轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

林楠

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023）

隨著我國(guó)煉鋼工業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐煉鋼成為主要的工藝操作。轉(zhuǎn)爐煉鋼對(duì)操作效率和規(guī)范性的要求非常高，轉(zhuǎn)爐煉鋼中引入了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，規(guī)劃好自動(dòng)化控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)，確保其在轉(zhuǎn)爐煉鋼中可以發(fā)揮出自動(dòng)化、控制性的作用。自動(dòng)化控制系統(tǒng)跟蹤并控制了轉(zhuǎn)爐煉鋼的過(guò)程，從整體上提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架

1.1 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由三級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成的，第一級(jí)是基礎(chǔ)級(jí)，負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)中各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制設(shè)備的有效運(yùn)行，同時(shí)在基礎(chǔ)級(jí)生成與轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)表，第二級(jí)是過(guò)程級(jí)，負(fù)責(zé)開發(fā)與轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，第三級(jí)是管理級(jí)，負(fù)責(zé)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中下發(fā)生產(chǎn)中的任務(wù)計(jì)劃，同時(shí)向上級(jí)傳輸生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架中，三級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的設(shè)備分布如下圖1所示，支持自動(dòng)化控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用。

圖1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備

1.2 基礎(chǔ)控制

基礎(chǔ)控制分為控制范圍與控制功能兩個(gè)部分。轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中基礎(chǔ)控制的范圍是轉(zhuǎn)爐本體、電氣儀表與電氣設(shè)備等，轉(zhuǎn)爐煉鋼的基礎(chǔ)控制范圍中最直接的控制對(duì)象是生產(chǎn)過(guò)程，在線監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)爐煉鋼的參數(shù)，提供數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)、處理的能力，轉(zhuǎn)爐煉鋼的操作人員通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定、修改并控制好自動(dòng)化控制的系統(tǒng)。例如某煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，集中控制了分散型結(jié)構(gòu)，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)連接CPU和遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，同時(shí)也在轉(zhuǎn)爐的輔助工藝中實(shí)行集中、自動(dòng)化的控制，如二次除塵、循環(huán)水泵等之間實(shí)現(xiàn)了高效的自動(dòng)化?；A(chǔ)控制的功能主要有：(1)操作站，轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的操作站負(fù)責(zé)監(jiān)控各級(jí)畫面，操作站運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)均對(duì)應(yīng)著設(shè)備控件，每個(gè)工藝流程都可以在操作站中顯示出來(lái)，操作站記錄著轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的數(shù)據(jù)，方便后期查詢和使用；(2)控制器，也就是PLC，其為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，PLC控制信號(hào)由I/O模塊負(fù)責(zé)輸入或輸出，由PLC獨(dú)立完成所有的煉鋼工藝；(3)服務(wù)器，轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的服務(wù)器設(shè)置在調(diào)度室，調(diào)度轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的數(shù)據(jù)，向服務(wù)器下達(dá)命令；(4)網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)是轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的接線部分，提供網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)控制。

1.3 過(guò)程控制

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的過(guò)程控制同樣分為控制范圍和控制功能兩個(gè)部分。控制范圍是指轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)過(guò)程級(jí)的生產(chǎn)，協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)爐與煉鋼的生產(chǎn)工藝。過(guò)程級(jí)控制范圍中，從轉(zhuǎn)爐煉鋼的鐵水一直到轉(zhuǎn)爐外的精煉工藝，都要由過(guò)程控制進(jìn)行協(xié)調(diào)與匹配，過(guò)程控制中還需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，也就是轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)與調(diào)度過(guò)程中的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，監(jiān)控生產(chǎn)的過(guò)程。過(guò)程控制的功能非常明確，就是按照控制對(duì)象產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流設(shè)置人機(jī)接口，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以監(jiān)視并管控好轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程控制。

1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，按照上文中的基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程控制自動(dòng)化的運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的每個(gè)級(jí)別都涉及到數(shù)據(jù)采集工作。自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)需要跟蹤轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)過(guò)程，按照生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)流程規(guī)劃好轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。例如數(shù)據(jù)采集中的PLC系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)流可以分為上位、下位，上位數(shù)據(jù)傳輸是指在由主控室工況機(jī)從PLC下位采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝流程，下位數(shù)據(jù)傳輸是指位于下位的PLC專門監(jiān)控工藝設(shè)備。

1.5 硬件設(shè)計(jì)

硬件是轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)硬件應(yīng)該可以支撐多種編程語(yǔ)言，同時(shí)具備先進(jìn)的指令集、多種函數(shù)塊、功能塊以及內(nèi)置通訊。硬件設(shè)計(jì)中自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用多模光纖設(shè)置，保障基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。轉(zhuǎn)爐控制中的每個(gè)系統(tǒng)都要配置工程師站，由中心控制室負(fù)責(zé)連接，直接接入到PLC的通訊模塊中。工程師站的PC機(jī)上設(shè)置了人機(jī)接口，負(fù)責(zé)接入硬件中的5臺(tái)操作站，操作站的工作人員負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)，如煤氣清洗系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)、氧槍系統(tǒng)、汽化冷卻系統(tǒng)等。

1.6 軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是指HMI人機(jī)界面軟件、INTOUCH組態(tài)軟件，支持自動(dòng)化控制系統(tǒng)人機(jī)界面應(yīng)用程序的運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)提供了控制程序所需的基本工具。

1.7 安全設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化安全設(shè)計(jì)也就是網(wǎng)絡(luò)安全，自動(dòng)化控制系統(tǒng)專門設(shè)置了不同級(jí)別的密碼保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)采用用戶名與密碼匹配的方式，控制好自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的功能。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相互結(jié)合，在人機(jī)界面操作上設(shè)計(jì)了密碼式的操作級(jí)別，考慮到網(wǎng)絡(luò)安全與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中還要安裝殺毒軟件，確保自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文主要從轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制為例，分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

首先轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)采用的是PID控制方式，從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)試過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)PID的控制方式較為簡(jiǎn)單、可靠，容易在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)具備大轉(zhuǎn)矩設(shè)置，減速比相對(duì)比較大，由此轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)對(duì)精確度的要求比較高，確保傾動(dòng)力矩能夠均衡的分配到轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)內(nèi)，按照主從控制要求完善轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。

然后是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的電氣設(shè)計(jì)，一般情況下轉(zhuǎn)爐煉鋼廠內(nèi)的電氣系統(tǒng)的配置是：(1)4臺(tái)負(fù)責(zé)傾動(dòng)的變頻交流電機(jī)，電機(jī)可允許的過(guò)載力矩是200%，每臺(tái)電機(jī)都要配置好冷卻風(fēng)機(jī)；(2)4臺(tái)與變頻交流電機(jī)相匹配的交流電機(jī)抱閘電機(jī)，1套軸承稀油潤(rùn)滑站，1臺(tái)驅(qū)動(dòng)稀油潤(rùn)滑站。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)操作分為兩種操作方法，第一種是非常手動(dòng)操作，當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)未達(dá)到規(guī)范的操作條件時(shí)，向設(shè)備和操作員提供的緊急制動(dòng)方法，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境。第二種是機(jī)旁手動(dòng)操作，其為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的主要操作方式，操作臺(tái)上可以保留轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的聯(lián)鎖信號(hào)，支持轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的工藝。

最后是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)中的設(shè)備運(yùn)行配置，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要同時(shí)投入4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，確保力矩平衡，允許4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中出現(xiàn)1臺(tái)故障設(shè)備，如遇到緊急情況也可以允許2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的高速區(qū)、低速區(qū)中，專門使用西門子交流變頻調(diào)速器進(jìn)行控制，按照調(diào)速裝置的需要把電機(jī)速度分配到指定裝置中。

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能測(cè)試

本文采用動(dòng)態(tài)模型、靜態(tài)模型的方法測(cè)試轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能，分析如下。

3.1 基于動(dòng)態(tài)模型的性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)模型中總結(jié)了轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治龀鲛D(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如動(dòng)態(tài)模型中吹煉模型的設(shè)計(jì)，專門測(cè)試吹煉期間轉(zhuǎn)爐中冷卻劑的添加到二吹階段的時(shí)間，同時(shí)還能測(cè)試出一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)相鄰兩次煉鋼的時(shí)間差，現(xiàn)場(chǎng)安排好轉(zhuǎn)爐煉鋼的時(shí)間。動(dòng)態(tài)模型的性能測(cè)試中，按照時(shí)間向模型中輸入性能測(cè)試的數(shù)據(jù)指標(biāo)，準(zhǔn)確分析出轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 基于靜態(tài)模型的性能測(cè)試

靜態(tài)模型是轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了供氧模型、造渣模型、終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型、底吹模型等，各種模型中模擬出了轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，直接從模型中反饋出靜態(tài)模型的性能狀態(tài)。例如終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型，其中包括氧耗量模型、冷卻劑加入模型兩種參數(shù)，模型中需要以轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)為參考致力于減少系統(tǒng)中的誤差，并且提高模型自身的適應(yīng)能力，模型中可以選擇出轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，提高轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行能力。

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化是現(xiàn)代煉鋼廠的發(fā)展方向，自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合化、集成化的管控轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)過(guò)程，向轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝提供自動(dòng)化的控制條件。自動(dòng)化控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)工藝，積極提高轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)水平，規(guī)避生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，最主要的是確保轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化能夠達(dá)到規(guī)范的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

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