KR鐵水預(yù)處理過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 峰，陸 程，陶 雷，原鵬斌，孟 旭，陳剛剛，郭名一

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京100071;2.江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰214400）

1 引言

KR鐵水預(yù)處理是煉鋼的一道重要工序，在轉(zhuǎn)爐冶煉前，鐵水中的硫需要從鐵水中除去，用低硫鐵水進(jìn)行煉鋼。意義在于：降低轉(zhuǎn)爐冶煉成本，縮短冶煉周期，延長爐齡，提高各鋼種的內(nèi)在質(zhì)量［1］。

2 KR法鐵水預(yù)處理工藝特點(diǎn)

圖1 KR鐵水預(yù)處理系統(tǒng)工藝圖

KR攪拌脫硫法是日本某制鐵廠于1963年開始研究，1965年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種鐵水爐外脫硫技術(shù)［2］。脫硫方法是以外襯耐火材料的脫硫攪拌器侵入鐵水罐內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)鐵水，使鐵水產(chǎn)生漩渦，將經(jīng)過稱量的脫硫劑由給料器加入到鐵水表面，并被漩渦卷入鐵水中，與高溫鐵水混合、反應(yīng)，達(dá)到脫硫目的。

如圖1所示為KR鐵水預(yù)處理工藝圖。主要控制設(shè)備有鐵水罐車、攪拌升降小車、攪拌頭、活動(dòng)煙罩、升降溜槽、氧化鈣料倉、料斗以及噴吹閥等。

3 工藝控制系統(tǒng)要求

KR鐵水預(yù)處理過程及動(dòng)作順序如下：①由吊車將裝有鐵水的鐵水罐吊起，運(yùn)至停在吊罐位的鐵水車上；②開動(dòng)鐵水車，進(jìn)入到處理工作位；③開動(dòng)渣罐車到工作位；④鐵水車傾翻，測溫取樣，扒渣處理；⑤升降攪拌小車液壓系統(tǒng)啟動(dòng)，升降小車夾鉗松開；⑥升降攪拌頭小車下降到攪拌位，升降小車夾鉗夾緊，液壓系統(tǒng)停止；⑦活動(dòng)煙罩下降，攪拌頭低速旋轉(zhuǎn)10s；⑧升降溜槽下降，攪拌頭高速攪拌；⑨料斗給料機(jī)運(yùn)行，料斗流化閥打開，噴吹閥打開；⑩料斗空信號(hào)達(dá)到時(shí)，延時(shí)3s關(guān)閉流化閥，延時(shí)10s關(guān)閉噴吹閥；11○攪拌時(shí)間到達(dá)時(shí)，停止攪拌，活動(dòng)煙罩、升降溜槽、升降攪拌小車均回到待用位；12○鐵水車傾翻，測溫取樣，扒渣處理；13○鐵水車復(fù)位，開到吊裝位，處理完畢。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備工作過程、電機(jī)容量等相關(guān)因素，為每一個(gè)用電設(shè)備提供了供電控制回路。鐵水車、渣罐車、攪拌頭3個(gè)設(shè)備在動(dòng)作工程中速度可以調(diào)整，設(shè)計(jì)時(shí)為該3個(gè)設(shè)備供電回路考慮了變頻器控制。

電源柜進(jìn)線短路器容量計(jì)算時(shí)，根據(jù)如下計(jì)算公式得出：

4.2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化部分設(shè)計(jì)方案：①PLC主站選用S7-400系列PLC（414-2DP CPU）；②分布式I/O選用了模塊化的ET200M DP（153-1 DP接口模塊）從站；③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中主干網(wǎng)為以太網(wǎng)通訊，設(shè)備選用了具有2個(gè)光纖接口，6個(gè)RJ45接口的OSM光纖交換機(jī)。子網(wǎng)部分為PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通訊；④設(shè)置操作員站（HMI）2臺(tái)，工程師站1臺(tái)；⑤為防止儀表與PLC之間距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致信號(hào)不準(zhǔn)確等問題，PLC柜的遠(yuǎn)程站均放置在現(xiàn)場操作平臺(tái)上。如圖2所示為KR鐵水預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為監(jiān)控站（CRT）畫面軟件設(shè)計(jì)和PLC程序軟件設(shè)計(jì)。

圖2 KR鐵水預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

5.1 監(jiān)控站（CRT）畫面軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控畫面軟件開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)為WinCC 6.3軟件。HMI畫面監(jiān)控軟件開發(fā)過程，可分為以下幾個(gè)步驟：①網(wǎng)絡(luò)組態(tài):為畫面編制的第一過程，PLC與HMI之間的通訊是靠以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。首先選擇通訊模式TCP/IP模式，然后選擇計(jì)算機(jī)內(nèi)部的通訊網(wǎng)卡（計(jì)算機(jī)內(nèi)可能存在2個(gè)或以上的網(wǎng)卡，要選擇與PLC通訊使用的網(wǎng)卡），然后輸入PLC的IP地址；②TAG的建立:為HMI開發(fā)的基礎(chǔ)，因?yàn)樗斜O(jiān)控設(shè)備的動(dòng)作或顏色變化均是靠TAG的值來顯示的。TAG與下一節(jié)中的PLC編程使用的TAG，有著很大關(guān)系，一般來說，PLC和HMI的TAG同時(shí)建立；③畫面編制及動(dòng)畫制作:要求完全顯示工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如有報(bào)警情況必須及時(shí)提示給操作人員，方便處理。

5.2 PLC程序軟件設(shè)計(jì)

5.2.1 硬件設(shè)備組態(tài)

根據(jù)PLC所選硬件設(shè)備，進(jìn)行了相應(yīng)得硬件設(shè)備組態(tài)。包括：①S7-400主站1個(gè)，主站包括CPU模塊、443-1以太網(wǎng)通訊模塊；②ET200M遠(yuǎn)程站8個(gè)；③IO點(diǎn)地址分配：

檢測方法包括標(biāo)準(zhǔn)方法和非標(biāo)準(zhǔn)方法．每個(gè)項(xiàng)目往往有多個(gè)方法，每個(gè)方法的靈敏度、適用范圍及適用目的都有所不同．此系統(tǒng)將環(huán)境檢測通用的標(biāo)準(zhǔn)方法以其使用條件、使用目的、靈敏度和檢測范圍等特性進(jìn)行分類，形成檢測方法信息數(shù)據(jù)模塊．使每個(gè)項(xiàng)目檢測方法的選擇和使用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化．

5.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

雙層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，第一層PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)，第二層工業(yè)以太網(wǎng)。如圖3所示為STEP 7網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面。

圖3 STEP 7網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面

①新增以太網(wǎng)。CPU本身不具有TCP/IP通訊功能，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊功能的是模塊6GK7 443-1EX11-0XE0。選擇新增以太網(wǎng)Industrial Ethernet（1）；②為 CPU分配以太網(wǎng) IP地址。IP:192.168.2.141,網(wǎng)關(guān):192.168.2.1；③與其它 CPU 系統(tǒng)組成一個(gè)網(wǎng)段。將其它系統(tǒng)的CPU也加入到Industrial Etherne（1）網(wǎng)段，以便實(shí)現(xiàn) CPU 之間以太網(wǎng)通訊；④新增PROFIBUS DP網(wǎng)。DP接口為了連接ET200M遠(yuǎn)程站使用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的完整性，S7-400處理器，S7-300模塊的遠(yuǎn)程站。DP網(wǎng)絡(luò)接口，是使用CPU處理器本身的DP接口（6ES7 416-3XR05-0AB0）。

5.2.3 程序結(jié)構(gòu)分配

根據(jù)工藝要求，本次軟件程序設(shè)計(jì)使用了OB組織塊12個(gè)、FC功能塊51個(gè)、DB數(shù)據(jù)塊21個(gè)。如表1所示為主要FC功能塊說明。

6 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 主要設(shè)備控制程序

根據(jù)工藝需要和設(shè)備之間連鎖關(guān)系，主要設(shè)備控制程序可分為現(xiàn)場手動(dòng)控制程序和監(jiān)控站(CRT)控制程序兩部分。現(xiàn)場手動(dòng)控制程序是指，在設(shè)備檢修情況下或設(shè)備調(diào)試期間（非正常生產(chǎn)情況），由操作人員在現(xiàn)場對單體設(shè)備進(jìn)行操作，不考慮設(shè)備之間的連鎖。監(jiān)控站（CRT）控制程序是指，操作人員在監(jiān)控站上進(jìn)行生產(chǎn)操作，現(xiàn)場無人值守，設(shè)備運(yùn)行情況是依靠現(xiàn)場的限位開關(guān)和電機(jī)控制回路等條件進(jìn)行判斷，考慮設(shè)備之間連鎖關(guān)系。

表1 主要FC功能塊說明

6.2 鐵水罐車行走、傾翻控制

鐵水罐車行走、傾翻控制，設(shè)現(xiàn)場操作箱本地控制和監(jiān)控站（CRT）集中控制兩種方式，由設(shè)在現(xiàn)場操作箱上的選擇開關(guān)進(jìn)行切換。

行走連鎖條件：①鐵水罐車電機(jī)、變頻器、液壓泵、液壓冷卻器、液壓加熱器、電纜卷筒等無故障；②鐵水罐車行走中，升降溜槽裝置必須處于上限位；③升降攪拌裝置必須處于檢修位或待用位；④活動(dòng)煙罩必須處于上限位；⑤鐵水罐車行走中，鐵水罐必須落位。

傾翻連鎖條件：①鐵水罐車已在工作位上；②扒渣煙罩下降到位；③攪拌提升小車在待用位；④渣罐車已在工作位；⑤鐵水罐車液壓泵已起動(dòng)。

6.3 攪拌旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制

攪拌旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，設(shè)現(xiàn)場操作箱本地控制和監(jiān)控站（CRT）集中控制兩種方式，由設(shè)在操作箱上的選擇開關(guān)進(jìn)行切換。

集中控制：在操作箱上選擇集中操作模式，在監(jiān)控站（CRT）畫面上按（1）設(shè)定高速攪拌時(shí)間（單位min），低速攪拌時(shí)間（單位min），高速旋轉(zhuǎn)速度（r/min），低速旋轉(zhuǎn)速度（r/min）（高速、低速旋轉(zhuǎn)速度可以在攪拌旋轉(zhuǎn)裝置運(yùn)行過程中進(jìn)行時(shí)時(shí)調(diào)整）；（2）是“旋轉(zhuǎn)起動(dòng)”按鈕，變頻器以低速攪拌速度起動(dòng)，旋轉(zhuǎn)2s后，進(jìn)入高速攪拌，高速攪拌時(shí)間到達(dá)后，旋轉(zhuǎn)進(jìn)入低速攪拌，低速攪拌時(shí)間到達(dá)后，停止攪拌（如需要攪拌過程中停止攪拌，直接按“旋轉(zhuǎn)停止”按鈕即可）。

連鎖條件：①旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變頻器、冷卻風(fēng)扇、鋼絲繩張力檢測等無故障；②攪拌升降小車在工作位；③煙罩在工作位；④液壓裝置夾緊到位；⑤鐵水罐車在工作位；⑥攪拌頭冷卻電磁閥無故障。

6.4 脫硫劑使用量設(shè)定

根據(jù)工藝條件和操作需要，脫硫劑使用量的設(shè)定采用手動(dòng)設(shè)定和自動(dòng)計(jì)算兩種方式。

手動(dòng)設(shè)定：在監(jiān)控站（CRT）上選擇數(shù)據(jù)輸入頁面，選擇數(shù)據(jù)來源“手動(dòng)設(shè)定、自動(dòng)計(jì)算”為手動(dòng)設(shè)定，在設(shè)定值輸入框內(nèi)直接輸入脫硫劑使用量。

自動(dòng)計(jì)算：在監(jiān)控站（CRT）上選擇數(shù)據(jù)輸入頁面，選擇數(shù)據(jù)來源“手動(dòng)設(shè)定、自動(dòng)計(jì)算”為自動(dòng)計(jì)算，PLC根據(jù)實(shí)驗(yàn)室傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，程序?qū)聪旅娴墓接?jì)算出脫硫劑的使用量：

式中，G為脫硫劑使用量，kg；R為脫硫劑活性度（常數(shù)，＜1）；T 為鐵水溫度，°C；N1為鐵水含硫量，%；N2為目標(biāo)含硫量，%；W 為鐵水重量，t。

參數(shù)中，R為人工設(shè)定，T為處理前鐵水溫度，N1、N2參數(shù)經(jīng)化驗(yàn)室通過L2數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送到PLC，W為鐵水罐車車載傳感器重量數(shù)據(jù)（剪掉鐵水車皮重）。

7 結(jié)束語

本套KR鐵水預(yù)處理系統(tǒng)采用電儀一體化設(shè)計(jì)方案，從低壓元件、現(xiàn)場檢測設(shè)備、PLC系統(tǒng)都是先進(jìn)的、可靠的、運(yùn)行穩(wěn)定的。實(shí)現(xiàn)了工藝控制要求，克服了KR區(qū)域工作粉塵濃度大、溫度高等不利的環(huán)境因素，現(xiàn)場手動(dòng)控制程序使得設(shè)備檢修、維護(hù)服務(wù)方便簡捷。該系統(tǒng)自2008年10月投運(yùn)后，鐵水脫硫效果明顯，電控系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，為企業(yè)創(chuàng)造了很高的生產(chǎn)效益。