淺談電氣自動(dòng)化技術(shù)在冶金行業(yè)中的應(yīng)用

賴友釗

0 引言

隨著我國冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是近幾年大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中鏈?zhǔn)缴a(chǎn)工藝的興起及設(shè)備智能化程度的不斷提高，對(duì)冶金企業(yè)供電能力和供電質(zhì)量提出了更新、更高的要求。為了適應(yīng)冶金行業(yè)電氣自動(dòng)化發(fā)展的需要，冶金電氣自動(dòng)化系統(tǒng)越來越重要。冶金自動(dòng)化的發(fā)展日新月異，各種儀器儀表和自動(dòng)化設(shè)備提高了冶金工業(yè)的效率和質(zhì)量，客戶對(duì)鋼材的品種、規(guī)格等需求越來越多樣化，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期要求也越來越苛刻。冶金生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制包括對(duì)采礦、選礦、冶煉、澆鑄、軋材等主體生產(chǎn)過程和供水、電、熱、氧、氣等輔助生產(chǎn)過程的控制。冶金企業(yè)應(yīng)按自動(dòng)化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)并具體實(shí)施，考慮人體的特點(diǎn)、能力和限度，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代替總線型結(jié)構(gòu)，用交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞，降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。下面就談?wù)勛詣?dòng)化技術(shù)在冶金行業(yè)中的應(yīng)用。

1 冶金行業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵

冶金行業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)是培養(yǎng)具有一定的電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉并掌握常用電氣設(shè)備的工作原理，掌握應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣控制的基本原理和方法的應(yīng)用型高級(jí)職業(yè)技術(shù)人才，用機(jī)械、電氣及電子設(shè)備，按預(yù)定程序使冶金行業(yè)生產(chǎn)過程的操作、控制和監(jiān)視，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預(yù)定的計(jì)劃或程序自動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。它擔(dān)負(fù)著自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)、發(fā)出擬定的報(bào)警信號(hào)、執(zhí)行自動(dòng)操作等任務(wù)［1］。

2 工業(yè)以太網(wǎng)在冶金自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性甚至本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。目前，可視化技術(shù)以及監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展為冶金行業(yè)提供了更多的便利。由于高爐的封閉性，儀表檢測(cè)的重要性就尤為突出。測(cè)試技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模型化的發(fā)展、多媒體虛擬技術(shù)把本來模糊的過程變得更加透明與可視化，方便了工作人員的實(shí)際操作過程。按功能層次，冶金自動(dòng)化系統(tǒng)可分為基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)4個(gè)層面。主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對(duì)于重要的網(wǎng)段還可以采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。

2.1 冶金基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制以PLC、DCS、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為代表，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冶金自動(dòng)化設(shè)備的控制。PLC加強(qiáng)了回路控制功能，DCS也在順序控制功能方面得到很大改善。在冶金流程中，PLC控制仍占主要地位，是最基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.2 冶金生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的核心部分，冶金流程的全息集成。冶金企業(yè)逐步認(rèn)識(shí)到MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的重要性，在綜合應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)、專家系統(tǒng)和流程仿真等技術(shù)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)線各工序作業(yè)，進(jìn)行全線物流跟蹤、質(zhì)量跟蹤控制、成本在線控制、設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)等方面取得了初步成果。每一級(jí)的工業(yè)以太網(wǎng)都可以采用不同的結(jié)構(gòu)，如環(huán)形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)等。實(shí)現(xiàn)鐵—鋼—軋橫向數(shù)據(jù)集成和相互傳遞，以及管理—計(jì)劃—生產(chǎn)—控制縱向信息集成。

2.3 PLC和HMI之間的以太網(wǎng)通訊

上位機(jī)監(jiān)控軟件種類比較多，PLC與HMI之間的通訊比重也比較多。上位機(jī)監(jiān)控不同的產(chǎn)品導(dǎo)致與PLC的通訊協(xié)議也不盡相同。大多數(shù)上位機(jī)監(jiān)控軟件都有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)OPC接口，PLC和HMI之間的以太網(wǎng)通訊都可以采用OPC進(jìn)行通訊。通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，使用VC、VB等編程軟件開發(fā)監(jiān)控界面和西門子PLC直接進(jìn)行TCP通訊，降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)展示出來“一網(wǎng)到底”的工業(yè)控制信息化美景，它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流前沿技術(shù)［2］。

3 繼電保護(hù)在冶金自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著冶金企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備自動(dòng)化程度逐步提高，微機(jī)繼電保護(hù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。微機(jī)繼電保護(hù)是指以數(shù)字式計(jì)算機(jī)（包括微型機(jī)）為基礎(chǔ)而構(gòu)成的繼電保護(hù)。它實(shí)質(zhì)上是一種依靠單片機(jī)智能地實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的工業(yè)控制裝置。冶金供電系統(tǒng)的低壓短線路中，對(duì)時(shí)限的要求可以適當(dāng)放寬，但造價(jià)應(yīng)該低廉。采用的新型導(dǎo)引線方向縱聯(lián)保護(hù)，由于僅向?qū)?cè)傳輸高壓（AC220 V或DC220 V）數(shù)字閉鎖信號(hào)，只需在兩側(cè)間鋪設(shè)一條普通的四芯屏蔽電纜，以保證接觸良好。鋼鐵冶金企業(yè)屬一類負(fù)荷，其電氣系統(tǒng)需要與工藝系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)相配合，對(duì)產(chǎn)品的靈活性要求也很高。保護(hù)測(cè)控產(chǎn)品采用RCS-9600CS系列的裝置，按面向?qū)ο蟮乃悸愤M(jìn)行配置，包含適用于110 kV的變壓器保護(hù)。

4 傳感器在冶金自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的一種檢測(cè)裝置，簡(jiǎn)單說傳感器就是將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。傳感器由敏感組件和轉(zhuǎn)換組件組成，能夠滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，是實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

4.1 壓力傳感器

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。根據(jù)壓力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓?，在煤的裝運(yùn)和高爐的上煤處都用到壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)用煤的統(tǒng)計(jì)和上煤的測(cè)量和控制。

4.2 溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，用來檢測(cè)和控制鍋爐爐體的溫度和高爐爐體的溫度。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。在自動(dòng)化生產(chǎn)中常常利用輻射測(cè)溫法來測(cè)量或控制某些物體的表面溫度，如在冶金中鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度以及各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。

4.3 流量傳感器

流量傳感器是指能感受流體流量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。通常在保護(hù)流量值不要求精確的地方使用，即用于水管內(nèi)的水流突然中斷的斷流保護(hù)。流量傳感器主要應(yīng)用于鍋爐中送風(fēng)管道、蒸汽管道、給水管道等，以測(cè)量流體在管道中的流量和流速。在流量傳感器中，測(cè)量管內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的2個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，有導(dǎo)電介質(zhì)通過時(shí)，就能夠產(chǎn)生感應(yīng)電壓。傳感器應(yīng)避免在架空非常長的管道上安裝，因?yàn)殚L時(shí)間使用后，傳感器的下垂作用易造成傳感器與法蘭間的密封泄漏，若不得已要安裝時(shí)，必須在傳感器的上下游2D處分別設(shè)置管道緊固裝置。流量傳感器常與流量顯示儀、壓力變送器、溫度變送器等配套合成為流量計(jì)。流量傳感器是高精度、高可靠性和使用壽命長的流量?jī)x表，便于檢測(cè)和控制，管道內(nèi)無可動(dòng)部件和阻流部件，測(cè)量中幾乎沒有附加壓力損失。流量傳感器把鋼鐵在冶煉環(huán)節(jié)當(dāng)中所需要采集的信號(hào)較為完美的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了在冶金自動(dòng)化的順序控制、過程控制、傳動(dòng)控制以及運(yùn)動(dòng)控制，提高了冶金自動(dòng)化系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)語

總之，自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，各種儀器儀表、自動(dòng)化設(shè)備提高了冶金工業(yè)的效率和質(zhì)量，也提高了鋼鐵冶金生產(chǎn)的安全性。將“無人工廠”或“準(zhǔn)無人工廠”的概念引入冶金行業(yè)，實(shí)現(xiàn)全車間無人化，節(jié)省了大量的人力，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)學(xué)模型和人工智能相結(jié)合，軋鋼工藝控制和管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的優(yōu)化和高品質(zhì)化，從而提高了我國冶金工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］陳洪峰.國內(nèi)電氣自動(dòng)化發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（1）

［2］李寶誠，高巍，陳飛.談鋼鐵冶金自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.科技促進(jìn)發(fā)展：應(yīng)用版，2010（12）