1  引言
萊蕪鋼鐵總廠銀山前區(qū)1#80t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐于2005年7月正式投產(chǎn)。本系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐本體、干法除塵及蒸發(fā)冷卻、汽化冷卻、散狀料上料、循環(huán)水、濕法除塵及煤氣回收等部分組成。在控制上采用PLC自動控制，完成對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與監(jiān)控。在控制網(wǎng)絡(luò)上采用先進、可靠的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通訊速率為10.0Mbps自適應。PLC與 PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸采用SIEMENS STEP7專用的通訊模塊。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控畫面采用功能強大的SIEMENS WINCC，人機界面好，便于操作使用。

2  工藝概述
轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要完成將鐵水和廢鋼冶煉成鋼水，同時將冶煉過程中產(chǎn)生的煤氣和水蒸汽進行回收再利用。轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備主要包括爐體、爐門、煙罩、傾動機構(gòu)、氧槍升降機構(gòu)、氧槍橫移機構(gòu)、稱重裝置、上料裝置、冷卻裝置等。其中，氧槍有兩套，靠橫移小推車轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)互為備用。裝料時爐門打開，煙罩提升，將鐵水倒入轉(zhuǎn)爐，加入廢鋼，裝料完成后，爐門關(guān)閉，煙罩下移。冶煉過程中，氧槍下降，從爐體頂部向爐內(nèi)吹氧，或加合金料，以改善鋼水成分。出鋼時，氧槍上升，傾動爐體，鋼水由鋼包車運至精煉爐精煉。出鋼完成后，吹氮氣以濺渣護爐，最后將鋼渣倒入渣罐車。煉鋼過程中，氧槍和煙罩通過循環(huán)冷卻水降溫，產(chǎn)生的汽包蒸汽經(jīng)加壓后送用戶使用;風機將煙罩內(nèi)氣體吸出，經(jīng)煤氣回收后放散到大氣中。

3  轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)通訊配置
銀山前區(qū)1#轉(zhuǎn)爐采用8臺德國ＳＩＭＡＴＩＣＳ7-400ＰＬＣ主站,分別完成轉(zhuǎn)爐本體控制、散狀料上料站、鐵合金站、煤氣加壓站、汽化冷卻和煤氣回收及循環(huán)水站。其配置主要有主機架、擴展機架、電源、ＣＰＵ、接口模塊、通信模塊,以及數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等。8臺主站之間通過100M光纖以太環(huán)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信。煤氣回收ＰＬＣ主站下設(shè)1個ＥＴ200 Ｍ遠程從站,通過工業(yè)現(xiàn)場總線Ｐrofibus DP完成主從通信。1臺工程師站用于完成系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計,七臺操作員站完成整個生產(chǎn)過程監(jiān)控。自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

圖1     轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)配置圖
 
4  控制系統(tǒng)硬件配置
萊鋼80t轉(zhuǎn)爐本體控制系統(tǒng)根據(jù)工藝生產(chǎn)要求控制轉(zhuǎn)爐傾動、鋼包車、渣車、爐口清理機、擋渣球投放裝置、電動擋火門、活動煙罩等設(shè)備，采用1套控制站和1臺監(jiān)控站實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)爐本體生產(chǎn)流程的過程控制，控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS S7-400大型控制系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)實現(xiàn)與散裝料控制系統(tǒng)、煤氣回收加壓站控制系統(tǒng)、余熱鍋爐控制系統(tǒng)、循環(huán)水控制系統(tǒng)通訊，并配備打印機打印生產(chǎn)報表。硬件配置圖見圖2:

圖2     硬件配置

5  自動控制系統(tǒng)功能
整個轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的自動控制由ＰＬＣ控制程序完成，通過開放的Profibus DP現(xiàn)場總線連接各個部件，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)順序邏輯控制、聯(lián)動聯(lián)鎖控制以及信號傳輸、報警和數(shù)據(jù)采集等，同時設(shè)有人工緊急停車處理按鈕。
5.1  轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐傾動分兩地操作，爐前主操作室和爐后機旁操作室，兩處只能由一處操作，在主操作室設(shè)有指令轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中一點傾動轉(zhuǎn)爐時，另外一地就不能實現(xiàn)傾動轉(zhuǎn)爐，爐前主操作室操作轉(zhuǎn)爐兌鐵水、加廢鋼;爐前操作室操作轉(zhuǎn)爐測溫、取樣、出渣，爐后操作室操作轉(zhuǎn)爐出鋼。轉(zhuǎn)爐傾動操作有快速、慢速、正反轉(zhuǎn)。有信號顯示和爐子傾角顯示。1#轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣壓力調(diào)節(jié)原理如圖3。其它單回路調(diào)節(jié)原理相同。

圖3     轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣壓力調(diào)節(jié)原理
如實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動1#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動2#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動3#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動4#變頻器的快速、慢速頻率設(shè)定。
5.2  爐前電動擋火板:
電動擋火板的操作由操作工在主控室的上位機上或現(xiàn)場按鈕完成，上位機的畫面中有電動推桿開、關(guān)和開門、關(guān)門按鈕。點擊電動推桿開、關(guān)按鈕時，電動推桿開或關(guān);點擊開門按鈕時，擋火門開門;點擊關(guān)門按鈕時，擋火門關(guān)門。這兩個操作均為點動，滿足的條件:爐前擋火板電源正常，爐前擋火板不過載。
5.3  活動煙罩
活動煙罩的操作地點在主控室，可選擇聯(lián)鎖或解除聯(lián)鎖、集中操作或機旁操作;活動煙罩配有兩臺變頻器(一用一備)。只有轉(zhuǎn)爐處于垂直位置(±2°)時，才允許煙罩動作。在主控室的操作臺上設(shè)有操作開關(guān)，當打到升罩位時，電機正轉(zhuǎn)運行，煙罩上升，到上限位停止;當打到降罩位時，電機反轉(zhuǎn)運行，煙罩下降，到下限位停止。當工作變頻器出現(xiàn)故障時，將自動切換到備用變頻器。
5.4  氧槍升降設(shè)備、氧槍橫移設(shè)備
氧槍控制分A槍和B槍，采用變頻交流電機驅(qū)動，氧槍升降速度為快速40m/min，慢速4m/min。斷電時，用氣動馬達提升。A槍和B槍的控制方式相同，僅以A槍為例進行說明。氧槍升降操作在爐前主控室完成。換槍操作可在兩地進行，分別為爐前主控室和31m平臺。氧槍的操作方式包括氧槍定位，氧槍升降，介質(zhì)檢測，換槍操作。標高以地面為零高度點。
(1) 降槍
氧槍下降時，從+22.5m到+18.5m為慢速下降，從+18.5m(為上變速點)到+13.5m(等待位)為快速下降，下至11.8m(開氧點)氧氣快速切斷閥自動打開供氧，下至9.8m(變速點)變?yōu)槁傧陆?，吹煉?7.8m~8.8m)。
(2) 提槍
氧槍有刮渣和不刮渣兩種操作選擇。不刮渣時，氧槍上升從吹煉位上升到等待位+13.5m，就自動停止。若需再上升時，從+13.5m到+18.5m為快速上升，過+18.5m就改為慢速上升。到+22.5m自動停止。當刮渣操作時氧槍上升從吹煉位慢速上升，到下等待位不停止，當氧槍上升到+24.87m時，刮渣頭合上，開始刮渣操作，此時氧槍提升速度要小于6m/min。
(3) 換槍操作
工作方式有兩種，在主控室手動進行換槍操作，在機旁操作箱手動進行換槍操作。在何處換槍，應先在畫面上選擇，畫面上有本地和遠程兩個按鈕。
選擇在主控室進行換槍(從畫面上操作):當A槍出現(xiàn)故障時，按下?lián)Q槍按鈕之后，A槍自動提升至換槍位,氧槍停止升降，然后進行換槍操作。首先按下對中裝置解鎖按鈕，對中裝置反轉(zhuǎn)，到對中原位;然后由1#橫移小車將A槍移至A槍原位作備用;同時，2#橫移小車將B槍由B槍原位移至B槍工作位，當B槍到達工作位后，然后由對中裝置正轉(zhuǎn)將B槍鎖定，換槍完畢。
(4) 介質(zhì)計量
A槍氧氣流量累計:當打開切斷閥后，延時3s后，開始累計，直到關(guān)閉切斷閥。有每次吹煉累計以及總累計。
A槍氮氣流量累計:當打開切斷閥后，延時3s后，開始累計，直到關(guān)閉切斷閥。有每次吹煉累計以及總累計。
(5) 安全聯(lián)鎖
為保證轉(zhuǎn)爐的安全運行,ＰＬＣ程序中設(shè)有必要的、可靠的安全聯(lián)鎖回路。在爐前操作臺和爐后操作臺各設(shè)有一個“緊急停止按鈕”,當出現(xiàn)緊急情況時,按下此按鈕即可停止轉(zhuǎn)爐傾動,氧槍升降,煙罩、擋火門的動作,處理完成后將按鈕釋放,系統(tǒng)可恢復正常運行。爐體必須在氧槍和煙罩上升到一定高度后才允許傾動,否則有可能出現(xiàn)設(shè)備間相互卡殼的情況;氧槍必須在爐體處于零位時才允許下降,否則氧槍有被折斷的危險;當氧槍冷卻水流量差大于設(shè)定值時,將自動提槍,以防氧槍漏水。為保證基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)及部分重要的現(xiàn)場儀表、檢測元件在工廠供電突然中斷時能正常運行,系統(tǒng)設(shè)置帶有穩(wěn)壓功能、能供電30min的UPS在線電源,以便進行應急處理。

6  監(jiān)控功能
根據(jù)生產(chǎn)實際情況和操作需要，在監(jiān)控站制作了多幅監(jiān)控畫面，全部采用中文界面，具有極強的可操作性。具體的監(jiān)控畫面如下:
6.1  工藝流程畫面
顯示轉(zhuǎn)爐本體整個工藝流程，顯示所有的控制點的實際值、設(shè)定值及運行情況，顯示主要的檢測點及運行情況。
6.2  數(shù)據(jù)一覽表
顯示溫度、壓力、流量、氧量、閥位反饋等所有的模擬量輸入信號，顯示所有的模擬量輸出信號。
6.3  調(diào)節(jié)系統(tǒng)畫面
為方便操作人員對回路參數(shù)進行設(shè)定，對所有PID回路分別做回路控制圖，在圖上用棒圖形式和數(shù)據(jù)形式顯示參數(shù)的設(shè)定值、測量值和閥位值，并根據(jù)實際情況修改設(shè)定值，手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)可實現(xiàn)手動/自動無擾動切換。
6.4  報警畫面
按工藝要求，當過程值超過報警上下限時，發(fā)出聲音報警，并在報警畫面上顯示報警發(fā)生時間、報警值、報警等級、報警點，操作員在報警畫面中可以完成報警確認、報警信息過濾等功能。當操作員不在監(jiān)視報警畫面時，有報警發(fā)生后，自動在屏幕顯示最新報警信息，發(fā)出提示，防止漏警。
6.5  實時及歷史趨勢畫面
顯示重要參數(shù)的實時趨勢和歷史趨勢，可隨時查看一個月內(nèi)的參數(shù)值。
6.6  報表打印
報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可任意時間打印?？稍O(shè)置任意格式報表，可打印所有輸入輸出參數(shù)的報表。
6.7  手動自動切換
操作方式有兩種，即手動和自動。在控制回路中，手動方式下貯存控制回路中相應的參數(shù)，并把閥位反饋信號作為輸出，以保證投入自動的無擾動切換。
各畫面間的切換和“手動/自動”控制切換通過鼠標進行，系統(tǒng)操作十分簡單。

7  結(jié)束語
萊鋼銀山前區(qū)80t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)投運至今運行穩(wěn)定可靠，自動控制技術(shù)的應用保證了轉(zhuǎn)爐快速高效的生產(chǎn)。采用的SIEMENS PLC程序故障診斷、在線監(jiān)控和修改技術(shù)，方便了程序維護。開放的、標準的Profibus DP現(xiàn)場總線增強了系統(tǒng)的擴展能力。整套系統(tǒng)自動化水平高、操作方便、報警明了清晰、故障率低、維護量小，達到了國內(nèi)先進水平。