安鋼100t轉(zhuǎn)爐LF爐控制系統(tǒng)的改進(jìn)

楊伏林 王嵐瀟 劉宇飛 郭 穎 劉文平

( 安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

第一煉軋廠100 t 轉(zhuǎn)爐LF 爐是轉(zhuǎn)爐工程配套的主要設(shè)備，工藝流程是轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束后，將來至轉(zhuǎn)爐的鋼水經(jīng)鋼包由天車吊運(yùn)至LF 爐鋼包車上，接通鋼包底部氬氣吹氬，然后開車將鋼水送至LF 爐冶煉位，下電極送電加熱。在精煉過程中進(jìn)行測溫取樣，根據(jù)分析結(jié)果，以適當(dāng)?shù)墓β始訜?，加入造渣劑和所需合金，主要功能是使鋼液溫度均勻，成份均勻、純凈，使得鋼液脫硫、脫氧，改變夾雜物形態(tài)和分布及準(zhǔn)確控制合金元素，為后道工序提供高質(zhì)量的鋼水。

1 LF 爐控制系統(tǒng)組成

1．1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)LF 爐生產(chǎn)的要求與工藝流程的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的配置使用PLC 控制系統(tǒng)，對(duì)參與聯(lián)鎖和控制的生產(chǎn)設(shè)備的工藝過程進(jìn)行集中監(jiān)控。從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上，考慮以一體化的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)功能分擔(dān)合理、層次清晰，集生產(chǎn)管理、過程控制為一體，安全、高效、開放的控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)采用新工藝改造、新技術(shù)及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面提供必要的基礎(chǔ)。設(shè)1 個(gè)集中控制室，內(nèi)設(shè)1 臺(tái)工程師站HMI、1 臺(tái)操作員站HMI，負(fù)責(zé)硬件下載、軟件編制、完成人機(jī)界面的監(jiān)控操作，通過畫面輸入有關(guān)工藝操作數(shù)據(jù)，向PLC 下達(dá)控制命令，另外，HMI 通過PLC 可采集生產(chǎn)過程中的各種檢測數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)文件及生產(chǎn)流程圖等形式在CRT 上顯示。

系統(tǒng)主要由兩臺(tái)PLC 控制，均為SIMENS S7 －400，構(gòu)成PROFIBUS－DP 主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);主PLC 完成電極調(diào)節(jié)、高壓系統(tǒng)功能，從PLC 完成加料稱量、液壓系統(tǒng)、鋼包車等功能，從PLC 的I/O 點(diǎn)數(shù)較多，設(shè)有一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。交換機(jī)使用西門子產(chǎn)品OSM TP62，可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并可輸出報(bào)警。根據(jù)技術(shù)資料，含有50 個(gè)OSM 的以太環(huán)網(wǎng)，當(dāng)冗余管理器檢測到兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)斷線時(shí)，它重建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時(shí)間不大于0．3 s;使用交換機(jī)的port7 和port8 兩個(gè)光纖口，連接成環(huán)網(wǎng)，同時(shí)把某一個(gè)OSM 設(shè)置為冗余管理器，實(shí)現(xiàn)了冗余控制。除了CPU 外，在主機(jī)架上還有CP443 通訊模塊，這個(gè)模塊的作用是負(fù)責(zé)與交換機(jī)的連接，從而實(shí)現(xiàn)與OPC 服務(wù)器之間的通訊［1］，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。原網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 原通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

除塵風(fēng)機(jī)由S7 －300PLC 單獨(dú)控制，帶一個(gè)操作面板TP170，沒有與LF 爐主PLC 進(jìn)行通訊。

1．2 一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能描述

主站控制系統(tǒng):完成電極調(diào)節(jié)及升降、高壓系統(tǒng)功能。

從站控制系統(tǒng): 完成加料稱量、液壓系統(tǒng)、鋼包車、氬氣攪拌及儀表設(shè)備數(shù)據(jù)采集等功能。

除塵控制系統(tǒng): 完成LF 爐煙氣除塵及高壓風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)檢測。

2 存在問題及分析

安鋼轉(zhuǎn)爐LF 爐于2004年6月投產(chǎn)，是100 t 轉(zhuǎn)爐工程的關(guān)鍵配套設(shè)施，當(dāng)時(shí)為節(jié)約投資，公司采用低價(jià)中標(biāo)，雖然自控系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，達(dá)到上世紀(jì)90年代國際先進(jìn)水平，但有部分設(shè)計(jì)仍不合理，運(yùn)行不平穩(wěn)，另外，核心技術(shù)設(shè)備沒有在LF 爐上使用，不能很好的發(fā)揮LF 爐的作用。存在的主要問題有以下幾點(diǎn):

2．1 電極控制精度低

原系統(tǒng)采用西門子S7PLC 通過PID 調(diào)節(jié)來控制電極的運(yùn)動(dòng)，控制方式為電流控制。電極控制的軟件功能簡單，不能完全滿足生產(chǎn)工藝要求，維護(hù)比較困難。根據(jù)現(xiàn)場了解的情況，煉鋼時(shí)電極波動(dòng)大，控制精度不高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠，冶煉電耗較高。由于弧流控制精度低，響應(yīng)時(shí)間晚，致使轉(zhuǎn)爐LF 爐電極消耗高( 噸鋼高0．1 kg，電極每噸10500 元) ，由于弧流控制的滯后性，還導(dǎo)致電極抖動(dòng)，經(jīng)常發(fā)生斷電極現(xiàn)象(月平均2 根) ，電耗偏高。其原因如下:

1) 冶煉電耗與電爐精煉爐( 弧阻控制) 相比明顯偏高，電爐LF 爐每分鐘電耗200 kW·h 左右，而轉(zhuǎn)爐LF 爐每分鐘電耗250 kW·h 左右，并且熱量不能被有效的吸收，電爐LF 爐每分鐘鋼水升溫在4 ℃～5℃，而轉(zhuǎn)爐LF 爐每分鐘鋼水升溫在3 ℃～4 ℃。正常情況下，電爐LF 爐每班可冶煉13 爐左右，而轉(zhuǎn)爐LF 爐每班可冶煉只有11 爐，不僅浪費(fèi)電能( 每爐冶煉時(shí)間在13 min ～14 min，噸鋼高出5 kW·h ～6 kW·h) ，還影響生產(chǎn)節(jié)奏。

2) 針對(duì)轉(zhuǎn)爐LF 爐的高耗電情況，采用電爐LF爐進(jìn)行冶煉，需啟動(dòng)電爐除塵風(fēng)機(jī)( 1400 kW) 。如果采用轉(zhuǎn)爐LF 爐，則利用轉(zhuǎn)爐二次除塵即可，所以又增加了動(dòng)力電耗( 動(dòng)力電耗噸鋼增加2 ℃左右) ，造成嚴(yán)重的電能浪費(fèi); 由于轉(zhuǎn)爐混鐵爐的除塵環(huán)保要求，在轉(zhuǎn)爐LF 爐不冶煉的情況下，也必須開轉(zhuǎn)爐LF 爐除塵風(fēng)機(jī)，又造成電能浪費(fèi)( 噸鋼1． 5 ℃左右) 。

3) 由于電爐LF 爐是電爐配套設(shè)備，距轉(zhuǎn)爐有80 m 遠(yuǎn)，在轉(zhuǎn)爐鋼水吊運(yùn)過程中，溫降達(dá)10 ℃，而轉(zhuǎn)爐LF 爐是專為轉(zhuǎn)爐配備，位于轉(zhuǎn)爐出鋼對(duì)面，天車吊運(yùn)至轉(zhuǎn)爐LF 爐時(shí)溫降小，所以使用電爐LF 爐冶煉又會(huì)增加精煉電耗。

2．2 LF 爐除塵風(fēng)機(jī)不能實(shí)時(shí)控制

LF 爐除塵風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)屬獨(dú)立單元，沒有實(shí)現(xiàn)LF 爐整個(gè)系統(tǒng)的通訊，原轉(zhuǎn)爐LF 爐系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)分別為兩套PLC，承擔(dān)各自功能，導(dǎo)致的后果是操作人員不能及時(shí)的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，爐前冶煉情況與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況不能很好的配合。本體與風(fēng)機(jī)運(yùn)行無通訊，無法建立數(shù)據(jù)聯(lián)系，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在冶煉狀態(tài)全程高速，風(fēng)機(jī)不能實(shí)時(shí)控制升降速，造成電能浪費(fèi)，增加煉鋼成本。

2．3 鋼包底吹氬流量線性度差

原LF 爐底吹氬控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的底吹流量PID 控制技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、穩(wěn)定等特點(diǎn)，但在生產(chǎn)過程中，由于被控對(duì)象的非線性、數(shù)學(xué)模型的不確定性及系統(tǒng)工作點(diǎn)的劇烈變化等因素，底吹氬系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)流量變化大，線性度差的現(xiàn)象，不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化及其非線性因素的影響，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制系統(tǒng)的要求。生產(chǎn)過程中遇到的具體問題如下:

1) 使用工程整定的參數(shù)，在一定流量要求時(shí)控制效果較好，但在另一流量要求下效果變差。

2) 工況變化時(shí)無法適應(yīng)。例如換鋼種( 造渣要求不同) 、換包( 鋼包尺寸變化) 、透氣磚厚度與疏密程度的變化等，即使是很小的差異，對(duì)控制系統(tǒng)來說，其參數(shù)是有很大的改變，導(dǎo)致控制效果差異很大。

3) 抗干擾能力比較差。例如氬氣壓力的變化、傳感器受到外界溫度和電磁干擾等引起的誤差等等，對(duì)系統(tǒng)來說，控制參數(shù)是一成不變的，因此對(duì)于不同的干擾不能快速有效的響應(yīng)。

3 改進(jìn)措施

3．1 更新電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

對(duì)電極調(diào)節(jié)的控制的改造主要是新增一套基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)( ANN) 的智能調(diào)節(jié)器，此智能調(diào)節(jié)器結(jié)合了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與PID 控制的優(yōu)點(diǎn)，智能調(diào)節(jié)器系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)軟件、開發(fā)工具及應(yīng)用軟件構(gòu)成。智能調(diào)節(jié)器中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)包括ANN 爐況仿真器和ANN 調(diào)節(jié)器，所謂ANN 仿真，就是用ANN 來模擬實(shí)際的LF 爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即根據(jù)時(shí)間片N 的輸入信號(hào)和LF 爐的輸出( 時(shí)間片N+1 的爐況) 來訓(xùn)練ANN，使得ANN 的輸出逼近LF爐的需要輸出。對(duì)大量樣本的分析得出LF 爐的特性，從而在控制過程中可以提前預(yù)測控制信號(hào)對(duì)LF爐的控制效果，控制器根據(jù)ANN 仿真器的預(yù)測信息來優(yōu)化控制信號(hào)及控制參數(shù)( 權(quán)值) 。具體實(shí)施如下:

1) 增加電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場電氣控制室內(nèi)控制柜的布局增設(shè)一臺(tái)電極調(diào)節(jié)控制柜，保留原電極控制柜，原電極控制柜不但控制電極升降，而且還控制爐體高壓系統(tǒng)，原系統(tǒng)即采集了電極控制信號(hào)點(diǎn)，又采集了高壓系統(tǒng)信號(hào)、變壓器保護(hù)信號(hào)。目前只是改造電極控制系統(tǒng)，若廢除原系統(tǒng)電極控制柜，高壓系統(tǒng)就無法控制。電極控制系統(tǒng)的現(xiàn)場信號(hào)電纜都進(jìn)到原系統(tǒng)電極控制柜內(nèi)，為了現(xiàn)場減少施工量，降低重新敷設(shè)電纜成本，保證系統(tǒng)的完好性，有必要保留原系統(tǒng)電極控制柜，以新增系統(tǒng)與原系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)通訊的方式傳送現(xiàn)場控制信號(hào)，即簡單又保證了系統(tǒng)的完整性，不增加額外的工作和成本。

2) 增加變壓器副邊電流采集線圈。原系統(tǒng)是從高壓系統(tǒng)一次側(cè)電流互感器采集一次電流，經(jīng)過PLC 程序轉(zhuǎn)換成副邊電流信號(hào)，這樣的電流信號(hào)不能真實(shí)反應(yīng)電流有效值，給電極控制帶來不穩(wěn)定性。采用英國生產(chǎn)的ROCOIL 的羅氏線圈直接從變壓器副邊采集電流信號(hào)，可以真實(shí)反應(yīng)煉鋼時(shí)電流畸變情況下電流有效值。

3) 增加二次電壓匹配箱。在變壓器旁安裝一臺(tái)二次電壓匹配箱，用于二次電壓的濾波、檢測及二次大電流檢測信號(hào)的轉(zhuǎn)接。

4) 通訊。為了從原系統(tǒng)獲得電極控制系統(tǒng)的信號(hào)，在原電極控制系統(tǒng)和新系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)通訊，通訊方式采用工業(yè)以太網(wǎng)。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)爐LF爐通訊控制系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖

5) HMI 操作畫面完善。原系統(tǒng)HMI 畫面軟件采用的是WINCC5．1 版，為了與原系統(tǒng)保持一致性，在原有的HMI 畫面系統(tǒng)上增加新系統(tǒng)控制參數(shù)及狀態(tài)顯示畫面。如顯示實(shí)際二次電壓、電流;顯示設(shè)定二次電壓、電流;顯示實(shí)際阻抗計(jì)算值;顯示設(shè)定阻抗計(jì)算值;顯示有功、無功、功率因數(shù)及電耗等參數(shù)。

3．2 改進(jìn)除塵風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

使用工控網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS － DP 將二者的PLC控制系統(tǒng)建立連接，使風(fēng)機(jī)操作工了解LF 爐生產(chǎn)信息。原來主PLC 為西門子S7 －400，型號(hào)414 －2DP，主控室有兩臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行操作;風(fēng)機(jī)房PLC 為S7 －300，將此作為從站，所以需要添加接口通訊板，模板型號(hào)CP342 －5。硬件建立后就可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用功能，即可以一方面在風(fēng)機(jī)房控制界面上顯示精煉爐信息，同時(shí)可以對(duì)LF 爐主控室畫面進(jìn)行改進(jìn)，在LF 爐主控室完成風(fēng)機(jī)的直接操作。優(yōu)化步驟如下:

1) 硬件連接。敷設(shè)通訊電纜，兩邊安裝DP 接頭，連接好終端電阻兩邊都需要打至“ON”位置。

2) 精煉爐主PLC 側(cè)硬件配置。首先要在項(xiàng)目中添加風(fēng)機(jī)房PLC 站，從風(fēng)機(jī)S7 項(xiàng)目中將整個(gè)風(fēng)機(jī)S7 －300 站全部復(fù)制過來，然后打開硬件配置，增加DP 從站，存儲(chǔ)區(qū)暫定為DI/DO 各四個(gè)字節(jié)，AI/AO 各8 個(gè)字節(jié)。DP 地址設(shè)定為21。

3) 風(fēng)機(jī)房從站PLC 硬件配置。打開風(fēng)機(jī)S7 －300 硬件配置，增加模板CP342 －5，網(wǎng)絡(luò)連接為同一條PROFIBUS － DP 網(wǎng)絡(luò)，板子工作模式為slave［2］，地址為21，與步驟2) 主站中設(shè)定地址值保持一致。

4) 程序修改。在主從PLC 內(nèi)增加存儲(chǔ)區(qū)域，用于保存信息的發(fā)送接收，根據(jù)工藝，需要的信息主要有“A 車工作位”、“B 車工作位”、“沒有鋼包車在位”、“有車而且爐蓋已壓下”、“正在送電”、“送電已超過2000 度”六個(gè)數(shù)字量點(diǎn)。完成上述6 個(gè)爐況信息發(fā)送及讀取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，可以定義風(fēng)機(jī)的操作，主要有啟動(dòng)、停止、升速、降速操作等。

3．3 優(yōu)化底吹氬控制系統(tǒng)

1) 根據(jù)模糊PID 的原理，在PLC 程序中編制一個(gè)模糊控制功能塊。LF 爐項(xiàng)目中的CPU 采用西門子公司的CPU414 －2DP，編程語言采用STEP7 V5．2版。該編程工具提供了豐富的功能塊，包括PID 控制功能塊FB41 等，可以直接調(diào)用，這樣就為模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了很好的工具。程序編制的思路是采用分段條件跳轉(zhuǎn)語句，以傳統(tǒng)PID 控制器的參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行模糊處理，得到相應(yīng)的P、I 參數(shù)的變化值△P、△I，并與傳統(tǒng)原始PID 參數(shù)值相加，然后送到功能塊FB41 中作為控制量來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。在底吹氬控制系統(tǒng)程序中編制了一個(gè)專用的模糊控制功能塊FB100 來實(shí)現(xiàn)模糊控制器的功能，并且為這個(gè)功能塊配置一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊DB100，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)值的初始化，同時(shí)存儲(chǔ)量化因子及目標(biāo)底吹流量、反饋底吹流量等參數(shù)。整個(gè)模糊控制器的功能由三個(gè)功能塊FC100、FC101、FC102 來完成。

2) 通過分析底吹氬的現(xiàn)有工作過程，為不同時(shí)期的特定目的而采用恒壓變流量操作，去獲得好的“環(huán)流”攪拌效果，將整個(gè)底吹氬過程根據(jù)不同時(shí)期的目的分為三段:①加合金微調(diào)攪拌時(shí)，氬氣流量為高速;②加熱提溫時(shí)為中高速;③軟吹除雜為低速弱攪拌;根據(jù)爐況與冶煉的步驟要求，這三個(gè)步驟由操作者確定時(shí)間和流量后即交付控制系統(tǒng)自動(dòng)控制。

3) 增加底吹氬的操作情況的約束條件，在考慮LF 爐底吹氬的控制方案時(shí)一定要把這些因素考慮進(jìn)去:①開始啟動(dòng)吹氬時(shí)，必須使出口壓力足以吹開透氣磚，并在開吹后能及時(shí)將出口壓力迅速減小至略大于鋼水的靜壓力，防止鋼水過氧化，使正常底吹氬順利進(jìn)行。②由于LF 爐底氬吹過程是一個(gè)較為復(fù)雜、有一定慣性和滯后、具有非線性、分布參數(shù)和時(shí)變性的系統(tǒng)，因此，要求在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，仍能夠保證吹入精煉爐的氬氣量恒定，即要有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)還要滿足精煉時(shí)氬氣流量能隨工藝的要求快速、準(zhǔn)確地得到調(diào)整。

4 改進(jìn)效果

4．1 電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

新系統(tǒng)有兩套控制系統(tǒng)，一套是基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一套是常規(guī)的PLC 電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，正常情況下，使用智能調(diào)節(jié)器系統(tǒng)控制電極系統(tǒng)，智能調(diào)節(jié)器故障時(shí)，電極升降PLC( 熱備) 調(diào)節(jié)器自動(dòng)替代智能調(diào)節(jié)器進(jìn)行電極升降控制，保障正常生產(chǎn)，同時(shí)用于離散量的檢測。

4．2 能源介質(zhì)消耗

風(fēng)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)按實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)機(jī)的控制精度，減少電能浪費(fèi)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。電極智能調(diào)節(jié)器結(jié)合了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與PID 控制的優(yōu)點(diǎn)，使電弧控制更加穩(wěn)定，從而降低了冶煉電耗、電極消耗。

4．3 底吹氬動(dòng)態(tài)特性

底吹氬通過PLC 程序來實(shí)現(xiàn)的模糊PID 控制，對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行了簡化，流量控制系統(tǒng)能更快速的趨于穩(wěn)定，而且超調(diào)值也大大縮小，抗干擾能力強(qiáng)，包括鋼包透氣磚好壞、氬氣壓力變化、鋼水渣面層厚度變化等。使用效果達(dá)到工藝要求，使終點(diǎn)鋼水溫度偏差減少，縮短了加熱周期，提高了生產(chǎn)效率，鋼包中氬氣弱攪拌使得合金收得率提高，更加體現(xiàn)了吹氬合金微調(diào)功能，為進(jìn)一步提高鋼水質(zhì)量打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐LF 爐在使用過程中的缺點(diǎn)主要是相比電爐LF 爐能耗較高。通過改進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，降低了動(dòng)力電耗、精煉電耗、工序能耗、電極消耗，保證了工序的通暢和銜接。另外對(duì)電極調(diào)節(jié)阻抗控制的實(shí)現(xiàn)、DP 通訊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)技術(shù)、底吹氬控制的優(yōu)化程序等在同行業(yè)中具有極大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

［1］廖常初主編． 西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:388 －402．

［2］廖常初主編．S7 －300/400PLC 應(yīng)用技術(shù)．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005:310 －320．