淺談自動控制在VD爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙軍厚 胡百強(qiáng)

(安寧公司本部煉鋼廠)

1 引言

2015年VD爐成功在安寧公司本部煉鋼廠建設(shè)及使用，是基于昆鋼公司對大型鑄件市場的研判，需要煉鋼廠提供高質(zhì)量合格鋼水至大型鑄件工序，用于澆鑄市場所需品種的產(chǎn)品。VD爐是爐外精煉工藝路線重要的中間環(huán)節(jié)，是開發(fā)純凈鋼和超純凈鋼所必須的裝備。VD爐設(shè)備簡單、投資少、成本低、能精煉絕大多數(shù)高純度鋼水、操作簡單。對于控制系統(tǒng)有較高精度要求、響應(yīng)速度要求、保持真空度的穩(wěn)定性、底吹氬過程的穩(wěn)定性也有相當(dāng)高的要求。

2 系統(tǒng)概述

VD爐(vacuum degassing furnace)，即鋼包精煉爐。是將轉(zhuǎn)爐的初煉鋼液、精煉爐的初煉鋼液置于密閉容器內(nèi)，同時在鋼包底部接通氬氣/氮?dú)鈹嚢桎撘海檎婵仗幚淼膶Ｓ迷O(shè)備。在67Pa真空狀態(tài)下，對鋼液進(jìn)行真空脫氣，降低鋼水中氮元素，氫元素含量。脫氧、脫硫，減少鋼水夾雜物，促進(jìn)鋼水溫度和成分均勻化，較大限度排除各類雜質(zhì)，提高合金收得率和提高鋼水質(zhì)量。經(jīng)過VD爐的處理，最終使得鋼水中氫含量≤7ppm，氧含量≤20ppm，氮含量≤50ppm。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 設(shè)備工藝布置

安寧公司本部煉鋼廠50tVD真空爐總體采用雙罐單蓋結(jié)構(gòu)，罐體固定罐蓋移動的方案。罐蓋安裝在平移車上，根據(jù)工作需要移動到1#或2#工位，對相應(yīng)罐體進(jìn)行加蓋密封。VD爐工作時，真空罐體通過U形移動彎頭、真空管道、除塵器、主截止閥與真空泵組連接。

圖1 真空處理流程圖

3.2 主要設(shè)備

真空罐、罐蓋、罐蓋車、真空泵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、喂絲系統(tǒng)、鋼包底吹系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、真空管道、主真空閥、破空裝置和電控儀表等。

圖2設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

VD真空爐整套控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(PC)、可編程控制器(PLC)及各執(zhí)行元件構(gòu)成。見圖3。

圖3控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.3.1 計(jì)算機(jī)(PC)

用于人機(jī)交互平臺(HMI人機(jī)交互界面)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、過程參數(shù)顯示、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況，通過西門子STEP7和WINCC編程軟件對PLC進(jìn)行程序編寫，并進(jìn)行HMI畫面編制。

3.3.2 可編程控制器(PLC)

與上位機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀取各執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)，采集現(xiàn)場信號，向現(xiàn)場傳輸控制信號，采集鋼水的溫度、氧/氫含量，采集VD爐電氣參數(shù)，集底吹攪拌氣體的壓力和流量信號，采集液壓系統(tǒng)各參數(shù)值、采集真空度等。

3.3.3 動作執(zhí)行元件

執(zhí)行PLC所發(fā)出的指令，反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)供PLC進(jìn)行讀取。U形管的轉(zhuǎn)換、切斷閥的開關(guān)、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止和調(diào)速、液壓泵的啟停、氬氣流量大小的調(diào)節(jié)、真空泵組的啟停等。

4 控制系統(tǒng)分布

4.1 操作流程

預(yù)熱6臺螺桿泵約15min→鋼水吊至VD爐真空爐工位→人工接駁底吹管道→測溫(定氧、定氫)→下罐蓋→預(yù)抽真空→工位內(nèi)壓力達(dá)到67Pa→保持67Pa以下進(jìn)行脫氣處理6～8min→停止抽真空(打開破空閥)→提升罐蓋→測溫取樣(定氫、定氧)→啟用喂絲機(jī)進(jìn)行喂絲(一般情況下為硅鈣線)→開啟底吹氬→加保溫劑→用行車吊出鋼包至所需工位→吹掃布袋除塵→停止待機(jī)→清理布袋除塵器和冷卻除塵器的灰塵→停設(shè)備冷卻水。

4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩套HMI操作站，互為熱備，與全廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面監(jiān)視與控制，不僅可以顯示生產(chǎn)過程的全部信息，而且還可以通過人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)和系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等功能。監(jiān)控站以菜單形式進(jìn)行各類畫面的調(diào)用與切換。

4.3 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

VD爐現(xiàn)場控制系統(tǒng)由一套S7-300系列PLC組成。

系統(tǒng)硬件組成如圖4所示，硬件配置表如表1所示。

圖4系統(tǒng)硬件組態(tài)

表1 控制系統(tǒng)硬件配置表

各電器設(shè)備分布如圖5所示。

圖5 電氣設(shè)備分布

程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)

操作站選用Windows732位操作系統(tǒng)，選用最新的WINCCv7.3組態(tài)軟件。監(jiān)控、顯示VD爐各設(shè)備控制參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際情況如圖7所示。

圖7 人機(jī)交互界面

5 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和通訊方式

5.1 PLC與PC的通訊。

通過MPI通訊連接PC與PLC，開始-設(shè)置-控制面板-設(shè)置PG/PC接口，添加刪除接口-選擇CP5611-安裝。選擇具體通訊協(xié)議流程如圖8所示。

圖8 選擇通訊協(xié)議

由于MPI通訊屬于直連串行通訊，只要選擇好通訊協(xié)議便可實(shí)現(xiàn)PLC與PC的連接。定義主站PLC固定IP為192.168.1.1方便WINCC通過以太網(wǎng)方式讀取PLC內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)。

5.2 PLC與變頻器間的通訊

通過PROFIBUS-DP通訊連接PC與變頻器。由于變頻器控制一級羅茨泵、二級羅茨泵電機(jī)，所以通訊要求快速、穩(wěn)定，而PROFIBUS-DP通訊是最優(yōu)選擇。連接現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 PLC與變頻器通訊

5.3 PLC與遠(yuǎn)程站ET200(吹氬控制系統(tǒng))間的通訊

通過交換機(jī)，以Ethernet形式實(shí)現(xiàn)PLC主站與遠(yuǎn)程站之間的通訊，如圖10所示。

圖10 PLC與吹氬站通訊

6 程序設(shè)計(jì)

6.1 系統(tǒng)模式選擇

VD爐可以遠(yuǎn)程操作，可以就地操作?？梢允謩訂右部梢宰詣訂酉鄳?yīng)的電機(jī)。當(dāng)選擇單機(jī)操作時視為手動，在此遠(yuǎn)程模式下，各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)可單獨(dú)執(zhí)行，方便系統(tǒng)的檢修，維護(hù)。程序控制方式如圖11所示。

圖11 手動方式下打開罐側(cè)真空切斷閥

6.2 自動操作

在選擇自動操作控制方式下，基于西門子s7-300實(shí)現(xiàn)VD爐真空系統(tǒng)的自動控制。

6.2.1 給水泵

給水泵安放于6#爐轉(zhuǎn)爐水供水站內(nèi)，借用6#轉(zhuǎn)爐水水池，節(jié)約成本。通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，控制程序保存在遠(yuǎn)程站PLC內(nèi)，檢測元件：壓力變送器、流量計(jì)置于VD爐主體管道上。兩臺給水泵互為熱備用，生產(chǎn)過程中，正在使用的水泵出現(xiàn)故障無法使用時，另外一臺自動啟動，確保冶煉過程中爐體冷卻正常。當(dāng)水流量、壓力滿足啟動條件時才能進(jìn)行下一步操作。

6.2.2 液壓泵

液壓站安放于VD爐主體旁電氣控制室樓下，同樣是兩臺液壓泵互為熱備用，取保執(zhí)行機(jī)構(gòu)順利執(zhí)行主控室發(fā)出的輸出指令。保證羅茨泵、螺桿泵運(yùn)行正常。

6.2.3 機(jī)械泵

VD爐真空機(jī)械泵系統(tǒng)由7臺一級羅茨泵(6用1備)3臺二級螺桿泵(2用1備)10臺三級螺桿泵(9用1備)組成，當(dāng)要使用真空系統(tǒng)時，手動選擇備用泵，余下的自動啟動。具體程序結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 機(jī)械泵組選擇

6.2.4 系統(tǒng)檢查

系統(tǒng)檢查為全自動模式運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)VD爐自動控制。在此狀態(tài)下，全面檢測系統(tǒng)所有執(zhí)行元件、系統(tǒng)介質(zhì)的性能、狀態(tài)、參數(shù)。當(dāng)所有條件都滿足時便可啟動真空系統(tǒng)。具體檢測內(nèi)容如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)自檢內(nèi)容

6.2.5 啟動待機(jī)

啟動待機(jī)為抽真空前的最后準(zhǔn)備工作。當(dāng)進(jìn)行到這一步時，打開泵側(cè)切斷閥，打開泵側(cè)空氣破空閥，在線1級羅茨泵預(yù)熱。當(dāng)預(yù)熱頻率達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時，滿足抽真空條件，可抽真空。

6.2.6 啟動真空

全部先決條件滿足后，點(diǎn)擊啟動真空按鈕，進(jìn)行全自動抽真空動作。該動作取決于安裝于泵側(cè)的壓力變送器所檢測到的全程真空度。

當(dāng)罐內(nèi)壓力處于大氣壓50kPa時，按初始頻率啟動2級螺桿泵，根據(jù)罐內(nèi)壓力變化逐級增加螺桿泵運(yùn)行頻率，逐步降低罐內(nèi)空氣壓力。當(dāng)泵側(cè)全程真空度處于2～4kPa時，啟動3級螺桿泵進(jìn)行最后的降低空氣壓力操作。部分控制功能如圖14所示。

圖14 自動抽真空過程

通過一系列的邏輯處理和各執(zhí)行原件的相應(yīng)動作，真空罐內(nèi)壓力逐步達(dá)到≤67Pa，鋼包內(nèi)鋼水在真空狀態(tài)下經(jīng)過底吹氬氣充分?jǐn)嚢?，鋼水?nèi)氧氣和氫氣含量降低達(dá)到高品質(zhì)鑄件鋼要求，當(dāng)點(diǎn)擊停止真空后，停止機(jī)械泵，停止螺桿泵，打開破空閥，打開布袋保護(hù)閥等結(jié)束抽真空操作。

7 流程控制要點(diǎn)

VD真空爐控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于三級真空泵的控制，根據(jù)罐內(nèi)真空度逐級啟動，并在達(dá)到≤67Pa時保持真空狀態(tài)不小于4min，整個抽真空過程時間控制在9min以內(nèi)，否則將影響生產(chǎn)節(jié)奏。各抽氣時段時間如表2。

表2 抽氣時間表

8 生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的典型問題和解決方案

8.1 網(wǎng)絡(luò)通訊問題

原設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通訊采用冗余通訊，主PLC和遠(yuǎn)程站分別處于兩個網(wǎng)段，且通訊用網(wǎng)線采用直接線接法，運(yùn)行一段時間后網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)滯后甚至中斷情況。

通過摸索和論證，采取以下辦法改進(jìn)：(1)網(wǎng)線全部采用T568B交叉接線；(2)控制系統(tǒng)統(tǒng)一為140網(wǎng)段；(3)更換主PLC的以太網(wǎng)通訊模塊。

改進(jìn)后數(shù)據(jù)傳輸正常，通訊速率達(dá)到正常要求，運(yùn)行至今未出現(xiàn)遲滯或通訊中斷情況。

8.2 真空度穩(wěn)定性差

系統(tǒng)投用一段時間后，抽真空過程中發(fā)現(xiàn)抽真空時間延長，且真空狀態(tài)保持不穩(wěn)，逐一檢查罐蓋、各閥門、除塵器、管路及泵組等設(shè)備密封情況，發(fā)現(xiàn)一級羅茨泵內(nèi)有不同程度積水情況，分析得知羅茨泵檢查不到位，未及時維護(hù)排污，另外泵前閥門有輕微泄漏，導(dǎo)致前述情況發(fā)生。

采取以下改進(jìn)辦法： (1)針對羅茨泵特點(diǎn)強(qiáng)化培訓(xùn)相關(guān)檢修人員，建立健全日常檢查維護(hù)機(jī)制；(2)羅茨泵工作過程參數(shù)發(fā)生變化，HMI畫面出現(xiàn)警告，提示操作人員注意，同時在趨勢數(shù)據(jù)記錄內(nèi)完整記錄其相關(guān)數(shù)據(jù)。

8.3 螺茨泵急停的不良后果

VD爐一級真空泵為GXS750干式螺茨泵，此泵制作精度較高，使用工況比較苛刻，對水質(zhì)要求特別高，要求冷確水進(jìn)水壓力≥0.6MPa，流量≥80 m2/h，但由于安寧公司本部煉鋼廠VD爐是在老廠房內(nèi)的改造項(xiàng)目，冷確水就近搭接到6#轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)水系統(tǒng)，造成VD爐冷確水進(jìn)水壓力≥0.3MPa，只有原設(shè)計(jì)的一半，回水系統(tǒng)各部分干擾嚴(yán)重，特別GXS750干式羅茨泵，泵內(nèi)的冷確水管路較細(xì)，水壓低、回水不暢通，經(jīng)常因生產(chǎn)水質(zhì)差阻塞，羅茨泵內(nèi)比較精密的變頻器、電機(jī)、泵體因發(fā)熱報警急停，嚴(yán)重時造成泵體卡死，已經(jīng)有3臺泵因此送修。

采取以下改進(jìn)辦法：把第三級的GXS750干式羅茨泵冷確水出水管改為外排式，解決了羅茨泵冷確水受VD爐其他冷確水系統(tǒng)的壓力干擾，改造后，在未增加進(jìn)水壓力(0.3MPa)情況下，出水流量明顯加大，使泵體各冷確部位得到有效冷確，再也沒有發(fā)生泵體卡死情況。(外排的冷卻水由集水管路得到部分回收利用，安寧公司本部煉鋼廠的VD爐使用不頻繁，每月2、3次，每次1h內(nèi)，每次冷卻水消耗40m2/h左右。

9 結(jié)束語

安寧公司本部煉鋼廠利用VD爐開發(fā)冶煉了45#、35#35CrMo、42CrMo、35SiMn、16Mn、20SiMn、40Cr、SA350LF2、A105等10個鑄鍛件鋼種，擴(kuò)寬了煉鋼廠的產(chǎn)品譜系，各種過程數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等實(shí)時在人機(jī)交互界面上顯示，實(shí)現(xiàn)真空冶煉過程的全自動化，同時依靠西門子PLC的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和存儲能力，可在HMI畫面查看各工藝參數(shù)的歷史趨勢，具備較好的可溯源性，另外，該控制系統(tǒng)具有生產(chǎn)報表生成模式，可高自由度與煉鋼廠管控系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)了VD爐新工藝進(jìn)入煉鋼廠整個工藝流程序列，便于生產(chǎn)流程管理、控制和監(jiān)控。實(shí)踐證明，基于西門子PLCVD真空爐自動控制系統(tǒng)能夠圓滿的完成實(shí)時控制現(xiàn)場裝置，完成各種規(guī)定操作，設(shè)備穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，性能可靠，完美體現(xiàn)了西門子系列PLCS7-300在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足現(xiàn)代化集中管理需求。