PLC 技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用

供稿|梁明勝

內(nèi)容導(dǎo)讀 PLC 即可編程控制器，是數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，它應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。PLC 這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，編程方便，能完成邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它具有“數(shù)字量（D）和模擬量（A）輸入（I）和輸出（O）的功能，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能”。PLC 主要應(yīng)用于中小型單機(jī)電氣控制系統(tǒng)，制造業(yè)自動(dòng)化，運(yùn)動(dòng)控制，流程工業(yè)自動(dòng)化。PLC 的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)，編程方便、易于使用，功能強(qiáng)大、成本低，設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短，維護(hù)方便。煉鋼轉(zhuǎn)爐采用PLC 系統(tǒng)進(jìn)行控制，在生產(chǎn)過程中將諸多工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中控制，使得人們把轉(zhuǎn)爐煉鋼的操作任務(wù)交給PLC 系統(tǒng)去完成的想法變成現(xiàn)實(shí)。

20 世紀(jì)20 年代起，人們把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器、及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，但是以各種繼電器為主要元件的電氣控制線路可能需要成千只繼電器構(gòu)成，需要使用成千上萬根導(dǎo)線來連接，安裝這些繼電器需要大量的繼電器控制柜，且占據(jù)大量的空間、消耗大量的電能，為保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還需要安排大量的電氣技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障，排除故障非常困難，尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，可能需要增加很多的繼電器或控制柜，系統(tǒng)改造的工作量極大，通用性和靈活性較差。到20 世紀(jì)60 年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機(jī)群控的發(fā)展，人們試圖用小型計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的要求。1969 年，美國數(shù)字化設(shè)備公司研制出第一臺可編程控制器（PDP-14），在通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用后，效果顯著；1971 年，日本研制出第一臺可編程控制器（DCS-8）；1973 年，德國研制出第一臺可編程控制器；1974 年，我國開始研制可編程控制器；1977 年，我國在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣PLC[1-3]（可編程控制器）。2004 年本鋼集團(tuán)北營煉鋼廠3 座120 t 轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)使用，每座轉(zhuǎn)爐均采用德國西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行控制，PLC 技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用使得整體的煉鋼工作效率大幅度提升[4]，保證企業(yè)日常管理工作水平有效提高。

轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)

（1）轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)：

①氧氣、氮?dú)饪偣艿膲毫?、溫度測量；

②氧氣、氮?dú)庵Э偣艿那袛?、壓力測量及調(diào)節(jié)；

③支路氮?dú)夂脱鯓尰芈费鯕獾那袛?、流量測量、自動(dòng)調(diào)節(jié)及流量累積，支路氮?dú)忾y及氧槍回路閥后的壓力測量；

④氧槍進(jìn)出水壓力、溫度和流量的測量及進(jìn)口流量調(diào)節(jié)；

⑤氧槍鋼絲繩張力測量；

⑥單爐冶煉供氧時(shí)間的計(jì)算。

（2）轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)：轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)變頻器，傾動(dòng)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩及傾動(dòng)角度。

（3）轉(zhuǎn)爐設(shè)備冷卻水系統(tǒng)：轉(zhuǎn)爐冷卻水壓力，進(jìn)、出水溫度及流量測量。

（4）轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測量。

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)

（1）汽包與除氧器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，水位、水溫和蒸汽壓力測量；

（2）給水泵出口母管壓力測量；

（3）氧槍口及左、右下料口冷卻水回水溫度測量；

（4）汽包給水管給水流量測量；

（5）軟水流量測量；

（6）高、低壓泵出口流量測量；

（7）活動(dòng)煙罩氮?dú)饬髁繙y量；

（8）分汽缸溫度、壓力測量，進(jìn)分汽缸蒸汽壓力調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)爐合金投料系統(tǒng)

（1）轉(zhuǎn)爐合金投料系統(tǒng)稱量斗的自動(dòng)稱量；

（2）轉(zhuǎn)爐合金料倉料位顯示。

轉(zhuǎn)爐輔料投料系統(tǒng)

（1）氮封用氮?dú)鈮毫Φ臏y量；

（2）轉(zhuǎn)爐輔料投料系統(tǒng)稱量斗的自動(dòng)稱量；

（3）轉(zhuǎn)爐輔原料料倉料位顯示。

轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐鋼水過程，終點(diǎn)溫度，氧含量測量。

PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)分析

可靠性高，故障率低

高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性[5]。部分PLC 平均無故障時(shí)間高達(dá)30 萬h，一些使用冗余CPU 的PLC 平均無故障工作時(shí)間更長。從PLC 的機(jī)外電路來說，使用PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。由于運(yùn)用了大量軟繼電器等抗干擾元件，可以對外界干擾及時(shí)隔離和阻斷，而在整個(gè)工業(yè)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，PLC 也可以通過外部設(shè)置的預(yù)警系統(tǒng)，對不正常信息進(jìn)行識別和比對，并提示中央控制器及時(shí)進(jìn)行故障處理和維護(hù)，使整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的失效率降低，實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)運(yùn)行。

程序控制，性能良好

PLC 控制技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)測量，以一定編程進(jìn)行系統(tǒng)化操作及控制的操作應(yīng)用系統(tǒng)。在煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)狀態(tài)是以信號傳輸?shù)男问捷斎肟刂葡到y(tǒng)，通過控制系統(tǒng)內(nèi)部的程序化操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，精確化數(shù)據(jù)保證程序運(yùn)行的可靠性[6]。轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)的主要設(shè)備，在生產(chǎn)過程中的諸多工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，例如氧氣的壓力、流量，氧槍冷卻水的壓力、流量、進(jìn)水和回水溫度，濺渣護(hù)爐的氮?dú)鈮毫Φ?，是進(jìn)行生產(chǎn)的重要參考依據(jù)，而氧槍和轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的電動(dòng)機(jī)溫升和電流等運(yùn)行參數(shù)正常與否，直接關(guān)系設(shè)備能否安全運(yùn)行。隨著PLC 技術(shù)的發(fā)展，人們把轉(zhuǎn)爐煉鋼的控制任務(wù)交給PLC 系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

簡化過程，方便操作

PLC 技術(shù)可以根據(jù)一定的程序進(jìn)行自動(dòng)化操作，在完整的控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，需要有開關(guān)量控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)輸入信號，也在綜合性的應(yīng)用過程中進(jìn)行長期穩(wěn)定的應(yīng)用，這樣就可以在系統(tǒng)化的操作過程中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。盡管PLC 技術(shù)在運(yùn)行時(shí)可能會受到空間輻射和系統(tǒng)外調(diào)節(jié)變量的影響，但PLC 所有輸入信號在程序處理前統(tǒng)一讀入，并在處理過程中不再變化，而程序處理的結(jié)果也是在掃描周期的最后時(shí)段統(tǒng)一輸出。其工作特點(diǎn)是將一個(gè)連續(xù)的過程分解成若干靜止的狀態(tài)，PLC 僅在掃描周期的起始時(shí)段讀取外部輸入狀態(tài)，該時(shí)段相對較短，抗輸入信號串入的干擾極為有利，并且按已編輯的標(biāo)準(zhǔn)程序執(zhí)行，完成整個(gè)煉鋼過程的整體運(yùn)行，從而減少了以前手工操作造成的數(shù)據(jù)偏差，保證了整個(gè)煉鋼控制從加廢鋼，加鐵水，氧槍吹煉到出鋼各數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，可以說PLC 技術(shù)能在簡化流程的同時(shí)，還能完成系統(tǒng)化操作，使運(yùn)維方便高效。

通信方式齊全，適應(yīng)性強(qiáng)

PLC 技術(shù)不斷發(fā)展，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，PLC 還具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域，加上PLC 通信能力的不斷增強(qiáng)，使用PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易，PLC 的通信任務(wù)就是將地理位置不同的PLC、計(jì)算機(jī)、各種現(xiàn)場設(shè)備等，通過通信介質(zhì)連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理，從而完成各PLC 之間，PLC 與變頻器，PLC 與編碼器、觸摸屏等現(xiàn)場設(shè)備的全面控制功能。

PLC 技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼控制的內(nèi)容

PLC 開關(guān)量的邏輯連鎖控制功能

開關(guān)量連鎖控制是PLC 系統(tǒng)傳動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。將分布式設(shè)備本體各處的諸多檢測開關(guān)器件信號采集到開關(guān)量輸入模板，通過編程，由開關(guān)量輸出模塊輸出，控制相關(guān)的繼電器或變頻器控制端子，實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證氧槍升降和轉(zhuǎn)爐前后傾動(dòng)設(shè)備的安全運(yùn)行，只有在轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)入冶煉位后，即轉(zhuǎn)爐處于零位時(shí)，方可允許氧槍下降操作，為防止誤操作，氧槍降得過低，碰傷爐體損壞氧槍，設(shè)置下限位開關(guān)。氧槍的提升，由上限和超高限位兩限位限制其提升行程。此外氧槍升降控制在PLC 運(yùn)行程序上相互間有互鎖。為保障冶煉工作安全，防止設(shè)備損壞，氧槍設(shè)備對其他設(shè)備的傳動(dòng)控制系統(tǒng)還有一些連鎖信號。

PLC 技術(shù)在程序控制中的應(yīng)用

PLC 技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的有效應(yīng)用，進(jìn)行單元式的順序管理工作，也就在此過程中進(jìn)行全面而精準(zhǔn)的分析工作，保證自動(dòng)化控制流程的合理性和操作的流暢性。例如，把PLC 技術(shù)應(yīng)用到順序控制器中，轉(zhuǎn)爐煉鋼在副槍測量時(shí)，由操作人員發(fā)出操作指令，探頭自動(dòng)裝卸機(jī)從探頭儲存箱中取出探頭并將其連接到副槍槍頭上，系統(tǒng)在確認(rèn)探頭連接無誤后，控制副槍移動(dòng)到測量位置。隨后，系統(tǒng)根據(jù)鋼水液面的高度，控制副槍的插入深度及測量時(shí)間，測量完成后，系統(tǒng)控制副槍提槍，移動(dòng)到待機(jī)位置，由探頭裝卸機(jī)構(gòu)將用過的探頭拔除。測量數(shù)據(jù)傳輸給LCD，針對不同鋼種所要求的終點(diǎn)成分，向其它PLC（如吹氧和底吹控制PLC）發(fā)送控制指令，由PLC 完成出鋼前的調(diào)整。副槍運(yùn)行狀況可在操作室的LCD 上進(jìn)行監(jiān)視），保證了應(yīng)用控制程序的基本有序性，避免了不良操作對整個(gè)運(yùn)行過程的影響，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制工作的整體效率。

PLC 技術(shù)在閉環(huán)控制中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，4 臺電動(dòng)機(jī)采用4 點(diǎn)懸掛形式嚙合在一個(gè)齒輪箱上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)，四臺電動(dòng)機(jī)通過主從控制方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡；傳動(dòng)裝置與傾動(dòng)電機(jī)采用1 對1 控制，即1 臺調(diào)速裝置對應(yīng)1 臺傾動(dòng)電機(jī)，當(dāng)其中1 臺電動(dòng)機(jī)或裝置發(fā)生故障時(shí)，其它3 臺電動(dòng)機(jī)可以繼續(xù)工作，當(dāng)2 臺電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其余2 臺也可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐煉完本爐鋼。4 臺傾動(dòng)變頻器通過FDCO-02 通訊模塊組成光纖環(huán)網(wǎng)，構(gòu)成主從控制結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通訊，與PLC 通過FENA-11 模塊通訊（圖1）。通過變頻器自身實(shí)現(xiàn)主/從電流負(fù)荷平衡，同時(shí)具備主/從切換功能。當(dāng)轉(zhuǎn)爐正在出鋼、出渣時(shí)，交流電源發(fā)生停電故障，此時(shí)可利用UPS（或EPS）不間斷電源通過PLC 程序控制將轉(zhuǎn)爐4 臺液壓電磁制動(dòng)器打開，轉(zhuǎn)爐依靠自重復(fù)位，使轉(zhuǎn)爐處于安全位置。每臺電動(dòng)機(jī)隨機(jī)械配裝脈沖編碼器一臺，在轉(zhuǎn)爐輸出軸上裝設(shè)一臺絕對值編碼器，脈沖編碼器作為速度反饋信號，絕對值編碼器信號反饋至PLC，作為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度顯示信號?？刂七^程如下：正常情況下，1#裝置為主，其余為從裝置，主裝置根據(jù)主電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)作速度閉環(huán)控制，從裝置接收轉(zhuǎn)矩給定，實(shí)行轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)某一臺從裝置或?qū)?yīng)電動(dòng)機(jī)故障時(shí)，在分閘前提下，可以從HMI 畫面選擇該裝置不投入，其余三臺裝置正常投入生產(chǎn)；當(dāng)1#裝置或?qū)?yīng)電動(dòng)機(jī)有故障時(shí)，在分閘前提下，可以通過HMI 輕松切換到2#裝置為主裝置，1#裝置不投入，維持正常生產(chǎn)。當(dāng)2 臺電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，而轉(zhuǎn)爐正處于吹煉狀態(tài)，則可以重新選擇主從結(jié)構(gòu)，利用剩余2 臺電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行維持該爐鋼煉完。

圖1 轉(zhuǎn)爐PLC 控制傾動(dòng)變頻器的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

各裝置共用主變頻器的速度環(huán)，主從控制在控制單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，避免電磁干擾，通訊速度快，保證輸出轉(zhuǎn)矩一致，實(shí)現(xiàn)力矩平衡?？刂茊卧cPLC 間均通過Profibus 網(wǎng)絡(luò)連接，通過HMI 實(shí)時(shí)監(jiān)控傳動(dòng)裝置狀態(tài)。正常聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)傾動(dòng)電機(jī)抱閘由PLC 和變頻器共同控制，最大程度保證轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)傾動(dòng)安全。控制方式為帶編碼器的閉環(huán)控制，可保證轉(zhuǎn)矩輸出準(zhǔn)確和速度控制精度。4 臺電動(dòng)機(jī)均有抱閘機(jī)構(gòu)，抱閘由PLC 輸出接點(diǎn)和變頻輸出點(diǎn)共同控制，當(dāng)PLC 或變頻發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)，另一方控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)動(dòng)作，抱閘關(guān)閉，保證爐體安全，通過PLC 的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，保證了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制的準(zhǔn)確性與安全性。

PLC 技術(shù)在通訊的數(shù)據(jù)處理控制中的應(yīng)用

全PLC 系統(tǒng)控制器在工作過程中，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)采集和整理的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)編號，并能根據(jù)編號的相應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行信號發(fā)送和接收。轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)過程中，涉及的有氧槍、傾動(dòng)本體系統(tǒng)，輔原料下料系統(tǒng)，合金下料系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐副槍測量系統(tǒng)等多個(gè)PLC 系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)通訊（圖2），實(shí)現(xiàn)各種工藝控制功能，各系統(tǒng)連鎖控制、協(xié)同作業(yè)，共同完成轉(zhuǎn)爐冶煉工作。PLC 通過Profibus 網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)編碼器信號的采集和對變頻器的控制，采集的脈沖通過PLC 程序功能塊轉(zhuǎn)換成位置信號，實(shí)現(xiàn)氧槍高度的精確計(jì)算，通過變頻器完成驅(qū)動(dòng)氧槍電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)和鋼車電機(jī)等功能控制。

圖2 轉(zhuǎn)爐各PLC 系統(tǒng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)束語

通過對西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化中的應(yīng)用，尤其是實(shí)時(shí)檢測生產(chǎn)工藝和電控系統(tǒng)兩大參數(shù)群，綜合判斷處理，決策控制，并結(jié)合開關(guān)量邏輯控制功能和運(yùn)行程序的順序控制技術(shù)，閉環(huán)控制的應(yīng)用，多種網(wǎng)絡(luò)通信功能，豐富的報(bào)警顯示及預(yù)警功能，使得煉鋼自動(dòng)化系統(tǒng)具備故障自檢、智能控制和一定的故障應(yīng)對能力，經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐設(shè)備的零故障運(yùn)行，而且轉(zhuǎn)爐設(shè)備的使用壽命大幅提高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著?？煽?、簡單、易用的PLC 控制技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中得到充分的應(yīng)用，全面提高轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)化水平。