轉(zhuǎn)爐副槍自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

苗利明 常超 聶日光 陳鵬

（新興鑄管股份有限公司，河北武安 056300）

轉(zhuǎn)爐煉鋼是煉鋼生產(chǎn)中重要的工藝環(huán)節(jié)，主要作用在于凈化鋼液成分，優(yōu)化鋼液合金配比。為了滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝需求，在轉(zhuǎn)爐中設(shè)置了兩套金屬槍系統(tǒng)。一支是為了加快鋼液循環(huán)流動(dòng)和提高冶煉效果的吹氧用氧槍；另一支是直接插入煉池中的副槍，主要用于測定熔池液位、鋼液溫度以及鋼液中氧含量、碳含量等參數(shù)。由此可以看出副槍在取樣測定鋼液成分中的重要作用，它是保證轉(zhuǎn)爐冶煉質(zhì)量的關(guān)鍵，現(xiàn)代煉鋼工藝依靠副槍測量來判斷和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐熔劑添加量以及吹氧量。副槍在取樣檢測時(shí)主要需要對金屬槍的位置進(jìn)行控制，以完成下槍、插入取樣、提槍等一系列動(dòng)作。轉(zhuǎn)爐副槍在取樣中的各種動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)全部由副槍系統(tǒng)基礎(chǔ)自動(dòng)化測控裝置予以實(shí)現(xiàn)，由人機(jī)交互操作進(jìn)行控制，極大地提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)化水平，改善了人員工作環(huán)境。本文對轉(zhuǎn)爐副槍自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了探討[1]。

1.轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)的工藝流程

轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)屬于一種測量裝置，主要是在轉(zhuǎn)爐不停吹的條件下對轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼液的成分溫度進(jìn)行取樣和檢測，從而為轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)和合金添加的調(diào)整提供依據(jù)。根據(jù)轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)的操作模式，首先根據(jù)檢測要求自動(dòng)或是手動(dòng)從探頭儲(chǔ)存箱中取出選定的副槍探頭類型，然后自動(dòng)安裝到副槍頂端，并旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)爐上方進(jìn)入工作位，等待測量命令。在轉(zhuǎn)爐每爐吹煉后期2min～3min，吹氧量達(dá)到80%時(shí)，由操作人員給予信號下達(dá)測量開始命令，轉(zhuǎn)爐上方設(shè)置有擋煙罩。在副槍控制系統(tǒng)接收到測量指令時(shí)，滑動(dòng)門打開，副槍升降小車帶動(dòng)副槍快速下降到目標(biāo)位置，穿過轉(zhuǎn)爐煙罩上的密封帽入口進(jìn)入轉(zhuǎn)爐熔池，測量鋼液溫度。根據(jù)所用探頭類型的不同，測量單元和熱電偶會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號從而有不同的測量時(shí)間。測量結(jié)束后，測溫儀表單元會(huì)向PLC發(fā)出測溫結(jié)束命令，然后傳動(dòng)系統(tǒng)開始快速提升副槍，并達(dá)到上限位置。測量結(jié)束后，副槍會(huì)旋轉(zhuǎn)到探頭收集器上方，然后打開探頭夾持器取出探頭后送至化驗(yàn)室檢測。以上是副槍的一個(gè)測量周期，結(jié)束后可安裝新探頭進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的測量。

在副槍測量的過程中，需要滿足以下測量條件：（1）準(zhǔn)確掌握測量時(shí)機(jī)和測量時(shí)間，在接近吹煉終點(diǎn)時(shí)進(jìn)行測量，碳含量和熔池溫度的測量結(jié)果會(huì)更加精確。在吹煉結(jié)束前2min時(shí)進(jìn)行測量效果較好，可以有足夠的時(shí)間對冶煉狀態(tài)進(jìn)行修正。（2）精確控制探頭位置。探頭插入太深容易損壞副槍；插入太淺則可能測不到鐵水。（3）控制吹氧量。測量時(shí)的供氧強(qiáng)度應(yīng)是吹煉時(shí)供氧強(qiáng)度的大約一半，以避免過多的氧和氣流對檢測過程和結(jié)果產(chǎn)生影響。特別是采用底吹或是頂?shù)讖?fù)吹的轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)，供氣強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)一步降低[2]。

2.副槍的主要控制功能

副槍的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：（1）選擇探頭并自動(dòng)安裝到副槍槍頭上；（2）控制副槍旋轉(zhuǎn)，在待機(jī)位和工作位之間移動(dòng)；（3）控制探頭安裝設(shè)定的位置要求進(jìn)入鋼液中取樣，完成對鋼液碳、氧、溫度等工藝參數(shù)的測量；（4）控制副槍在待機(jī)位下降至檢修平臺(tái)，對副槍進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。

2.1 副槍的升降控制

副槍的升降主要由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)卷筒和副槍小車來實(shí)現(xiàn)。升降速度根據(jù)安裝在卷筒上的脈沖發(fā)生器所提供的信號，由變頻器來完成對副槍升降速度和高度的控制。副槍的升降速度通常在0.1m/min～2.5m/min。

2.2 副槍的旋轉(zhuǎn)控制

副槍的旋轉(zhuǎn)由變頻器控制，分為高速和低速，主要用于卷揚(yáng)平臺(tái)在副槍的2個(gè)位置之間的旋轉(zhuǎn)。副槍的旋轉(zhuǎn)角度范圍為103°，實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度由脈沖發(fā)生器控制。

2.3 探頭的連接控制

探頭的連接控制主要是指探頭從探頭倉到翻轉(zhuǎn)臂之間的順序控制。首先在氣缸的推動(dòng)下，探頭會(huì)從探頭倉中落到探頭運(yùn)輸機(jī)上。然后由運(yùn)輸機(jī)將其運(yùn)輸?shù)椒D(zhuǎn)臂上。待翻轉(zhuǎn)臂上的夾持器閉合并加緊探頭后，翻轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)至垂直位置，等待副槍下降進(jìn)行探頭安裝。

2.4 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)與副槍的連鎖控制

副槍入爐檢測的條件之一就是控制吹氧量，將底攪拌氣的氣體流量和氧槍吹氧量降低到一定范圍內(nèi)；且保持轉(zhuǎn)爐的垂直位置。通過建立轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)與副槍的連鎖控制，可以滿足上述的連鎖條件。當(dāng)副槍準(zhǔn)備入爐測量時(shí)，會(huì)向轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)發(fā)出信號，然后由轉(zhuǎn)爐PLC和電磁閥控制氧槍降低氧量，從而滿足副槍入爐檢測的條件。

3.轉(zhuǎn)爐副槍測控裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由矢量控制變頻器、電動(dòng)機(jī)、副槍小車、提槍切換裝置等組成。分別執(zhí)行副槍系統(tǒng)的走行升降、旋轉(zhuǎn)、探頭夾持裝卸、密封帽、刮渣等部件的動(dòng)作控制?？刂葡到y(tǒng)的硬件配置主要有：機(jī)架、CPU模塊、電源模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)字量與模擬量輸入/輸出模塊等。通訊網(wǎng)絡(luò)采用兩種結(jié)構(gòu)形式，其中DP總線網(wǎng)內(nèi)的通訊通過PLC的通訊接口，分別連接至現(xiàn)場儀表、變頻器、遠(yuǎn)程I/O從站等?？刂葡到y(tǒng)PLC通過采集現(xiàn)場測量儀表的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，會(huì)根據(jù)設(shè)定好的程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，使其自動(dòng)按照程序運(yùn)行。主站PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與轉(zhuǎn)爐過程計(jì)算機(jī)、操作員站之間建立數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，由人員通過操作界面向轉(zhuǎn)爐過程計(jì)算機(jī)傳送副槍測量結(jié)果和接收指令信號[3]。

3.2 副槍系統(tǒng)操作方式

副槍系統(tǒng)的操作方式包括：自動(dòng)方式、手動(dòng)方式、就地方式、事故方式等4種。其中自動(dòng)方式是最為常用的，一般情況下副槍系統(tǒng)都會(huì)處在自動(dòng)方式，由人機(jī)交互系統(tǒng)給出測量信號后自動(dòng)按照副槍系統(tǒng)的動(dòng)作程度進(jìn)行測量，直至完成該周期。如果自動(dòng)測量的過程中出現(xiàn)超時(shí)、機(jī)械干涉等意外影響系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，提示需要停止自動(dòng)過程并采取人工干預(yù)。自動(dòng)方式下，所有的動(dòng)作周期由操作人員在HMI操作界面上操作完成。手動(dòng)方式下，副槍的測量動(dòng)作周期則全部由人員在現(xiàn)場操作臺(tái)下手動(dòng)控制進(jìn)行。手動(dòng)方式通常是在自動(dòng)方式故障的情況下才采用，需設(shè)置好連鎖保護(hù)，以防止誤操作。

3.3 升降控制

副槍的升降控制主要由PLC和變頻器控制完成，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)副槍小車使其按照不同的速度升降運(yùn)行。位置和高度控制由PLC高速計(jì)數(shù)模塊以及2個(gè)編碼器脈沖互為校對。運(yùn)行過程中如果編碼器間脈沖出現(xiàn)較大誤差時(shí)，系統(tǒng)連鎖便會(huì)控制副槍小車降低運(yùn)行速度。升降時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)在HMI界面操作，預(yù)先設(shè)定的速度給定信號經(jīng)PLC程序采集處理；同時(shí)PLC發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制變頻器按照設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成升降功能。

3.4 行走控制

副槍的行走控制由編碼器、接近開關(guān)、PLC高速計(jì)數(shù)模塊、變頻器等設(shè)備共同完成。行程開關(guān)負(fù)責(zé)機(jī)械保護(hù)停車，并與氧槍、轉(zhuǎn)爐等設(shè)備建立位置連鎖。當(dāng)副槍小車到達(dá)測量位置時(shí)，轉(zhuǎn)爐打開密封帽入口，允許副槍升降操作降入爐內(nèi)。行走控制的操作與升降控制操作基本一樣，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)在操作界面進(jìn)行控制。行走控制的相關(guān)信號同樣也會(huì)反饋至監(jiān)控畫面，形成相關(guān)的曲線。

3.5 探頭自動(dòng)裝卸控制

探頭自動(dòng)裝卸控制的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)探頭的取出安裝和卸下取樣。裝卸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是位于副槍頂端的夾緊裝置，根據(jù)檢測過程需要分別完成探頭供應(yīng)、分揀運(yùn)輸、夾緊旋轉(zhuǎn)、探頭拆卸等相關(guān)操作。所有操作流程和動(dòng)作全部由PLC軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。比如控制氣缸的伸縮，控制電機(jī)的翻轉(zhuǎn)等。每一步的連續(xù)動(dòng)作均由相應(yīng)的工位接近開關(guān)檢測識(shí)別，并由執(zhí)行機(jī)構(gòu)PLC接收反饋信號進(jìn)行邏輯控制。

4.結(jié)語

副槍系統(tǒng)的自動(dòng)控制極大地提高了轉(zhuǎn)爐及其工藝檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，在提高檢測精度的同時(shí)也降低了人員的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了煉鋼生產(chǎn)的自動(dòng)化、數(shù)字化，使鋼材產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。