包鋼爐外精煉自控系統(tǒng)

1、包鋼爐外精煉自控系統(tǒng)初福江韓發(fā)智李毅民劉振環(huán)摘要介紹包鋼的鋼包爐精煉自控系統(tǒng)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)   的構(gòu)成，主要功能、設(shè)備和控制特點(diǎn)；二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成、應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)和功能以及工藝模型特點(diǎn)。關(guān)鍵詞鋼包精煉基礎(chǔ)自動(dòng)化工藝模型Automatic control system for refining ladle furnace in Baotou Iron and Steel CoChu FujiangHan FazhiLi YiminLiu Zhenhuan(Automation Research Institute, Baotou Iron and Steel CoBaotou01

2、4010) AbstractTo indroduce the automatic control system for the refining ladle furnace in Baotou Iron and Steel Co, including the system composition, main functions, equipment and control features of the basic automation level, the system hardware and software configurations, configuration and funct

3、ions of application software, and features of process models of the process control level.Key wordsLHF; basic automation; process model包鋼引進(jìn)德國(guó)MDH公司的兩臺(tái)連鑄機(jī)配備兩套鋼包爐外精煉系統(tǒng)，由DEMAG和MESSO公司合作提供。兩套系統(tǒng)分別布置在兩臺(tái)鑄機(jī)的兩側(cè)，各自獨(dú)立運(yùn)行，因?yàn)楣に嚶肪€不同，配置的兩套設(shè)備有所不同，但共用一套二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本文僅介紹自控系統(tǒng)的構(gòu)成、主要功能及特點(diǎn)。1基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成根據(jù)LHFVDBCC(Bloom Con

4、tinuous Caster)工藝路線配置的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱LTS1)示于圖1。該系統(tǒng)主要為生產(chǎn)重軌用的大方坯連鑄機(jī)配套。圖1LTS1系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)LHFTS(Trimming Station)/RCC(Rounds Continuous Caster)工藝路線配置的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱LTS2)示于圖2。該系統(tǒng)主要為生產(chǎn)無(wú)縫管用的圓坯連鑄機(jī)配套?；A(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)由西門(mén)子S5-135U PLC和OS-B41 COROS操作站，通過(guò)H1總線組成分布式控制系統(tǒng)。LTS1配有4臺(tái)PLC和3臺(tái)操作站，LTS2配有3臺(tái)PLC和3臺(tái)操作站。每臺(tái)PLC負(fù)責(zé)完成本身承擔(dān)的設(shè)備控制功能，而操作站全部是主站，每個(gè)

5、站都能完成其他站的全部功能，互為備用。圖2LTS2系統(tǒng)構(gòu)成1.2PLC承擔(dān)的主要功能(1)LHF PLC主要功能：氬氣攪拌控制；鋼包運(yùn)輸車(chē)控制；測(cè)溫取樣操作控制；變壓器操作監(jiān)視；高壓設(shè)備操作監(jiān)視；液壓設(shè)備操作監(jiān)視；冷卻水監(jiān)控。(2)VD PLC主要功能：氬氣攪拌控制；VD蓋車(chē)運(yùn)動(dòng)控制；真空泵系統(tǒng)操作控制；測(cè)溫取樣操作控制；喂絲操作控制；可移動(dòng)彎頭小車(chē)控制；冷卻水監(jiān)控。(3)合金熔劑添加系統(tǒng)PLC主要功能：上料系統(tǒng)操作控制；加料系統(tǒng)操作控制；真空料斗動(dòng)作控制；除塵系統(tǒng)聯(lián)鎖控制。(4)TS PLC主要功能：氬氣攪拌控制；喂絲機(jī)操作控制；TS蓋車(chē)操作控制；扒渣機(jī)操作控制；測(cè)溫取樣操作控制。(5)電極

6、調(diào)節(jié)PLC主要功能：電極控制。1.3通信模塊的應(yīng)用基礎(chǔ)自動(dòng)化局域網(wǎng)采用SINEC H1總線結(jié)構(gòu)，每臺(tái)PLC配置一塊CP143模塊，操作站和編程器配置一塊CP1413模塊，這些模塊通過(guò)單口或雙口收發(fā)器上網(wǎng)。指定一臺(tái)PLC收集H1網(wǎng)上與二級(jí)計(jì)算機(jī)有關(guān)信息，通過(guò)CP544模塊與二級(jí)計(jì)算機(jī)通信?？紤]到串行通信速率低，為避免瓶頸現(xiàn)象發(fā)生，CP544的一個(gè)通道專管發(fā)送，另一通道專管接收。此外，應(yīng)用專用模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)philips稱重儀、高位料倉(cāng)料位計(jì)、喂絲機(jī)PLC和測(cè)溫定氧儀的通信。所有這些串行通信的應(yīng)用，增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的可靠性，節(jié)約了大量信號(hào)電纜。1.4系統(tǒng)設(shè)備和控制特點(diǎn)1.4.1LHF系統(tǒng)80t鋼包加

7、熱爐采用二臺(tái)鋼包車(chē)離線式布置，鋼包車(chē)用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制精度±20mm。電極直徑400mm，節(jié)圓直徑700mm，電極行程3000mm，調(diào)整速度80mm/s。3個(gè)電極固定在電極立柱的一個(gè)電極臂上，通過(guò)電極立柱一起升降(簡(jiǎn)稱單立柱)，整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，占用空間小，電極調(diào)節(jié)容易。電極調(diào)節(jié)選用ET公司產(chǎn)品ET-DEC-921數(shù)字式阻抗調(diào)節(jié)器(由S5-135U PLC控制)，由于是單立柱調(diào)節(jié)，實(shí)際電流選擇三電極電流的平均值(也可以選擇最小電流值)進(jìn)行控制。二次電壓設(shè)定由二級(jí)計(jì)算機(jī)給出，也可由人工設(shè)定。阻抗調(diào)節(jié)器(采用PID算法)輸出信號(hào)送至電液比例閥，控制電極升降。變壓器選用德國(guó)SGB公

8、司的14MVA變壓器，初級(jí)35kV，次級(jí)200300V，10抽頭有載調(diào)壓，可過(guò)載20% 2h，最大二次電流39kA，鋼水升溫速度4min。大電流用德國(guó)ET公司的ROGOWSKI線圈檢測(cè)，將線圈直接安裝在變壓器次級(jí)輸出母線管上。當(dāng)電流在6A以下，線圈感應(yīng)電壓是45mVA；在7.5100kA時(shí)，線圈感應(yīng)電壓是從270mV開(kāi)始，以36mV/kA呈線性關(guān)系上升，測(cè)量精度足夠高。感應(yīng)電壓通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC，作為實(shí)際電流測(cè)量值參與調(diào)節(jié)。為了降低電網(wǎng)諧波量，改善35kV母線的功率因數(shù)，系統(tǒng)配備了諧波補(bǔ)償電路。1.4.2VD系統(tǒng)本系統(tǒng)用一套真空泵系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)真空罐位，即雙工位。除可移動(dòng)蓋車(chē)外，增

9、加可移動(dòng)彎頭小車(chē)、喂絲機(jī)和測(cè)溫取樣槍小車(chē)、旋轉(zhuǎn)皮帶等設(shè)備，以滿足雙工位的工藝要求。真空抽氣系統(tǒng)由4級(jí)5個(gè)泵(蒸汽噴射泵和增壓泵)組成，抽氣能力在67Pa時(shí)抽20的空氣能力為250kg/h，極限真空度為2030Pa。從大氣壓到中等真空度抽氣由蒸汽噴射泵提供，到達(dá)低真空度抽氣由增壓泵提供，為縮短啟動(dòng)時(shí)間增加了啟動(dòng)泵，整個(gè)過(guò)程由PLC順序控制。蒸汽噴射泵和增壓泵所用蒸汽在噴霧冷凝器中冷卻，冷卻水流入地下密封水箱。當(dāng)檢測(cè)真空壓力小于40kPa時(shí)，啟動(dòng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)旁通閥門(mén)開(kāi)度，控制抽力使真空度按設(shè)定梯度下降，以防止鋼水劇烈反應(yīng)溢出。當(dāng)真空壓力小于4kPa時(shí)，關(guān)閉PID。1.4.3底吹氬氣流量控制氬氣

10、流量控制選用德國(guó)Rosemowrt Salas公司的5863型質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)既能檢測(cè)流量，又能對(duì)流量進(jìn)行PID控制，PID控制設(shè)定值由操作人員根據(jù)鋼種在操作站屏幕上用鍵盤(pán)設(shè)置。工藝要求在鋼包底部使用兩塊透氣磚，采用兩路大流量氬氣攪拌深脫硫，PLC根據(jù)吹氬總量平均分配給兩路氬氣流量控制儀，由于透氣磚易堵，PID的設(shè)定值被設(shè)計(jì)成當(dāng)一路流量逐漸減少時(shí)，另一路流量逐漸增加，吹氬總量不變。2二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.1系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)硬件配置如圖3所示。主機(jī)選用DEC公司ALPHA AXP DEC 3000600S小型機(jī)，服務(wù)器選用INFO-SERVER1000，該系統(tǒng)以光纜集線器DEC hub90為中心組成

11、星形通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖3二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置系統(tǒng)主要軟件有：OPEN VMSHANZI V6.0操作系統(tǒng)；在OPEN VMS AXP環(huán)境下的系統(tǒng)管理軟件MSV，記錄管理軟件RMS，開(kāi)發(fā)圖形用戶界面的DEC WINDOWS MOTIFHANZI和GUIMAN；MDV公司自行開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具包c(diǎn)ase system MODAS。2.2應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)和功能包鋼引進(jìn)的爐外精煉二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用軟件是由MANNESMANN數(shù)據(jù)公司根據(jù)DEMAG冶金技術(shù)部的技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)的。該軟件總體設(shè)計(jì)分為兩個(gè)主要部分：(1)數(shù)據(jù)采集和支持功能.實(shí)際工藝數(shù)據(jù)的采集；.用戶界面；.報(bào)表。(2)工藝控制功能.工藝模型計(jì)算；

12、.設(shè)定值控制。應(yīng)用軟件主要用MODAS和GUIMAN工具軟件開(kāi)發(fā)，軟件結(jié)構(gòu)分為功能、模塊、子模塊和單元4級(jí)，呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。為完成上述總體任務(wù)編制了如下功能：.數(shù)據(jù)傳輸；.圖形用戶界面；.報(bào)表系統(tǒng)；.數(shù)據(jù)庫(kù)管理；.應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)；.工藝模型計(jì)算；.實(shí)用例程。每個(gè)功能又分為若干模塊、子模塊和單元來(lái)完成該功能下特定的任務(wù)。功能、模塊、子模塊和單元的每一部分都是樹(shù)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)功能都有自己的一個(gè)子目錄，該子目錄包含該功能下的各個(gè)應(yīng)用程序。2.3工藝模型特點(diǎn)爐外精煉的工藝模型分為通用模型、LHF模型、VD模型和TS模型。通用模型主要進(jìn)行合金材料目標(biāo)值計(jì)算；LHF、VD、TS模型主要是進(jìn)行能量平衡計(jì)算，設(shè)

13、定值計(jì)算，處理時(shí)間計(jì)算。2.3.1合金材料目標(biāo)值計(jì)算PGMC本程序計(jì)算達(dá)到計(jì)劃鋼種成分目標(biāo)值添加的合金材料量，它由PGMCAI、PGMCOI、PGMCDS 3個(gè)子程序組成。(1)合金化操作指令PGMCAI本程序使用單純型法計(jì)算，以實(shí)際鋼種成分為基礎(chǔ)，確定達(dá)到要求成分的合金材料最經(jīng)濟(jì)的組合。每當(dāng)從化驗(yàn)室得到新的成分分析數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)本程序。通過(guò)“合金化操作指令”對(duì)話，可以設(shè)定用以計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)以及顯示計(jì)算結(jié)果。本程序計(jì)算結(jié)果為.所選合金材料(材料代碼、材料說(shuō)明、每處添加重量、總重)；.所選合金材料總溫度損失；.所選合金材料總價(jià)；.最終鋼水成分；.最終鋼水重量。(2)脫氧操作指令PGMCOI根據(jù)鋼

14、水中氧的實(shí)際含量和目標(biāo)值，以及鋼水溫度，通過(guò)反應(yīng)的平衡狀態(tài)計(jì)算出用于脫氧的鋁的重量。(3)脫硫操作指令PGMCDS計(jì)算用于脫硫和覆蓋鋼水頂渣所需的石灰和螢石的重量。2.3.2LHF工藝模型PL本模型計(jì)算一爐鋼水的能量平衡，確定鋼水調(diào)整溫度和化學(xué)成分的設(shè)定值，計(jì)算處理時(shí)間。模型總的處理過(guò)程分為準(zhǔn)備階段和調(diào)整階段，處理步驟分為加熱、脫氧、脫硫、合金化。LHF的能量平衡計(jì)算公式概括為鋼包內(nèi)總能量鋼包到達(dá)時(shí)的能量能量總輸入能量總損失測(cè)溫引起能量變化加料引起的能量變化計(jì)算時(shí)考慮下列因素的影響：輸入電能；輸入電能中損失的能量；水冷爐蓋的能量損失；表面幅射的能量損失；攪拌引起的能量損失；添加材料引起的能量輸

15、入損失。計(jì)算在程序中分為預(yù)測(cè)計(jì)算，動(dòng)態(tài)計(jì)算和非周期性計(jì)算。(1)預(yù)測(cè)計(jì)算PLPC預(yù)測(cè)計(jì)算的目的是提前確定在本站的處理持續(xù)時(shí)間和消耗量，用它來(lái)核實(shí)鋼的化學(xué)成分和溫度達(dá)到目標(biāo)值的可能性，以及所要求的鋼包到達(dá)連鑄機(jī)的時(shí)間。預(yù)測(cè)計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)為各種目標(biāo)值和實(shí)際測(cè)量值。在得到測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和以實(shí)際分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的合金化操作指令時(shí)，在鋼包到達(dá)后完成首次預(yù)測(cè)計(jì)算。在測(cè)溫、有新的合金化操作指令、要求鋼包到達(dá)連鑄機(jī)時(shí)間改變、手動(dòng)啟動(dòng)等事件發(fā)生時(shí)會(huì)重新開(kāi)始預(yù)測(cè)計(jì)算。預(yù)測(cè)計(jì)算通過(guò)調(diào)用PLPCEC(能量平衡計(jì)算)、PLPCPS(過(guò)程控制設(shè)定值計(jì)算)和PLPCTT(處理時(shí)間計(jì)算)3個(gè)子程序來(lái)進(jìn)行。(2)動(dòng)態(tài)計(jì)算PLDC動(dòng)態(tài)計(jì)

16、算使用來(lái)自工藝過(guò)程的周期性輸入數(shù)據(jù)，也使用一些預(yù)測(cè)計(jì)算和非周期性計(jì)算結(jié)果，周期地進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)初始計(jì)算完成時(shí)，它做第1次計(jì)算。動(dòng)態(tài)計(jì)算通過(guò)調(diào)用下列3個(gè)子程序來(lái)進(jìn)行。1)能量平衡計(jì)算PLDCEC本程序周期性地計(jì)算一爐鋼的能量平衡，根據(jù)能量平衡計(jì)算鋼水實(shí)際溫度。2)剩余處理時(shí)間計(jì)算PLDCTT依據(jù)能量平穩(wěn)狀態(tài)和過(guò)程目標(biāo)值，周期性計(jì)算剩余的處理時(shí)間。3)過(guò)程控制設(shè)定值計(jì)算PLDCPS計(jì)算電壓抽頭級(jí)。(3)非周期性計(jì)算PLAC非周期性計(jì)算是估算某些生產(chǎn)事件發(fā)生后的工藝過(guò)程值。本程序在下列生產(chǎn)事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行計(jì)算：定氧；測(cè)溫；接收到鋼水成分；添加合金材料；開(kāi)始人工操作。本程序完成的計(jì)算項(xiàng)目有：初始計(jì)算；取樣后鋼水成分修改；定氧后氧濃度修改；測(cè)溫后溫度修改；添加合金材料后鋼水重量修改；添加合金材料后鋼水成分修改；添加合金材料后鋼水渣量修改。非周期性計(jì)算通過(guò)調(diào)用PLACSC(初始計(jì)算)和PLACTA(溫度、成分和重量修改)兩個(gè)子程序進(jìn)行。2.3.3VD模型和TS模型VD模型和TS模型與LHF工藝模型比較，因各工位