1 引言
萊蕪鋼鐵總廠銀山前區(qū)1#80t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐于2005年7月正式投產(chǎn)。本系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐本體、干法除塵及蒸發(fā)冷卻、汽化冷卻、散狀料上料、循環(huán)水、濕法除塵及煤氣回收等部分組成。在控制上采用PLC自動(dòng)控制，完成對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。在控制網(wǎng)絡(luò)上采用先進(jìn)、可靠的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通訊速率為10.0Mbps自適應(yīng)。PLC與 PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸采用SIEMENS STEP7專用的通訊模塊。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控畫面采用功能強(qiáng)大的SIEMENS WINCC，人機(jī)界面好，便于操作使用。

2 工藝概述
轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要完成將鐵水和廢鋼冶煉成鋼水，同時(shí)將冶煉過程中產(chǎn)生的煤氣和水蒸汽進(jìn)行回收再利用。轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備主要包括爐體、爐門、煙罩、傾動(dòng)機(jī)構(gòu)、氧槍升降機(jī)構(gòu)、氧槍橫移機(jī)構(gòu)、稱重裝置、上料裝置、冷卻裝置等。其中，氧槍有兩套，靠橫移小推車轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)互為備用。裝料時(shí)爐門打開，煙罩提升，將鐵水倒入轉(zhuǎn)爐，加入廢鋼，裝料完成后，爐門關(guān)閉，煙罩下移。冶煉過程中，氧槍下降，從爐體頂部向爐內(nèi)吹氧，或加合金料，以改善鋼水成分。出鋼時(shí)，氧槍上升，傾動(dòng)爐體，鋼水由鋼包車運(yùn)至精煉爐精煉。出鋼完成后，吹氮?dú)庖詾R渣護(hù)爐，最后將鋼渣倒入渣罐車。煉鋼過程中，氧槍和煙罩通過循環(huán)冷卻水降溫，產(chǎn)生的汽包蒸汽經(jīng)加壓后送用戶使用;風(fēng)機(jī)將煙罩內(nèi)氣體吸出，經(jīng)煤氣回收后放散到大氣中。

3 轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)通訊配置
銀山前區(qū)1#轉(zhuǎn)爐采用8臺(tái)德國ＳＩＭＡＴＩＣＳ7-400ＰＬＣ主站,分別完成轉(zhuǎn)爐本體控制、散狀料上料站、鐵合金站、煤氣加壓站、汽化冷卻和煤氣回收及循環(huán)水站。其配置主要有主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、電源、ＣＰＵ、接口模塊、通信模塊,以及數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等。8臺(tái)主站之間通過100M光纖以太環(huán)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信。煤氣回收ＰＬＣ主站下設(shè)1個(gè)ＥＴ200 Ｍ遠(yuǎn)程從站,通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線Ｐrofibus DP完成主從通信。1臺(tái)工程師站用于完成系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì),七臺(tái)操作員站完成整個(gè)生產(chǎn)過程監(jiān)控。自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置圖

4 控制系統(tǒng)硬件配置
萊鋼80t轉(zhuǎn)爐本體控制系統(tǒng)根據(jù)工藝生產(chǎn)要求控制轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、鋼包車、渣車、爐口清理機(jī)、擋渣球投放裝置、電動(dòng)擋火門、活動(dòng)煙罩等設(shè)備，采用1套控制站和1臺(tái)監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)爐本體生產(chǎn)流程的過程控制，控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS S7-400大型控制系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與散裝料控制系統(tǒng)、煤氣回收加壓站控制系統(tǒng)、余熱鍋爐控制系統(tǒng)、循環(huán)水控制系統(tǒng)通訊，并配備打印機(jī)打印生產(chǎn)報(bào)表。硬件配置圖見圖2:

圖2 硬件配置

5 自動(dòng)控制系統(tǒng)功能
整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制由ＰＬＣ控制程序完成，通過開放的Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接各個(gè)部件，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制、聯(lián)動(dòng)聯(lián)鎖控制以及信號(hào)傳輸、報(bào)警和數(shù)據(jù)采集等，同時(shí)設(shè)有人工緊急停車處理按鈕。
5.1 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)分兩地操作，爐前主操作室和爐后機(jī)旁操作室，兩處只能由一處操作，在主操作室設(shè)有指令轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中一點(diǎn)傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐時(shí)，另外一地就不能實(shí)現(xiàn)傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐，爐前主操作室操作轉(zhuǎn)爐兌鐵水、加廢鋼;爐前操作室操作轉(zhuǎn)爐測(cè)溫、取樣、出渣，爐后操作室操作轉(zhuǎn)爐出鋼。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)操作有快速、慢速、正反轉(zhuǎn)。有信號(hào)顯示和爐子傾角顯示。1#轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣壓力調(diào)節(jié)原理如圖3。其它單回路調(diào)節(jié)原理相同。

圖3 轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣壓力調(diào)節(jié)原理
如實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)1#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)2#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)3#變頻器、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)4#變頻器的快速、慢速頻率設(shè)定。
5.2 爐前電動(dòng)擋火板:
電動(dòng)擋火板的操作由操作工在主控室的上位機(jī)上或現(xiàn)場(chǎng)按鈕完成，上位機(jī)的畫面中有電動(dòng)推桿開、關(guān)和開門、關(guān)門按鈕。點(diǎn)擊電動(dòng)推桿開、關(guān)按鈕時(shí)，電動(dòng)推桿開或關(guān);點(diǎn)擊開門按鈕時(shí)，擋火門開門;點(diǎn)擊關(guān)門按鈕時(shí)，擋火門關(guān)門。這兩個(gè)操作均為點(diǎn)動(dòng)，滿足的條件:爐前擋火板電源正常，爐前擋火板不過載。
5.3 活動(dòng)煙罩
活動(dòng)煙罩的操作地點(diǎn)在主控室，可選擇聯(lián)鎖或解除聯(lián)鎖、集中操作或機(jī)旁操作;活動(dòng)煙罩配有兩臺(tái)變頻器(一用一備)。只有轉(zhuǎn)爐處于垂直位置(±2°)時(shí)，才允許煙罩動(dòng)作。在主控室的操作臺(tái)上設(shè)有操作開關(guān)，當(dāng)打到升罩位時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，煙罩上升，到上限位停止;當(dāng)打到降罩位時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，煙罩下降，到下限位停止。當(dāng)工作變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將自動(dòng)切換到備用變頻器。
5.4 氧槍升降設(shè)備、氧槍橫移設(shè)備
氧槍控制分A槍和B槍，采用變頻交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氧槍升降速度為快速40m/min，慢速4m/min。斷電時(shí)，用氣動(dòng)馬達(dá)提升。A槍和B槍的控制方式相同，僅以A槍為例進(jìn)行說明。氧槍升降操作在爐前主控室完成。換槍操作可在兩地進(jìn)行，分別為爐前主控室和31m平臺(tái)。氧槍的操作方式包括氧槍定位，氧槍升降，介質(zhì)檢測(cè)，換槍操作。標(biāo)高以地面為零高度點(diǎn)。
(1) 降槍
氧槍下降時(shí)，從+22.5m到+18.5m為慢速下降，從+18.5m(為上變速點(diǎn))到+13.5m(等待位)為快速下降，下至11.8m(開氧點(diǎn))氧氣快速切斷閥自動(dòng)打開供氧，下至9.8m(變速點(diǎn))變?yōu)槁傧陆?，吹煉?7.8m~8.8m)。
(2) 提槍
氧槍有刮渣和不刮渣兩種操作選擇。不刮渣時(shí)，氧槍上升從吹煉位上升到等待位+13.5m，就自動(dòng)停止。若需再上升時(shí)，從+13.5m到+18.5m為快速上升，過+18.5m就改為慢速上升。到+22.5m自動(dòng)停止。當(dāng)刮渣操作時(shí)氧槍上升從吹煉位慢速上升，到下等待位不停止，當(dāng)氧槍上升到+24.87m時(shí)，刮渣頭合上，開始刮渣操作，此時(shí)氧槍提升速度要小于6m/min。
(3) 換槍操作
工作方式有兩種，在主控室手動(dòng)進(jìn)行換槍操作，在機(jī)旁操作箱手動(dòng)進(jìn)行換槍操作。在何處換槍，應(yīng)先在畫面上選擇，畫面上有本地和遠(yuǎn)程兩個(gè)按鈕。
選擇在主控室進(jìn)行換槍(從畫面上操作):當(dāng)A槍出現(xiàn)故障時(shí)，按下?lián)Q槍按鈕之后，A槍自動(dòng)提升至換槍位,氧槍停止升降，然后進(jìn)行換槍操作。首先按下對(duì)中裝置解鎖按鈕，對(duì)中裝置反轉(zhuǎn)，到對(duì)中原位;然后由1#橫移小車將A槍移至A槍原位作備用;同時(shí)，2#橫移小車將B槍由B槍原位移至B槍工作位，當(dāng)B槍到達(dá)工作位后，然后由對(duì)中裝置正轉(zhuǎn)將B槍鎖定，換槍完畢。
(4) 介質(zhì)計(jì)量
A槍氧氣流量累計(jì):當(dāng)打開切斷閥后，延時(shí)3s后，開始累計(jì)，直到關(guān)閉切斷閥。有每次吹煉累計(jì)以及總累計(jì)。
A槍氮?dú)饬髁坷塾?jì):當(dāng)打開切斷閥后，延時(shí)3s后，開始累計(jì)，直到關(guān)閉切斷閥。有每次吹煉累計(jì)以及總累計(jì)。
(5) 安全聯(lián)鎖
為保證轉(zhuǎn)爐的安全運(yùn)行,ＰＬＣ程序中設(shè)有必要的、可靠的安全聯(lián)鎖回路。在爐前操作臺(tái)和爐后操作臺(tái)各設(shè)有一個(gè)“緊急停止按鈕”,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí),按下此按鈕即可停止轉(zhuǎn)爐傾動(dòng),氧槍升降,煙罩、擋火門的動(dòng)作,處理完成后將按鈕釋放,系統(tǒng)可恢復(fù)正常運(yùn)行。爐體必須在氧槍和煙罩上升到一定高度后才允許傾動(dòng),否則有可能出現(xiàn)設(shè)備間相互卡殼的情況;氧槍必須在爐體處于零位時(shí)才允許下降,否則氧槍有被折斷的危險(xiǎn);當(dāng)氧槍冷卻水流量差大于設(shè)定值時(shí),將自動(dòng)提槍,以防氧槍漏水。為保證基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)及部分重要的現(xiàn)場(chǎng)儀表、檢測(cè)元件在工廠供電突然中斷時(shí)能正常運(yùn)行,系統(tǒng)設(shè)置帶有穩(wěn)壓功能、能供電30min的UPS在線電源,以便進(jìn)行應(yīng)急處理。

6 監(jiān)控功能
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況和操作需要，在監(jiān)控站制作了多幅監(jiān)控畫面，全部采用中文界面，具有極強(qiáng)的可操作性。具體的監(jiān)控畫面如下:
6.1 工藝流程畫面
顯示轉(zhuǎn)爐本體整個(gè)工藝流程，顯示所有的控制點(diǎn)的實(shí)際值、設(shè)定值及運(yùn)行情況，顯示主要的檢測(cè)點(diǎn)及運(yùn)行情況。
6.2 數(shù)據(jù)一覽表
顯示溫度、壓力、流量、氧量、閥位反饋等所有的模擬量輸入信號(hào)，顯示所有的模擬量輸出信號(hào)。
6.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)畫面
為方便操作人員對(duì)回路參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)所有PID回路分別做回路控制圖，在圖上用棒圖形式和數(shù)據(jù)形式顯示參數(shù)的設(shè)定值、測(cè)量值和閥位值，并根據(jù)實(shí)際情況修改設(shè)定值，手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換。
6.4 報(bào)警畫面
按工藝要求，當(dāng)過程值超過報(bào)警上下限時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警，并在報(bào)警畫面上顯示報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警值、報(bào)警等級(jí)、報(bào)警點(diǎn)，操作員在報(bào)警畫面中可以完成報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警信息過濾等功能。當(dāng)操作員不在監(jiān)視報(bào)警畫面時(shí)，有報(bào)警發(fā)生后，自動(dòng)在屏幕顯示最新報(bào)警信息，發(fā)出提示，防止漏警。
6.5 實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)畫面
顯示重要參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)，可隨時(shí)查看一個(gè)月內(nèi)的參數(shù)值。
6.6 報(bào)表打印
報(bào)表分為班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)，可定時(shí)打印，也可任意時(shí)間打印。可設(shè)置任意格式報(bào)表，可打印所有輸入輸出參數(shù)的報(bào)表。
6.7 手動(dòng)自動(dòng)切換
操作方式有兩種，即手動(dòng)和自動(dòng)。在控制回路中，手動(dòng)方式下貯存控制回路中相應(yīng)的參數(shù)，并把閥位反饋信號(hào)作為輸出，以保證投入自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。
各畫面間的切換和“手動(dòng)/自動(dòng)”控制切換通過鼠標(biāo)進(jìn)行，系統(tǒng)操作十分簡單。

7 結(jié)束語
萊鋼銀山前區(qū)80t轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用保證了轉(zhuǎn)爐快速高效的生產(chǎn)。采用的SIEMENS PLC程序故障診斷、在線監(jiān)控和修改技術(shù)，方便了程序維護(hù)。開放的、標(biāo)準(zhǔn)的Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。整套系統(tǒng)自動(dòng)化水平高、操作方便、報(bào)警明了清晰、故障率低、維護(hù)量小，達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。