珠鋼一號(hào)電爐新增生鐵連續(xù)加料電氣控制系統(tǒng)開發(fā)初探

摘要:文章論述了珠鋼新增生鐵加料系統(tǒng)電氣控制部分改造的技術(shù)方案以及實(shí)施的步驟。新控制系統(tǒng)建立在原有電爐的西門子S5PLC控制系統(tǒng)上,利用了原有系統(tǒng)的備用的I/O點(diǎn),只是現(xiàn)場(chǎng)增加了動(dòng)力控制部分和儀表測(cè)量部分,就實(shí)現(xiàn)了新系統(tǒng)的電氣自動(dòng)控制功能,用極小的成本完成了新系統(tǒng)電氣控制的改造,對(duì)降低珠鋼電爐的冶煉成本起到重要的作用。

關(guān)鍵詞:生鐵;PLC;440變頻器;閉環(huán)控制;人機(jī)畫面

中圖分類號(hào):TM571

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-2374(2009)19-0040-04

一、系統(tǒng)開發(fā)的背景

目前珠鋼一號(hào)電爐是在1999年投產(chǎn)的150T FUCHS豎井爐,其原材料是以廢鋼為主,配以一定量的生鐵和海棉鐵。原料的入爐方式是天車吊裝料藍(lán)從豎井上加入,由于料藍(lán)的設(shè)計(jì)以及吊裝料時(shí)的空間限制,一籃料的加入總量在80T左右。在系統(tǒng)改造前,加料的工藝是一爐鋼分兩籃加入,總量在160T左右,而在冶煉的過(guò)程中,通過(guò)皮帶加料系統(tǒng)加入一定量的海綿鐵增加鋼水的總量,使一爐鋼的鋼水達(dá)到150T,這個(gè)工藝是這幾年珠鋼一直使用的配料方案。而從去年開始,海綿鐵的原料價(jià)格一直在上漲,而生鐵的原料價(jià)格升幅不大,兩者之間存在很大差價(jià)。在原來(lái)的工藝中,由于生鐵的制作工藝的限制,體積大且重,不能通過(guò)皮帶上料系統(tǒng)加入,只能裝在料藍(lán)里加入到爐子。由于料藍(lán)加入量的限制,而鋼水量又要保證,就不得不使用皮帶加入海綿鐵。為了降低公司的生產(chǎn)成本,公司決定實(shí)施生鐵代替海綿鐵的改造項(xiàng)目。

二、系統(tǒng)改造的思路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們改造所求的最終結(jié)果是生鐵能代替海綿鐵在電爐送電冶煉的過(guò)程中加入到爐子里,以提高電爐的出鋼量。

(一)加料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.料倉(cāng)平面布置:豎爐狗屋靠近電爐CP1(1#操作臺(tái))附近布置一個(gè)生鐵料倉(cāng),料倉(cāng)下方安裝一臺(tái)震動(dòng)給料機(jī),震動(dòng)給料機(jī)下方安裝一條加料溜槽,溜槽與電爐爐蓋(或爐壁水冷板)上的受料斗相對(duì)接,溜槽可以作橫向擺動(dòng)以便爐蓋提升時(shí)不受干涉(如圖1,2所示)。

2.用量:預(yù)計(jì)冶煉集裝箱板時(shí)每爐用量為10～15噸;冶煉普板時(shí)每爐用量20～30噸。

3.加料方式與加料速度:采用振動(dòng)給料機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料,加料速度設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)加料速度40～80噸/小時(shí),加入時(shí)機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。

(二)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

系統(tǒng)能否成功使用需要處理好如下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

1.生鐵的塊度控制,生鐵塊度必須均勻,表面平整,否則必然導(dǎo)致加料系統(tǒng)堵塞。

2.振動(dòng)給料機(jī)與溜管設(shè)計(jì)必須滿足形狀不規(guī)則生鐵加入,速度可控。

(三)系統(tǒng)自動(dòng)控制的功能要求

系統(tǒng)需要達(dá)到的控制功能主要是操作工能在主控室里的人機(jī)操作畫面上控制加料系統(tǒng)的整個(gè)加料過(guò)程,其具體的功能如下:

1.在主控室里的人機(jī)操作畫面上能自動(dòng)控制振動(dòng)給料器的起動(dòng)和停止,并能顯示振動(dòng)給料器的狀態(tài)(工作和停止);操作畫面上能控制振動(dòng)給料器的加料速度。

2.畫面上能自動(dòng)控制加料擺管在?？课缓碗姞t位之間的擺動(dòng)動(dòng)作,并能顯示擺管的位置。

3.在畫面上能顯示生鐵料倉(cāng)里生鐵的總重量,能設(shè)定生鐵的所需加入總量,單位為噸(T)。

4.能計(jì)算一爐鋼里加入到爐子里的生鐵累計(jì)加入量,并顯示在人機(jī)畫面上,在加入量達(dá)到設(shè)定值時(shí)能自動(dòng)停止振動(dòng)給料器。

5.而在生鐵加料倉(cāng)側(cè)加裝就地操作箱,能就地操作振動(dòng)給料器以及擺管的動(dòng)作。

三、一號(hào)電爐原來(lái)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)概述及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析

1#電爐是在1999年正式投入生產(chǎn),當(dāng)時(shí)是由德國(guó)的FUCHS公司負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。在線的控制系統(tǒng)主要是西門子S5系列的產(chǎn)品,控制系統(tǒng)中主要包括:硬件系統(tǒng)由:S5 948 CPU,CP卡,DI卡,DO卡,AI卡,AO卡以及IM卡組成?？刂瞥绦蚴怯梦鏖T子S5程序編輯軟件對(duì)PLC自動(dòng)控制程序進(jìn)行修改和編輯。人機(jī)操作畫面是由Facytrylink軟件開發(fā),畫面和PLC之間通過(guò)H1網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送,數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊DB的形式進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)新增生鐵加料系統(tǒng)必須安裝在目前的二號(hào)狗窩門的附近,必須考慮到現(xiàn)場(chǎng)的豎井的動(dòng)作范圍,加料擺管的動(dòng)作行程,門形架的旋轉(zhuǎn)行程。

如果系統(tǒng)投入使用,對(duì)目前操作人員的視線范圍的影響,尤其是對(duì)于這種緊湊性強(qiáng)的豎式電爐,在爐門附近新增加生鐵加料系統(tǒng)所造成的工況的影響。

電控方面需要考慮SFS系統(tǒng)原來(lái)的動(dòng)力負(fù)荷是否能夠滿足新增一套生鐵加料系統(tǒng)所需要的負(fù)載的需要,怎樣對(duì)原有系統(tǒng)的MCC柜進(jìn)行改造等等。

新增加生鐵加料系統(tǒng)涉及到許多的現(xiàn)場(chǎng)傳感器、操作平臺(tái)、液壓驅(qū)動(dòng)閥門、振動(dòng)給料機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等等的布局安裝問(wèn)題是需要考慮的。怎樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵,例如電纜的敷設(shè)如何才是最合理的,保護(hù)得最好的,最持久耐用的,設(shè)備人員的日常維護(hù)是最容易的,安全可靠性是最強(qiáng)的,這些問(wèn)題都需要考慮。

四、電氣改造方案以及實(shí)施

(一)主要設(shè)備清單

1.1套帶支架的生鐵料倉(cāng)(帶稱重壓頭),鋼結(jié)構(gòu),容積約10立方米。

2.1個(gè)振動(dòng)給料機(jī)(外購(gòu))。

3.1條擺動(dòng)溜管。

4.1個(gè)爐蓋受料斗(或爐壁受料斗)。

5.3個(gè)帶液壓系統(tǒng)的生鐵料斗。

6.3個(gè)生鐵料籃周轉(zhuǎn)籃支架。

7.自動(dòng)化控制系統(tǒng)(利用現(xiàn)有的電爐PLC控制器,新增變頻器調(diào)節(jié)速度)。

(二)動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力設(shè)備有漏斗下的振動(dòng)給料器,擺管在?？课缓凸ぷ魑恢g的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.動(dòng)給料器的動(dòng)作靠電機(jī)來(lái)帶動(dòng),其動(dòng)作需要有變速的功能。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)4kw的電機(jī)來(lái)帶動(dòng)振動(dòng)給料器,而電機(jī)由一臺(tái)11kw的西門子420變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng),PLC通過(guò)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速功能,變頻器安裝在原來(lái)的電爐MCC室的備用MCC柜里,由那里鋪設(shè)動(dòng)力電纜到現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī),鋪設(shè)控制電纜到PLC。

2.擺管的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng),擺管的動(dòng)作信號(hào)我們只需將PLC 24V的輸出信號(hào)傳送到液壓閥的線圈上就能實(shí)現(xiàn),其余的例如液壓缸的尺寸、安裝等等由機(jī)械人員完成。

(三)控制程序設(shè)計(jì)

在原有的電爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,無(wú)論是硬件的設(shè)計(jì)和控制程序的設(shè)計(jì)上,都預(yù)留了一部分的點(diǎn)作為備用,包括數(shù)據(jù)量的輸入和輸出以及模擬量的輸入和輸出。在此基礎(chǔ)上,我們決定將新系統(tǒng)的控制程序編寫在原電爐的S5PLC上。

S5PLC程序可用梯形圖,語(yǔ)句表以及功能圖三種方式進(jìn)行編輯,控制程序編輯分以下幾步:

1.現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集:24V數(shù)字量信號(hào)包括現(xiàn)場(chǎng)操作箱控制返回PLC的啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、急停信號(hào)、就地操作選擇信號(hào);變頻器的返回的準(zhǔn)備信號(hào)、運(yùn)行信號(hào);擺管現(xiàn)場(chǎng)位置返回的工作位和停止位信號(hào)。4～20mA模擬信號(hào)采集:現(xiàn)場(chǎng)漏斗重量的信號(hào)采集。

2.邏輯控制程序的編輯:主要包括了振動(dòng)給料器啟動(dòng)的連鎖條件的編輯以及自動(dòng)啟動(dòng)和停止加料控制程序編輯。操作工在操作畫面上設(shè)定好加入量和速度后啟動(dòng),程序接受畫面?zhèn)鱽?lái)的啟動(dòng)命令后,根據(jù)畫面設(shè)定的速度自動(dòng)啟動(dòng)變頻器控制電機(jī)啟動(dòng)。程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的回來(lái)的生鐵重量信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算,計(jì)算出加入的實(shí)際生鐵量與設(shè)定值進(jìn)行比較,當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止加料。電機(jī)的速度控制采用外環(huán)控制,變頻器0～50HZ的電機(jī)速度控制范圍對(duì)應(yīng)畫面0～100的速度設(shè)定值。程序上還編輯了就地控制振動(dòng)給料器和加料擺管動(dòng)作的程序。而與操作畫面的數(shù)據(jù)交換我們是在原來(lái)已經(jīng)建立好通訊的基礎(chǔ)上增加了新的DB數(shù)據(jù)塊。

3.輸出信號(hào)的編輯:24V數(shù)字控制信號(hào)的輸出,包括了擺管的動(dòng)作信號(hào)、變頻器的啟動(dòng)信號(hào)、變頻器的故障復(fù)位信號(hào)、系統(tǒng)狀態(tài)顯示信號(hào)。4～20mA模擬量輸出信號(hào)是變頻器速度的設(shè)定值。

五、生鐵加料系統(tǒng)電氣自動(dòng)化方案的安裝實(shí)施過(guò)程

(一)電纜的敷設(shè)

1.在電爐MCC柜中選用兩個(gè)備用柜,其允許的額定功率為20千瓦。

2.敷設(shè)動(dòng)力線路電纜,起止為:電爐的備用MCC柜到新增加的生鐵加料系統(tǒng)處。

3.對(duì)狗窩門MCC柜到電爐PLC信號(hào)線進(jìn)行校驗(yàn),選用14條線作為信號(hào)線,作為以下信號(hào)的傳輸線,包括:(1)變頻器的信號(hào)反饋線:運(yùn)行信號(hào),準(zhǔn)備信號(hào);(2)PLC指令信號(hào)線:啟動(dòng)信號(hào),調(diào)速信號(hào)(模擬量);(3)對(duì)電爐PLC到狗窩門操作面板的信號(hào)電纜進(jìn)行校驗(yàn),選用六條線作為就地操作面板的信號(hào)線包括:啟動(dòng)按鍵盤,停止按鍵,就地選擇。

4.從電爐液壓站敷設(shè)電纜到電爐PLC,作為液壓電磁閥門信號(hào)線。

(二)對(duì)備用的MCC柜進(jìn)行整改

1.根據(jù)電機(jī)的性能參數(shù)選用斷路器、熱繼續(xù)電器、接觸器、中間繼電器、保險(xiǎn)等元器件

2.編制整改過(guò)后的MCC圖紙。

3.根據(jù)圖紙對(duì)柜內(nèi)的元器件進(jìn)行線路連接,注意線路的連接,選型要符合安全用電生產(chǎn)的規(guī)定,部線整齊,端子號(hào)標(biāo)識(shí)清晰。

(三)配合金儀完成稱重斗部分電纜的敷設(shè),線路的連接及設(shè)備的調(diào)試工作

1.在電爐PLC選用備用的模擬量通道。

2.敷設(shè)電纜,起止位為:電爐PLC到稱重儀表,稱重儀表到稱重傳感器。

3.編寫程序,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。

(四)程序編寫

1.完成稱重信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.完成與變頻器的調(diào)速度控制。

3.就地操作和遠(yuǎn)控全自動(dòng)操作過(guò)程控制的編寫。

(五)HMI操作畫面的修改

增加頁(yè)面用于顯示以下內(nèi)容和操作:

1.稱重斗內(nèi)的重量顯示。

2.稱重斗的加入量的設(shè)定。

3.速度的設(shè)定值。

4.啟動(dòng)按鍵。

5.停止按鍵盤。

6.加料擺管的旋進(jìn)。

7.加料擺管的旋出。

(六)新系統(tǒng)圖紙

1.稱重儀表圖紙,見圖4;

2.變頻器接線圖,見圖5;

3.電氣信號(hào)接線圖,見圖6。

(七)現(xiàn)場(chǎng)施工要點(diǎn)

1.現(xiàn)場(chǎng)電纜的敷設(shè)要注意規(guī)范,注意用耐高溫套管保護(hù)。

2.儀表信號(hào)線要做好屏蔽保護(hù)。

3.稱重傳感器安裝過(guò)程中要注意做好保護(hù),以免損壞。

六、系統(tǒng)的安裝調(diào)試及優(yōu)化過(guò)程

以下表格為新增生鐵系統(tǒng)調(diào)試使用過(guò)程中的工藝參數(shù)比較,下表僅僅為取樣數(shù)據(jù)調(diào)試過(guò)程中使用新增生鐵加料系統(tǒng)前后配料成本對(duì)比:

新增生鐵加料系統(tǒng)在調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中,我們不斷去優(yōu)化電控系統(tǒng),確保系統(tǒng)的稱量的準(zhǔn)確性,運(yùn)行的穩(wěn)定性,加料過(guò)程的精準(zhǔn)能夠得到進(jìn)一步提高。

1.在不斷的調(diào)試使用過(guò)程中,我們對(duì)生鐵加料工藝進(jìn)一步優(yōu)化。了解生鐵加料流程及相關(guān)的工藝要求。如生鐵料倉(cāng)的最大容量,料斗稱的最大稱量范圍,加料過(guò)程需要達(dá)到的流量是多少,不斷的修改變頻器的參數(shù)。

2.為了優(yōu)化生鐵加料系統(tǒng)的加料曲線,提高加料精準(zhǔn)度,我們嘗試改良了變頻器的不同的V/F曲線。

3.為了確保生鐵加料系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,我們重新對(duì)MCC柜的選擇及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。我們參考1號(hào)電爐手指風(fēng)機(jī)的電路原理并以此為模板進(jìn)行修改設(shè)計(jì)來(lái)滿足控制需要,增加了旁通控制回路以便出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)采取應(yīng)急措施應(yīng)對(duì),杜絕對(duì)生產(chǎn)造成的影響。

4.控制系統(tǒng)與金儀負(fù)責(zé)的生鐵料倉(cāng)稱重計(jì)量數(shù)據(jù)的銜接設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化,確保系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

5.生鐵加料操作界面的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)CP3操作臺(tái)的附近安裝就地操作臺(tái)給操作工進(jìn)行生鐵加料的現(xiàn)場(chǎng)操作,同時(shí),對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行畫面編輯和設(shè)計(jì)。

6.針對(duì)加料擺管的氣動(dòng)控制存在的穩(wěn)定性問(wèn)題和加料擺管被火燒出現(xiàn)變形的情況,將氣動(dòng)控制方式改成了液壓控制方式,并在受料口處增加了由液壓控制的翻板。

七、新增生鐵加料系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

該系統(tǒng)投入后主要產(chǎn)生兩方面直接經(jīng)濟(jì)效益:

1.生鐵代替HBI產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益:每1噸生鐵代替1噸HBI產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為:生鐵價(jià)格1970元/噸,回收率92%計(jì)算;HBI價(jià)格2800元/噸,回收率81%計(jì)算,效益為(2800-1970)×92%/81%= 942.7元。

2.全年可產(chǎn)生效益:冶煉集裝箱板可全部替代HBI,1#電爐全年生產(chǎn)95萬(wàn)噸鋼水,其中70%集裝箱板約4433爐,每爐10噸,總替代量為44330噸;其余為普板與品種鋼,每爐可替代約15～20噸,總替代量為38000噸,合計(jì)全年可替代82330噸HBI,全年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為:82330×942.7=7761萬(wàn)元。

八、一號(hào)電爐連續(xù)加生鐵加料系統(tǒng)成本總結(jié)

(一)使用前后配料成本對(duì)比

1.冶煉SPA-H:冶煉SPA-H在不使用連續(xù)加入生鐵的配料方案,為確保出鋼量達(dá)到150噸左右,必須每隔冶煉2～3爐配一次三藍(lán)料方案,對(duì)比采取使用兩藍(lán)料,電爐連續(xù)加入生鐵5～10噸左右的配料方案,回收率上升1%,噸鋼配料成本低93.6元。

2.冶煉普板:冶煉普板在不使用HBI,采取連續(xù)加入生鐵的配料方案,在加入量相當(dāng)?shù)那闆r下,回收率上升6個(gè)百分點(diǎn),配料成本低260.2元。

(二)使用前后冶煉指標(biāo)情況對(duì)比

1.冶煉SPA-H指標(biāo)對(duì)比。冶煉SPA-H在不使用連續(xù)加入生鐵的配料方案,必須每隔冶煉2～3爐配一次三藍(lán)料方案,對(duì)比采取使用兩藍(lán)料,電爐連續(xù)加入生鐵5～10噸左右的主要冶煉指標(biāo)噸鋼成本下降8.3元,冶煉周期縮短6分鐘。

2.冶煉普板指標(biāo)對(duì)比。冶煉普板在不使用HBI,采取連續(xù)加入生鐵的配料方案,在加入量相當(dāng)?shù)那闆r下,電爐冶煉成本對(duì)比降低4.6元。

九、結(jié)語(yǔ)

在新的生鐵系統(tǒng)投入使用后,我們擺脫了必須加海棉鐵以增加鋼水量的束縛,我們成功用生鐵代替了海面鐵的使用,這對(duì)降低產(chǎn)品的成本起到了至關(guān)重要的作用。我們?cè)谠邢到y(tǒng)的基礎(chǔ)上,用了極小的費(fèi)用,完成了系統(tǒng)的電氣改造,小的投入換來(lái)大的收獲,新增生鐵連續(xù)加料系統(tǒng)為珠鋼實(shí)現(xiàn)減本增效奠定了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介:陳少杰,男,廣東廣州人,廣州珠江鋼鐵責(zé)任有限公司助理工程師,研究方向:冶金自動(dòng)化。