梅鋼高爐爐前自動(dòng)化升級

翟玉龍 吳建華

(寶武集團(tuán)梅山鋼鐵公司煉鐵廠 南京210039)

1 前言

在高爐煉鐵設(shè)備中，爐前關(guān)鍵設(shè)備包括開口機(jī)、移蓋機(jī)、泥炮等，周期性打開鐵口放出冶煉好的鐵水，完成后及時(shí)封堵。開口機(jī)、移蓋機(jī)和泥炮采用液壓控制，打開鐵口、挪移A蓋和堵鐵口等作業(yè)的各部件動(dòng)作采用手動(dòng)操作，各動(dòng)作的液壓閥門配置手柄式先導(dǎo)閥，集中在操作臺上，布置在每個(gè)鐵口的閥站內(nèi)。

梅鋼五號高爐爐前打開鐵口和封堵鐵口操作，需要爐前工在閥站的操作臺上一邊扳動(dòng)先導(dǎo)閥手柄、一邊通過閥站玻璃窗口觀測現(xiàn)場，才能完成。在當(dāng)前的社會(huì)背景下，考慮爐前高溫工況、環(huán)境等影響，這種操作方式落后，勞動(dòng)效率低，安全性差[1]，不利于大型企業(yè)的長期發(fā)展。為了降低爐前工的工作強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，提升高爐設(shè)備整體的自動(dòng)化控制水平，對爐前液壓系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。同時(shí)，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)場液壓管路，安裝旋轉(zhuǎn)接頭，消除跑冒滴漏對環(huán)境的影響，提高液壓系統(tǒng)的整體使用性能。

2 爐前主要設(shè)備配置

梅鋼煉鐵廠五號高爐系統(tǒng)于2012年6月2日點(diǎn)火投產(chǎn)，高爐有效容積為4070m3，年平均利用系數(shù)為2.2 t/(m3.d)，年產(chǎn)煉鋼鐵水約327×104t/a。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 五號高爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

液壓開口機(jī)、移蓋機(jī)及液壓泥炮采用兩套相連的液壓泵站，每套各為兩臺開口機(jī)、移蓋機(jī)、泥炮提供液壓動(dòng)力源，其中一套故障時(shí)可通過切換手動(dòng)球閥使用另一套泵站供油[2]。液壓站主泵采用恒壓柱塞變量泵，每套數(shù)量3臺，其中2臺工作，1臺備用，泵流量185L/min，壓力31.5MPa，電機(jī)功率：132kW，采用抗磨液壓油ISOVG46/40℃，油箱配套循環(huán)過濾、熱交換系統(tǒng)。每個(gè)鐵口配置一個(gè)閥站，控制對應(yīng)的開口機(jī)、移蓋機(jī)、泥炮，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)一個(gè)閥組，閥站閥組原理圖見圖1，圖中換向閥1控制泥炮旋轉(zhuǎn)，換向閥2控制泥炮打泥退泥餅，換向閥3控制開口機(jī)回轉(zhuǎn)，換向閥3控制開口機(jī)回轉(zhuǎn)，換向閥4控制小車進(jìn)退，換向閥5控制鉆桿旋轉(zhuǎn)，換向閥6控制鑿巖機(jī)振打換向閥7控制夾鉗開閉，換向閥8控制揭蓋機(jī)小車行走，換向閥9控制A蓋的升降。原換向閥都是液控?fù)Q向閥，所有動(dòng)作由操作工扳動(dòng)手柄式先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)。

爐前開口機(jī)設(shè)計(jì)采用TMT型全液壓強(qiáng)力開口機(jī)，該開口機(jī)大臂回轉(zhuǎn)一步到位對準(zhǔn)鐵口，主要技術(shù)參數(shù)見表2。移蓋機(jī)采用懸臂式全液壓移蓋機(jī)，具有橫移和A蓋升降兩個(gè)動(dòng)作。其主要技術(shù)參數(shù)如下：走行油缸額定工作壓力25MPa，工作行程4500mm，提升油缸額定工作壓力25MPa，工作行程585mm。泥炮采用DDS式液壓泥炮，僅有轉(zhuǎn)炮和打泥動(dòng)作，炮嘴的壓緊動(dòng)作依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來完成，打泥油缸工作壓力28MPa，直徑530mm，行程1458mm，轉(zhuǎn)炮油缸工作壓力28MPa，直徑310mm，行程1386mm。

圖1 閥站閥組原理圖

3 自動(dòng)化升級內(nèi)容

3.1爐前設(shè)備液壓系統(tǒng)

梅鋼五號高爐有四個(gè)出鐵口，每個(gè)鐵口一個(gè)閥站，各配置一整套開口機(jī)、移蓋機(jī)、泥炮及控制操作系統(tǒng)。在液壓閥站，開口機(jī)、揭蓋機(jī)和泥炮的每個(gè)動(dòng)作都對應(yīng)布置一組液壓閥，保證每個(gè)動(dòng)作可以單獨(dú)完成，互不干涉。其液壓控制原理圖見圖2。本改造將梅鋼五號高爐開口機(jī)、移蓋機(jī)、泥炮設(shè)備的液壓控制由原有的液控和手動(dòng)方式升級為電液控制，將原有的相關(guān)中間配管進(jìn)行相應(yīng)改造，將所有電氣信號送PLC，并加裝遙控操作裝置，使?fàn)t前工可以在鐵口現(xiàn)場遙控操作[3]，不再受限于閥站內(nèi)靠手柄的操作方式。

表2 開口機(jī)主要參數(shù)

以液壓泥炮為例，液壓閥臺安裝減壓閥，其中一路液壓油減壓后作為閥臺換向閥控制油；閥臺安裝一個(gè)手動(dòng)換向閥，控制減壓后的控制油流向泥炮閥組或開口機(jī)閥組。其中，泥炮的動(dòng)作包括旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)退、泥缸打泥和泥缸退泥，改造升級前，旋轉(zhuǎn)油缸和打泥油缸分別由對應(yīng)的液動(dòng)比例換向閥控制，閥臺安裝手柄式先導(dǎo)閥，控制油連通后，操作各手柄實(shí)現(xiàn)泥炮各動(dòng)作。改造后，各閥組的原液動(dòng)比列換向閥更換為電液比例換向閥[4]，就地安裝I/O站提供電源，其他各控制調(diào)節(jié)閥繼續(xù)使用。手柄式先導(dǎo)閥操作臺拆除，安裝電源控制手動(dòng)操作臺，配套安裝電氣及自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)。正常采用遙控器遠(yuǎn)程操作，手動(dòng)模式操作和緊急模式下的操作使用手動(dòng)操作臺。泥炮液壓控制原理圖見圖2改造升級①、②、⑤為電液比例換向閥，③、④先導(dǎo)閥拆除，配管封堵，閥臺其余組件繼續(xù)使用。同一閥站內(nèi)，開口機(jī)和移蓋機(jī)的閥組中對應(yīng)的所有換向閥做同樣改進(jìn)升級,改造后，電液比比例換向閥響應(yīng)更快，精度更可靠[5]。

四臺閥站的閥組改造升級內(nèi)容相同，改造液動(dòng)換向閥、手柄式先導(dǎo)閥及控制油路，實(shí)現(xiàn)電液控制，安裝PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，升級實(shí)現(xiàn)遙控器遠(yuǎn)程操作。

對現(xiàn)場液壓管路改進(jìn)，在開口機(jī)大臂回轉(zhuǎn)立柱中心增加12路旋轉(zhuǎn)接頭，對大臂回轉(zhuǎn)上壓蓋及芯軸進(jìn)行改造，重新加工旋轉(zhuǎn)接頭定位及安裝孔。開口機(jī)入口端除大臂回轉(zhuǎn)油缸保留軟管外，其他全部采用硬管連接。泥炮整改方案主要是將泥炮回轉(zhuǎn)中心液壓油管軟管連接改為4路旋轉(zhuǎn)接頭，水管連接采用單獨(dú)4路旋轉(zhuǎn)接頭，重新敷設(shè)硬管。改進(jìn)后，現(xiàn)場管路布局更合理，故障大幅減少，消除跑冒滴漏對環(huán)保的不利影響。

圖2 泥炮液壓控制原理圖1-比例換向閥;2-比例換向閥;3-手柄式先導(dǎo)閥;4-手柄式先導(dǎo)閥;5-手動(dòng)換向閥

3.2自動(dòng)化控制系統(tǒng)

由扳動(dòng)先導(dǎo)閥手柄的操作方式升級到移動(dòng)無線遙控操作方式，在閥臺更換液動(dòng)控制換向閥為電液控制換閥向后，配套安裝對應(yīng)的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)[6]。

升級新裝兩套電氣及自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)，分別控制南出鐵場和北出鐵場的設(shè)備，核心控制系統(tǒng)安裝在高爐中控樓內(nèi)，在4個(gè)閥站設(shè)置遠(yuǎn)程I/O站，在中控樓和爐前值班室新增監(jiān)控畫面；增加4套遙控器，用于4個(gè)鐵口設(shè)備的現(xiàn)場操作；在4個(gè)閥站均設(shè)手動(dòng)操作臺[7]，用于手動(dòng)模式操作和緊急模式下的設(shè)備操作，在每個(gè)閥站外新增泥炮壓力顯示屏，輸入信號為4-20mA。

新PLC控制系統(tǒng)沿用AB公司ControlLogix 1756系列，保持與整個(gè)高爐控制系統(tǒng)一致。一套系統(tǒng)用于控制北出鐵場1#、2#出鐵口的設(shè)備，另一套系統(tǒng)用于控制南出鐵場3#、4#出鐵口的設(shè)備。采用冗余的PLC系統(tǒng)設(shè)備，兩套冗余的PLC控制系統(tǒng)均采用AB公司ControlLogix 1756 系列, 設(shè)PLC主機(jī)架，通過冗余ControlNet控制網(wǎng)下掛I/O模塊，其I/O模塊分散設(shè)在各現(xiàn)場，共設(shè)2個(gè)主機(jī)架及8個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，兩個(gè)主機(jī)架裝于同一臺PLC柜。

主機(jī)架用于安裝CPU模塊及通訊模塊等，均采用冗余配置，安裝在高爐中控樓電氣室。1#遠(yuǎn)程I/O站用于接收1#閥站內(nèi)電液設(shè)備的I/O及1#出鐵口遙控器的I/O，單獨(dú)成柜，安裝在北出鐵場的1#閥站內(nèi)；2#遠(yuǎn)程I/O站用于接收1#出鐵口泥炮、開口機(jī)、移蓋機(jī)的手動(dòng)操作臺的信號，安裝在北出鐵場的1#閥站新增的操作臺內(nèi)；控制系統(tǒng)主機(jī)架與遠(yuǎn)程I/O站之間采用冗余的光纖通訊。每個(gè)閥站就地設(shè)置UPS電源，為操作室內(nèi)遠(yuǎn)程站提供不間斷電源。另三個(gè)閥站內(nèi)的I/O站同樣布置，共計(jì)8套。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用AB公司經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為：信息層，自動(dòng)化和控制層及設(shè)備層。信息層，配置交換機(jī)1臺，4臺工控機(jī)做為信息層的主要設(shè)備。自動(dòng)化和控制層，根據(jù)現(xiàn)場工藝設(shè)備的布置及其功能特點(diǎn)，采用在現(xiàn)場就地安裝遠(yuǎn)程I/O柜的方式。為了保證控制的可靠性，該控制系統(tǒng)CPU及網(wǎng)絡(luò)都采用冗余配置。設(shè)備層，升級后將各閥站新增的電磁閥均納入到遠(yuǎn)程站中。控制流程見圖3。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為確保系統(tǒng)的統(tǒng)一性、完整性，控制系統(tǒng)硬件、軟件均選用煉鐵廠一直在用的ControlLogix系列PLC，從而保證整個(gè)煉鐵區(qū)域控制系統(tǒng)、HMI系統(tǒng)的統(tǒng)一性、完整性。PLC系統(tǒng)的核心控制層采用ControlNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其通訊的速率可達(dá)5M bit/s。

圖3 爐前設(shè)備控制流程圖

自動(dòng)化應(yīng)用軟件主要包括各個(gè)工藝設(shè)備的PLC 控制程序，系統(tǒng)監(jiān)控畫面、流程畫面、趨勢畫面、控制組畫面、報(bào)警畫面等。PLC控制程序：操作臺、遙控器信號的采集，新增液壓電磁閥站的控制，并根據(jù)操作臺、遙控器信號狀態(tài)控制現(xiàn)場設(shè)備的相應(yīng)動(dòng)作。正常模式下的操作都是基于PLC 系統(tǒng)的操作。HMI畫面程序：HMI畫面程序包括系統(tǒng)監(jiān)控畫面、流程畫面、趨勢畫面、控制組畫面、報(bào)警畫面等。系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要顯示在該系統(tǒng)主要設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，以及當(dāng)前報(bào)警信息。流程畫面描述該系統(tǒng)的主要流程，以及當(dāng)前的系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。趨勢畫面記錄一些跟工藝有關(guān)的重要的數(shù)據(jù)，以便以后能夠通過這些數(shù)據(jù)能夠分析出目前操作上的不足，規(guī)劃出更合理操作方式，達(dá)到使設(shè)備最大化為生產(chǎn)服務(wù)的理念?？刂飘嬅嫣峁└鱾€(gè)單體設(shè)備的手動(dòng)單動(dòng)窗口。報(bào)警畫面提供系統(tǒng)的報(bào)警信息，并能追溯該報(bào)警的產(chǎn)生時(shí)間。提供查詢歷史報(bào)警功能。系統(tǒng)具有可拓展性，在條件成熟時(shí)，可以把整套系統(tǒng)接入高爐中控生產(chǎn)系統(tǒng)，在高爐值班室實(shí)現(xiàn)爐前一鍵操作，在現(xiàn)有的遙控器操作基礎(chǔ)上升級為智能自動(dòng)作業(yè)。

為保障系統(tǒng)工作的可靠性，新裝4套3kVA UPS電源裝置[8]，為遠(yuǎn)程I/O柜提供電源支持。PLC柜電源利用現(xiàn)有高爐中控樓UPS裝置的備用回路提供電源。

4 結(jié)論

爐前系統(tǒng)自動(dòng)化升級后，操作工可以實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場的溫度、壓力、重量數(shù)據(jù)，便于遙控操作時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整，使?fàn)t前作業(yè)更直觀；同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，把界面直接接入爐前操作電腦，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過優(yōu)化管線布置，大幅減少了現(xiàn)場跑冒滴漏等對現(xiàn)場環(huán)境的不利影響。通過改進(jìn)液動(dòng)控制為電液控制，配套安裝電氣及自動(dòng)化控制系統(tǒng)，升級實(shí)現(xiàn)了爐前各項(xiàng)作業(yè)的遙控操作，現(xiàn)場操作方便、準(zhǔn)確，改善了手動(dòng)扳手柄的操作方式，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，勞動(dòng)效率得到提高，爐前環(huán)境明顯改善。

爐前系統(tǒng)自動(dòng)化升級已近兩年，實(shí)踐表明遙控操作簡單易學(xué)，系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定，提升了高爐設(shè)備的自動(dòng)化控制水平。梅鋼爐前系統(tǒng)自動(dòng)化升級實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，可為兄弟企業(yè)設(shè)備升級、優(yōu)化崗位結(jié)構(gòu)、效率提升等提供參考。