煉鋼廠回轉爐自動化控制系統(tǒng)解決方案
整個自動化控制系統(tǒng)的配置達到當今國內(nèi)**水平,電氣、儀表、計算機(EIC)控制一體化,具有方便、快捷和友好的人機操作界面(HMI),EIC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊一體化,具有高速、大容量和開放的技術性能。
1、 基礎自動化
轉爐基礎自動化系統(tǒng)是實現(xiàn)轉爐系統(tǒng)控制的基礎,該系統(tǒng)主要包括HMI操作站、PLC、儀表、變頻器和現(xiàn)場控制箱等。各個組成部分通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和DeviceNet網(wǎng)連接,實現(xiàn)對轉爐系統(tǒng)的控制功能。
1、1 控制系統(tǒng)結構及其特點
控制站選用施奈德Quantum PLC系列,CPU選用140CPU系列中高性能的53414CPU,遠程站采用當前**的現(xiàn)場總線產(chǎn)品(CRP系列模塊),編程軟件使用施奈德 Concept2.6。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機MICE系列為核心構成100M高速光纖環(huán)網(wǎng),各控制PLC通過NOE以太網(wǎng)絡通訊模塊和屏蔽5類雙絞線連接到工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上,各站遠程操作箱,操作臺以及氧槍、傾動、投料變頻器則通過DeviceNet網(wǎng)連接到其主PLC站上,操作站采用西門子工業(yè)計算機配Win2000+SP3操作系統(tǒng),HMI監(jiān)控軟件采用施耐德Monitor Pro 7.2,通過以太網(wǎng)卡、雙絞線與工業(yè)以太網(wǎng)相接。系統(tǒng)具有以下特點:
(1) 電氣、儀表和計算機系統(tǒng)采用網(wǎng)絡連接,實現(xiàn)EIC三電一體化。
(2) 電氣和儀表采用相同的控制設備,編程及控制統(tǒng)一,且在同一網(wǎng)絡上,通訊方便,減少了通訊硬件接口,合理分擔控制功能;電氣和儀表采用相同的操作站,操作簡化且統(tǒng)一,有利于穩(wěn)定生產(chǎn)。
(3) 遠程站
現(xiàn)場操作箱、操作臺等遠程站采用工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品,極大地減少了設計工作量、電纜施工量等,各箱體通過DeviceNet網(wǎng)連接,提高了系統(tǒng)的可靠性和維護方便性。
1、2 網(wǎng)絡系統(tǒng)及其特點
轉爐自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡是以德國赫斯曼工業(yè)型光纖交換機MICE系列為核心構成的100M高速光纖環(huán)網(wǎng)。
赫斯曼MICE系列交換機采用靈活的構網(wǎng)方式,無論在控制柜或分散的現(xiàn)場操作箱內(nèi)都可以結合各種功能達到特殊的要求。它采用無風扇散熱方式,可以冗余供電,支持HIPER—Ring,達到了很高的可靠運行等級。模塊化結構是MICE的突出特點之一,它有一個交換機和若干個通訊介質模塊組成,交換機包含除了網(wǎng)絡接口以外的所有工業(yè)交換機的功能,而介質通訊模塊提供了網(wǎng)絡的接口功能。這一切可使你按照要求選用設備,避免了資金浪費,模塊化結構也為用戶的投資提供了保障。另外MICE網(wǎng)絡交換機提供多種方法管理網(wǎng)絡系統(tǒng):a、通過V.24串行口連接進入MICE提供的用戶界面;b、在網(wǎng)絡上的任意位置通過Web瀏覽器訪問MICE上提供的用戶友好界面;c、集中的使用SNMP管理軟件,如HiVision軟件,訪問MICE上的SNMP代理機構。
1、3 控制方式及特點
轉爐PLC系統(tǒng)共有15套,按每轉爐、公用系統(tǒng)分開的原則設置,以**一座轉爐檢修或故障情況下不影響其他轉爐正常運行。
單體設備的基本運轉分為自動、手動兩種方式,操作場所分為**、現(xiàn)場兩種選擇。系統(tǒng)的運轉分為計算機、自動、手動三種方式,操作場所固定于**。在“計算機”方式下PLC接受L2級計算機模型數(shù)據(jù)并進行實時控制,包括氧氣流量、底吹氣體種類及流量、氧槍高度、副原料種類及重量;在“自動”方式下,PLC根據(jù)內(nèi)部保存的初設計劃模式自動進行煉鋼;在“手動”方式下,PLC根據(jù)人工設定數(shù)據(jù)控制煉鋼生產(chǎn)。
根據(jù)轉爐煉鋼的生產(chǎn)工藝特點,**控制室操作站CRT的數(shù)量每爐配置3臺。在正常操作時,3臺CRT分擔的監(jiān)控內(nèi)容有所區(qū)別,但在異常情況下可以互為備用,甚至用一臺CRT也可以完成吹煉作業(yè)。主要監(jiān)控內(nèi)容有頂?shù)讖痛?、氧槍傾動、副原料和鐵合金投料、氣化冷卻煙氣凈化、一次除塵、二次除塵等。在系統(tǒng)上料操作室、風機房操作室和二次除塵操作室分別設立操作站,監(jiān)視各自的設備。為安全起見,防止誤操作,各轉爐操作站設計成專用形式,即本爐操作站只能操作本爐設備,不能控制其他轉爐設備,但公用設備除副原料上料系統(tǒng)外在各爐均可操作。
設備的運轉操作及監(jiān)視基本上通過主控室的操作站畫面完成,為了生產(chǎn)的安全性和方便性,設置了硬件操作臺,上面設有必要的操作開關、操作按鈕、數(shù)據(jù)顯示及關鍵設備的緊急停止按鈕等。
PLC軟件的開發(fā)采用了模塊化的方式,在編程前規(guī)劃好PLC的內(nèi)存和數(shù)據(jù)塊,劃分站間通訊數(shù)據(jù)區(qū)及HMI顯示數(shù)據(jù)區(qū);不同類型的程序采用不同的組織塊調(diào)用,吹煉時鐘、流量累加、PID調(diào)節(jié)采用定周期調(diào)用;根據(jù)工藝特點,采用多種編程邏輯、如對過程級數(shù)據(jù)處理采用語句表編程,對底吹控制采用順序功能圖編程等;對操作數(shù)據(jù)進行安全處理,如對設定數(shù)據(jù)的合理性檢驗、變化速率的約束等。
在控制功能上,實現(xiàn)了“計算機”方式下的全程自動化煉鋼,該系統(tǒng)具有以下主要功能和特點:
(1) 副原料、鐵合金上料的優(yōu)先順位控制。根據(jù)“料倉組合設定表”中規(guī)定的優(yōu)先順序輸送,而不是根據(jù)料空的順序輸送,以滿足轉爐工藝的控制要求。
(2) 爐頂料倉的在庫量管理。根據(jù)爐頂料位計、料位開關和上料皮帶秤信號計算爐頂料倉的在庫量,并對落差量進行實時修正。
(3) 吹煉的狀態(tài)遷移控制。根據(jù)吹煉計劃表和現(xiàn)場設備狀態(tài)控制氧氣流量、底吹氣體種類和流量、氧槍槍位、副槍測量、副原料種類和投入量。
(4) 汽包水位的自動控制。根據(jù)吹煉時期對鍋爐汽包水位實行三沖量或單沖量調(diào)節(jié)。
(5) 氧槍和傾動系統(tǒng)采用交流傳動控制,配置緊急后備電源。在緊急情況下,**設備的安全性。
(6) 副槍系統(tǒng)也采用交流傳動控制,配置緊急后備電源,數(shù)據(jù)處理采用DIRC-5計算機系統(tǒng),具有測量、定碳、定氧,可使用TSO定氧探頭進行液面的測量計算。
2、電氣傳動控制
煉鋼系統(tǒng)是鋼鐵廠的中心環(huán)節(jié),轉爐傾動、氧槍升降電氣傳動設備的控制有為重要,它與吹氧系統(tǒng)有著**直接的聯(lián)系,電氣設備的控制速度與定位精度直接影響到冶煉周期和吹氧效率,因此如何控制轉爐傾動設備以及如何自動快速**地進行氧槍、副槍位置控制成為提高鋼產(chǎn)量及質量的關鍵。
2、1轉爐傾動裝置電氣傳動及控制方式
電氣傳動一般可采用公共支流母線和單獨一對一傳動兩種形式,而采用單獨一對一傳動形式從調(diào)速性和可靠性等方面均具有優(yōu)越性。濟鋼三煉鋼1、2、3#轉爐采用的是單獨一對一傳動控制方式,變頻器選用西門子SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。該裝置的控制功能有:帶編碼器的矢量控制應用于需要高度**轉矩和動態(tài)響應;無編碼器的矢量控制在水泵、風機的簡單應用和U/f控制。
4臺轉爐傾動電機同軸剛性連接,如果4臺電機的輸出轉矩不平衡,縮短電機使用壽命。因此必須解決4臺電機負荷平衡問題。采用一對一傳動方式,可在傳動裝置上設置“主-從”方式,確定主傳動裝置,通過脈沖編碼器引入速度反饋信號,設置公用的調(diào)速調(diào)節(jié)器,將主傳動的電流調(diào)節(jié)器的輸入信號同時輸出到三臺從裝置的電流調(diào)節(jié)器中,由于電流調(diào)節(jié)器的輸入信號是相同的,其輸出也相同,故4臺電動機可**在等同的負荷下運行,從而**了運轉設備的平穩(wěn)性和負荷均衡性。
4臺變頻器與主PLC之間通過DeviceNet網(wǎng)連接,每臺變頻器通過網(wǎng)絡接受控制指令和速度給定,并將設備的運行狀態(tài)傳送給主PLC;4臺變頻器通過SIMOLINK光纖網(wǎng)連接成一個環(huán)形結構,實現(xiàn)“一主三從”的控制思想,完成主/從設備之間的數(shù)據(jù)通訊。
2、2氧槍的電氣傳動及其自動控制
2、2、1電氣傳動
每組轉爐設備有2套氧槍升降機構(A槍和B槍),配備2套變頻控制柜(A槍控制柜和B槍控制柜)和一套制動控制柜,一套作為工作槍,另一套作為備用槍。變頻器選用SIMOVERT MASTERDRIVERS 6SE70系列三相交流矢量控制變頻器。
傳統(tǒng)的設計是“對應”控制方式,即A槍變頻器控制A槍電機,B槍變頻器控制B槍電機。1、2、3#轉爐自動控制系統(tǒng)中,兩套氧槍裝置增加了“交換”控制方式,即:當選擇開關置于“對應”控制時,還是A槍變頻器控制A槍電機,B槍變頻器控制B槍電機;而當選擇開關置于“交換”控制時,在不進行臺車交換情況下,就可完成A槍變頻器控制B槍電機,而B槍變頻器控制A槍電機。
氧槍“交換”控制技術是一種全新的控制技術。正常生產(chǎn)中,兩只氧槍的變頻器、升降電機可以做到互為備用。其鮮明的特點有:機械故障時,在臺車不移動的情況下,可以通過電氣快速切換氧槍;電氣故障時,在不更換變頻器、臺車不移動的情況下,可以快速實現(xiàn)氧槍的正??刂啤?/p>
另外,在氧槍制動控制上,**了氧槍電機的抱閘控制,實現(xiàn)了變頻器合/分閘、PLC程序輸出、變頻器本身輸出三點連鎖控制抱閘,使制動控制技術更加**,系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定及可靠。主要特點有:當變頻器因故跳閘后,制動輸出自動實現(xiàn)抱閘,**了設備的安全;當PLC故障時,無論變頻器工作在什么狀態(tài),制動輸出都處于抱閘狀態(tài),****設備不失控,提高了控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。正常生產(chǎn)過程中,因變頻器內(nèi)部或外部線路原因造成了變頻器不能正常工作和控制輸出,可通過PLC輸出完成電機的抱閘,**了系統(tǒng)、設備的安全、可靠與穩(wěn)定。
2、2、2氧槍的自動控制
氧氣頂吹轉爐的自動控制中,氧槍高度的正確與否是一個相當重要的環(huán)節(jié)。采用**的吹氧自動控制槍位技術對氧槍的吹煉點進行控制,可使氧槍準確的停止在工藝操作要求的位置上,其定位的精度相當高,從而更好的**了煉鋼過程計算機控制,實現(xiàn)了自動化。副槍作為另一種重要設備,在氧槍下槍吹煉前測量液面高度,在吹煉周期中測溫取樣,其同樣對速度、位置控制有嚴格的要求。他們的高度位置控制基本是相同的,下面以氧槍為例,著重列舉其控制特點。
(1)位置控制
氧槍上下移動的距離通過與電動轉筒同軸旋轉的兩個**編碼器來計測,即把垂直的位置量轉化為數(shù)字量。正常生產(chǎn)中,以其中的一個為主,另一個**編碼器與之比較作為校準信號,偏差超出設定范圍時發(fā)出報警,過大時急停。
氧槍在多次上下移動過程中會產(chǎn)生突發(fā)性數(shù)字無差級編碼器數(shù)值換算時的累積誤差,如不加以修正則會發(fā)生氧槍檢測位置與實際位置的偏差。為解決這一難題,可在氧槍的換槍位設置校正點。動作周期大體如下:預先將槍位的高度實際值存入主PLC內(nèi)存中;氧槍每次換槍提到換槍位時該信號讀入PLC中,使此時氧槍實際高度檢測記憶值強制性修改。
(2)自動快速定位控制
現(xiàn)代化的轉爐煉鋼氧槍在吹氧過程中是根據(jù)吹氧量的不同而自動調(diào)整槍位的。吹煉過程中氧槍調(diào)整槍位的速度將直接影響到冶煉周期和鋼的質量,因此希望氧槍能以**快的速度準確停止在指定位置。
為了解決這一問題,控制時可采用位置閉環(huán)系統(tǒng),將氧槍設定位置與實際位置的偏差值作為控制信號,并將其轉化為一個控制傳動裝置的速度指令。為縮短氧槍上升與下降時間,在設定值與實際偏差較大時,以較大速度運行,當設定值與實際偏差越來越小達到設定范圍時,控制速度給定按照預先設定的函數(shù)曲線減小,**終使氧槍準確停止在所要求的位置上。
3、結束語
通過對國外煉鋼廠自動化技術的消化移植,結合煉鋼廠當前的具體情況及工藝要求,采用當代**的技術設備而開發(fā)的1、2、3#轉爐自動控制系統(tǒng)使煉鋼廠轉爐的自動控制和生產(chǎn)管理水平躍上了一個新的臺階,滿足了今后生產(chǎn)和新技術開發(fā)、生產(chǎn)管理和信息管理的需要。