轉爐天車自動裝鐵功能開發與應用

唐山不銹鋼有限責任公司設備科 張士慧 姚旭亮

不銹鋼公司自主研發和實現了加料240t天車給3號轉爐自動裝鐵功能。通過對天車大車、主小車、副小車、主鉤、副鉤的定位及天車重量、轉爐傾角數據采集，實現大車定位、副鉤掛鉤、聯動裝鐵、副鉤摘鉤、大車離開、轉爐傾動回零位自動裝鐵全過程。轉爐天車自動裝鐵標志著轉爐自動化水平的提升，降低工人勞動強度和設備維護成本，增加操作安全性能，天車動作固化減少了裝鐵時間。

目前不銹鋼轉爐裝鐵是三處人工聯系配合實現的，裝鐵工在爐前指揮，轉爐搖爐工在主控室接受裝鐵工對講機指令手動操作轉爐，天車工在天車司機室接收搖爐工手勢信息操作鐵包位置和傾翻角度，統一指揮下，實現轉爐角度與天車鐵水包位置配合，完成人工裝鐵作業。隨著不銹鋼公司三號轉爐自動冶煉、自動出鋼、自動倒渣功能的實現，為了進一步提高自動化水平，決定自主研發加料240t天車自動裝鐵系統。

1 生產及設備現狀

1.1 生產現狀

不銹鋼公司具有3座100t轉爐，加料跨共天車6部，其中加料240t天車對3號轉爐裝鐵。目前轉爐裝鐵為手動狀態，轉爐裝鐵流程為大車從等待位進入裝鐵位、主鉤進入裝鐵位，副鉤掛鉤、主副小車北行到達裝鐵位、提副鉤同時搖爐配合完成裝鐵、摘副鉤、天車離開傾角回零位。裝鐵時裝鐵工與主控室對講機聯系，裝鐵工與天車司機手勢聯系，人工觀察天車稱量來判斷裝入量，裝鐵速度不固定，容易出現過大冒煙現象，如果裝鐵過程中出現爐坑撒鐵異常，需要指揮天車司機或轉爐才能完成，反應速度慢。

1.2 設備配置現狀

（1）240t天車配置：沒有配置PLC控制功能，目前配置了天車定位系統，使用的是西門子SMART型PLC，具有編碼電纜大車、小車測量功能，精確度為10mm，數據通過無線網絡方式傳輸到了地面網絡系統。（2）3號轉爐：配置了西門子S7-400系統PLC，目前已經具有傾動主控制手動主令控制功能。（3）通信網絡：轉爐PLC與天車定位系統通過3號轉爐PLC室的通信PLC雙網卡已聯通。

2 技術研發目標和難點分析

轉爐自動裝鐵是否穩定、可靠運行涉及人身設備安全。加料240t天車在原有大車定位、主小車定位、天車重量采集的基礎上增加主起、副起升、副小車定位功能。實現無人干預情況下，煉鋼加料跨240t天車吊鐵水包將鐵水按照設定重量裝入到3號轉爐中。

煉鋼加料跨240t天車吊鐵水包到達3號轉爐區域，3號轉爐裝完廢鋼后等待裝鐵，此時天車及轉爐在自動裝鐵控制模式下，天車司機按下裝鐵指令，轉爐傾動自動旋轉到裝鐵角度，天車控制大車、小車、副起升機構給鐵包掛小勾，天車繼續控制鐵包角度與轉爐角度配合進行裝鐵作業，當鐵水裝入量達到設定或鐵包到達一定角度后，轉爐裝鐵完成，天車自動鐵包回位，傾動回零位等待吹煉，裝鐵自動控制流程完畢。

經過安全、質量及設備辨識，自動裝鐵改造有以下4個難點：

（1）安全措施設計及實施。（2）傾動及天車裝鐵過程中的位置控制模型建立。（3）天車大車、主小車、副小車、主鉤、付鉤位置測量及控制精度。（4）PLC控制及通信程序的編制。

3 控制技術方案及實施思路

3.1 自動裝鐵控制技術方案

（1）天車自動控制：增加PLC控制功能，與天車定位系統通信，實現天車大車位置X、主小車位置YZ、副小車位置YF、主小車起升位置ZZ、副小車起升位置ZF五個動作的位置控制，并具有PLC檔位調整運行速度的功能。（2）轉爐傾動自動控制：增加轉爐裝鐵搖爐的自動控制功能。（3）天車轉爐PLC通信：通過通信PLC雙網卡，實現轉爐PLC和天車控制PLC的通信功能。（4）裝鐵模型控制：計算、摸索裝鐵模型，設計出天車鐵包位置對應的XYZYFZF位置與轉爐傾動對應角度，實現天車、傾動聯動位置控制。（5）自動條件判斷：天車自動條件包括設備正常狀態、自動投入狀態、進入轉爐區域等條件，轉爐自動條件包括設備正常狀態、裝鐵狀態、自動投入條件等。（6）保護連鎖控制：天車和轉爐出現本體設備故障、位置或角度測量故障、裝鐵模型控制位置超差故障、天車和傾動動作超時故障等，實現傾動及天車自動停止功能。（7）撒鐵監測：采用爐前攝像頭進行裝鐵撒鐵檢測，實現保護連鎖。

3.2 自動裝鐵控制實施思路

（1）自主研發：在轉爐自動出鋼、自動倒渣、第二出坯跨自動吊運板坯控制自主研發成功實施的技術積累基礎上，采用自主研發方式實施自動裝鐵技術攻關。（2）多重保護連鎖：涉及到的天車控制、定位檢測、傾動控制、PLC通信、天車工急停干預、轉爐主控急停干預、裝鐵工裝鐵啟動、停止、急停操作、撒鐵圖像檢測等多重安全連鎖保護。（3）控制模式獨立：現有手動控制模式不變，增加自動裝鐵控制模式，并方便切換。（4）投入最少：所增加的電氣控制元件最大限度的利舊的方式實施，減少投入。（5）安全審核：對實施方案、控制方案、連鎖關系、現場連鎖試驗、冷試車、熱式車等各個環節進行多次安全審核。

4 自動裝鐵流程

（1）天車準備：天車吊運鐵包到達三爐爐口20m范圍內，確認設備無故障，故障指示燈熄滅。（2）天車投入自動：天車停止動作情況下，自動轉換開關打到自動狀態，如自動條件滿足，則自動指示燈閃爍，天車工按下自動按鈕，自動指示燈常亮，說明天車進入自動狀態。（3）轉爐準備：轉爐在裝完廢鋼后，轉爐進入裝鐵狀態，確認設備無故障。（4）轉爐投入自動：傾動在零位情況下，畫面選擇自動裝鐵狀態，如自動條件滿足，則自動指示燈常亮，說明轉爐進入自動狀態。（5）自動裝鐵啟動：在第2和第4步完成后，裝鐵工現場自動裝鐵指示燈閃爍，按下自動裝鐵按鈕，自動指示燈常亮，說明進入自動裝鐵狀態。（6）自動裝鐵過程：天車啟動到掛副勾位置；掛副勾；傾動到初始位置；天車到達初始位置；聯動裝鐵；裝鐵完成；天車離開；傾動搖爐到零位；天車運行到轉爐東側20m處；自動裝鐵完畢。

5 安全措施

（1）系統故障：以下故障時，將觸發系統故障，天車PLC、轉爐傾動PLC自動控制到手動狀態，天車及傾動停止動作，天車駕駛室故障指示燈、裝鐵工現場故障指示燈、轉爐畫面故障報警。

●天車故障：設備故障、位置測量故障、動作超時故障、重量故障。

●轉爐故障：設備故障、傾動角度測量故障、動作超時故障。

●通信故障：四套PLC通信故障。

（2）人工干預操作：天車自動/手動開關及急停按鈕、轉爐畫面停止按及傾動主令、裝鐵工停止按鈕及急停按鈕，以上三處都可以操作，停止裝鐵自動控制，天車及轉爐停止動作。

6 具體的實施方案

（1）天車完善監測功能：增加主起升、副起升歐姆龍絕對值編碼器安裝到卷筒起升限位輸出軸上，增加副小車4-20MA激光定位檢測。（2）天車自動控制：天車增加S7-400PLC模板，設計天車自動控制圖紙，配盤安裝，操作按鈕及指示燈，現場鋪設線路調試，實現天車自動調試控制功能。（3）天車控制PLC與定位PLC通信：編制程序，使用單邊通信技術，實現天車控制PLC與定位PLC通信，并具有通信故障檢測報警功能，從定位系統得到天車XYZ位置及W重量。（4）裝鐵工操作按鈕：在轉爐爐前操作室西側安裝啟動、停止、急停按鈕及狀態指示燈，實現裝鐵的啟動、停止、急停功能。（5）轉爐傾動自動控制：編制程序及畫面，增加轉爐裝鐵搖爐的自動控制功能。（6）天車轉爐PLC通信：通過通信PLC雙網卡，實現轉爐PLC和天車控制PLC的通信功能，編制通訊塊，包括通訊故障診斷。（7）裝鐵模型設計：設計出裝鐵過程中，天車鐵包位置對應的大車、主小車、副小車、主鉤、付鉤位置與轉爐傾動對應角度關系。（8）自動條件設計：設計自動投入條件，天車設備正常狀態、投入狀態、進入轉爐區域，轉爐設備正常狀態、裝鐵狀態、自動投入條件。（9）保護連鎖設計：天車和轉爐出現本體設備故障、位置或角度測量故障、裝鐵模型控制位置超差故障、天車和傾動動作超時故障等，故障后應急操作功能。（10）撒鐵監測功能：采用爐前攝像頭進行裝鐵撒鐵檢測，編制控制程序。（11）天車自動裝鐵SOP：編制天車自動裝鐵SOP及應急操作。（12）轉爐自動裝鐵SOP：編制轉爐自動裝鐵SOP及應急操作。（13）程序編制及單體調試：涉及到天車定位PLC、天車控制PLC、通信PLC、轉爐PLC的控制程序及顯示畫面編制，進行單體調試。（14）聯動冷試車：按照設計的天車及轉爐自動裝鐵規程，使用空鐵包進行冷試車，經過連鎖急停試驗及三次聯動試車正常，方可進行熱式車。（15）安全評審：對實施方案及實驗情況進行評審。（16）熱式車：按照規程，在實施小組成員到位情況下，在8點班進行鐵水裝入熱式車，試車完畢后總結經驗，完善規程。

7 改造效果

（1）人員增值：實施過程中，參加人員會對裝鐵過程有深入的認知，提高專業融合，跨界學習能力。（2）標準化作業：通過實現自動裝鐵，真正實現標準化作業。（3）公司軟實力增強：通過實施過程中經驗的積累及實驗的成功，提升公司軟實力。

結束語：自動裝鐵功能實現了比人工操作更加平穩、安全的出鋼作業過程，杜絕了由于崗位操作失誤引起的各類問題，保證了本質安全。自動裝鐵模型的自主研發，在“一鍵式煉鋼”的基礎上，煉鋼智能化又上升了一個臺階。