋼生產(chǎn)工藝，以功能覆蓋全、擴(kuò)展功能強(qiáng)、通訊聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)為目的確定系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型。系統(tǒng)采用S120變頻器、S7-400 PLC控制系統(tǒng)和ET200M遠(yuǎn)程站。

L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)中，主控室設(shè)有4臺(tái)人機(jī)接口計(jì)算機(jī)，上料現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有1臺(tái)觸摸屏，實(shí)現(xiàn)操作者和PLC之間的通訊，電爐生產(chǎn)工藝操作全部由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。電爐電氣室有3套可編程控制器，分別為電爐本體及其輔助PLC、電極控制PLC和合金上料PLC。其中電爐本體及其輔助PLC實(shí)現(xiàn)了電爐液壓站、鐵水傾翻液壓站、氧氣閥站、煤氣閥站、噴碳系統(tǒng)、電爐傾動(dòng)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、爐本體系統(tǒng)、變壓器電抗器和大電流系統(tǒng)等設(shè)備的控制。電極控制PLC通過(guò)對(duì)不同冶煉階段冶煉阻抗的自動(dòng)計(jì)算、冶煉曲線的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)電極升降比例閥的自動(dòng)控制。合金上料PLC主要控制地下料倉(cāng)上料系統(tǒng)、自動(dòng)稱量系統(tǒng)、中間料斗系統(tǒng)和皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.3 L2過(guò)程控制級(jí)系統(tǒng)概述與選型

L2過(guò)程控制級(jí)系統(tǒng)由2臺(tái)客戶機(jī)和1臺(tái)服務(wù)器組成。電爐過(guò)程控制主要由數(shù)個(gè)模型組成，在不同階段調(diào)用不同的冶金模型，并將控制信息發(fā)送給L1顯示畫面來(lái)指導(dǎo)操作人員生產(chǎn)。本系統(tǒng)同時(shí)具備生產(chǎn)物料跟蹤、控制策略管理、控制模型計(jì)算、自適應(yīng)功能及最佳控制實(shí)現(xiàn)、故障報(bào)警和診斷以及與L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)和L3生產(chǎn)控制級(jí)系統(tǒng)的在線通訊功能。

L2過(guò)程控制級(jí)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，在線采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并顯示到監(jiān)視屏幕，各種L2模型為煉鋼各階段的生產(chǎn)提供在線支持。服務(wù)器采用DL388 G8，配置為Server2008 R2 64位英文版操作系統(tǒng)；硬件采用RAID 1+0，2塊系統(tǒng)盤，2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；并采用雙電源冗余，保證系統(tǒng)無(wú)間斷性。客戶端主機(jī)采用HP通用臺(tái)式機(jī)，操作系統(tǒng)為WIN7 32位，運(yùn)行二級(jí)客戶端軟件；數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 11 G 64位以及32位客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。服務(wù)器與客戶端采用以太網(wǎng)連接。為保證數(shù)據(jù)及時(shí)更新，本文設(shè)計(jì)的L2過(guò)程控制系統(tǒng)收到計(jì)劃，可以自動(dòng)生成順序列表，按照計(jì)劃開(kāi)始自動(dòng)生產(chǎn)。L2系統(tǒng)與L1系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通訊中間件連接通信，自動(dòng)讀取一級(jí)系統(tǒng)的狀態(tài)，與此同時(shí)，系統(tǒng)可定時(shí)自動(dòng)備份當(dāng)天數(shù)據(jù)文件。電爐煉鋼過(guò)程控制系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 電爐煉鋼過(guò)程控制系統(tǒng)配置圖

2.4 L3生產(chǎn)控制級(jí)系統(tǒng)概述

L3生產(chǎn)控制級(jí)系統(tǒng)配備1臺(tái)服務(wù)器和1臺(tái)客戶機(jī)，具有讀取、顯示、打印和數(shù)據(jù)庫(kù)檢索能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行、生產(chǎn)計(jì)劃與節(jié)奏的調(diào)整、實(shí)際生產(chǎn)的采集和管理、質(zhì)量監(jiān)督與分析、事故記錄等功能。L3生產(chǎn)控制級(jí)系統(tǒng)與L1基礎(chǔ)自動(dòng)化控制級(jí)和L2過(guò)程控制級(jí)均有通訊接口，形成完整的生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，全面提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表自動(dòng)化作業(yè)程度和產(chǎn)品性能與質(zhì)量。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用以太網(wǎng)技術(shù)，在原來(lái)星形、樹(shù)形等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的基礎(chǔ)上，建立高可靠性的環(huán)網(wǎng)冗余架構(gòu)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)故障時(shí)，可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸。

1）PLC主站與從站之間、PLC系統(tǒng)與變頻器之間均采用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊；

2）L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)網(wǎng)絡(luò)：PLC系統(tǒng)之間及PLC與上位機(jī)之間采用以太環(huán)網(wǎng)，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠；

3）L2過(guò)程控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)：由L2服務(wù)器作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和L3生產(chǎn)控制級(jí)的以太網(wǎng)連接。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要和成本控制最低化要求，L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)采用step7 v5.5軟件編制；監(jiān)控軟件采用Wincc V7.0編制。L2過(guò)程控制級(jí)和L3生產(chǎn)控制級(jí)采用C#編程語(yǔ)言編制，采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究需要，采用Matlab開(kāi)發(fā)各種模型軟件包，并通過(guò)增加OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)L2過(guò)程控制級(jí)和L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)的數(shù)據(jù)交換。電爐以太環(huán)網(wǎng)圖如圖3所示。

圖3 電爐以太環(huán)網(wǎng)圖

4 數(shù)據(jù)收集與管理

生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的收集和管理是電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最重要的部分之一。能否及時(shí)采集實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析有效作用于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，是決定產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。在4個(gè)控制級(jí)的作用過(guò)程中，任何2個(gè)控制級(jí)的通訊都會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)過(guò)程控制軟件的計(jì)算、分析和處理，為順利生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。電爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)涉及的過(guò)程控制軟件，根據(jù)生產(chǎn)控制工藝和流程可分為8種，功能如表1所示。

通過(guò)過(guò)程控制軟件，電爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的采集和管理分為4個(gè)步驟：

1）生產(chǎn)管理信息處理，生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收出鋼計(jì)劃、制造命令和爐次確定等信息，并將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)發(fā)送到電爐煉鋼基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程控制級(jí)系統(tǒng)中；

表1 計(jì)算機(jī)過(guò)程控制軟件的主要內(nèi)容與功能

2）電爐煉鋼生產(chǎn)物料跟蹤處理，將從L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)控制系統(tǒng)送來(lái)的合金稱重、含氧量分析、鐵水溫度和設(shè)備動(dòng)作信號(hào)等信息進(jìn)行邏輯判斷，從而確定各設(shè)備操作狀態(tài)、作業(yè)時(shí)間和模型啟停等生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)；

3）對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并統(tǒng)一存放在各生產(chǎn)計(jì)算模型中，用于生產(chǎn)判定和信息反饋；

4）控制計(jì)算和設(shè)定，根據(jù)熱模型等計(jì)算結(jié)果，對(duì)電極調(diào)節(jié)、合金稱重等進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果反饋給L1基礎(chǔ)自動(dòng)化控制級(jí)，從而形成整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用于山東鋼鐵100 t電爐煉鋼生產(chǎn)線中的電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是以煉鋼計(jì)算機(jī)控制優(yōu)化為核心，集網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)分工為一體的全面控制系統(tǒng)，能夠較好地滿足生產(chǎn)需求，降低生產(chǎn)成本和操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較高的推廣價(jià)值。

圖4 電爐煉鋼生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊流程圖

[1] 湯德明,劉文彬.不銹鋼電爐過(guò)程計(jì)算機(jī)控制及應(yīng)用[J].冶金自動(dòng)化,2009 (S2):33.

[2] 孫海燕,溫芙蓉,樊力.太鋼-鋼廠電爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[C].2000年工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議,重慶:重慶大學(xué)出版社,2001.

Application of Computer Control System in Electric FurnaceSteel Making Production Line

Ding Mengyi

(Shandong Iron and Steel Group Xin Software Co, Ltd.)

The electric furnace computer control system is a process management system, which is used to monitor and optimize the production process of electric furnace, and run through all stages from production plan to tapping. Combined with Shandong iron and steel 100T EAF steelmaking process problems, the introduction of a series of process control computer equipment, assembly equipment, construction of system, through the model establishment, which after the application of the computer control system can provide accurate data support set into each stage of the production of electric furnace.

Electric Furnace Steel Making; Process Computer; Data Management

丁夢(mèng)怡，女，1987年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向：電爐智能化控制系統(tǒng)的研究與優(yōu)化。E-mail: dmysmile333@126.com