KR鐵水預處理過程控制系統設計與應用

陳 峰，陸 程，陶 雷，原鵬斌，孟 旭，陳剛剛，郭名一

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京100071;2.江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰214400）

1 引言

KR鐵水預處理是煉鋼的一道重要工序，在轉爐冶煉前，鐵水中的硫需要從鐵水中除去，用低硫鐵水進行煉鋼。意義在于：降低轉爐冶煉成本，縮短冶煉周期，延長爐齡，提高各鋼種的內在質量［1］。

2 KR法鐵水預處理工藝特點

圖1 KR鐵水預處理系統工藝圖

KR攪拌脫硫法是日本某制鐵廠于1963年開始研究，1965年應用于工業生產的一種鐵水爐外脫硫技術［2］。脫硫方法是以外襯耐火材料的脫硫攪拌器侵入鐵水罐內進行旋轉攪動鐵水，使鐵水產生漩渦，將經過稱量的脫硫劑由給料器加入到鐵水表面，并被漩渦卷入鐵水中，與高溫鐵水混合、反應，達到脫硫目的。

如圖1所示為KR鐵水預處理工藝圖。主要控制設備有鐵水罐車、攪拌升降小車、攪拌頭、活動煙罩、升降溜槽、氧化鈣料倉、料斗以及噴吹閥等。

3 工藝控制系統要求

KR鐵水預處理過程及動作順序如下：①由吊車將裝有鐵水的鐵水罐吊起，運至停在吊罐位的鐵水車上；②開動鐵水車，進入到處理工作位；③開動渣罐車到工作位；④鐵水車傾翻，測溫取樣，扒渣處理；⑤升降攪拌小車液壓系統啟動，升降小車夾鉗松開；⑥升降攪拌頭小車下降到攪拌位，升降小車夾鉗夾緊，液壓系統停止；⑦活動煙罩下降，攪拌頭低速旋轉10s；⑧升降溜槽下降，攪拌頭高速攪拌；⑨料斗給料機運行，料斗流化閥打開，噴吹閥打開；⑩料斗空信號達到時，延時3s關閉流化閥，延時10s關閉噴吹閥；11○攪拌時間到達時，停止攪拌，活動煙罩、升降溜槽、升降攪拌小車均回到待用位；12○鐵水車傾翻，測溫取樣，扒渣處理；13○鐵水車復位，開到吊裝位，處理完畢。

4 系統硬件設計

4.1 供配電系統設計

根據該區域內所有設備工作過程、電機容量等相關因素，為每一個用電設備提供了供電控制回路。鐵水車、渣罐車、攪拌頭3個設備在動作工程中速度可以調整，設計時為該3個設備供電回路考慮了變頻器控制。

電源柜進線短路器容量計算時，根據如下計算公式得出：

4.2 自動化系統設計

自動化部分設計方案：①PLC主站選用S7-400系列PLC（414-2DP CPU）；②分布式I/O選用了模塊化的ET200M DP（153-1 DP接口模塊）從站；③網絡設備中主干網為以太網通訊，設備選用了具有2個光纖接口，6個RJ45接口的OSM光纖交換機。子網部分為PROFIBUS DP網絡通訊；④設置操作員站（HMI）2臺，工程師站1臺；⑤為防止儀表與PLC之間距離過遠導致信號不準確等問題，PLC柜的遠程站均放置在現場操作平臺上。如圖2所示為KR鐵水預處理網絡拓撲圖。

5 系統軟件設計

系統軟件設計可分為監控站（CRT）畫面軟件設計和PLC程序軟件設計。

圖2 KR鐵水預處理網絡拓撲圖

5.1 監控站（CRT）畫面軟件設計

監控畫面軟件開發設計平臺為WinCC 6.3軟件。HMI畫面監控軟件開發過程，可分為以下幾個步驟：①網絡組態:為畫面編制的第一過程，PLC與HMI之間的通訊是靠以太網實現的。首先選擇通訊模式TCP/IP模式，然后選擇計算機內部的通訊網卡（計算機內可能存在2個或以上的網卡，要選擇與PLC通訊使用的網卡），然后輸入PLC的IP地址；②TAG的建立:為HMI開發的基礎，因為所有監控設備的動作或顏色變化均是靠TAG的值來顯示的。TAG與下一節中的PLC編程使用的TAG，有著很大關系，一般來說，PLC和HMI的TAG同時建立；③畫面編制及動畫制作:要求完全顯示工藝設備的運行狀態，如有報警情況必須及時提示給操作人員，方便處理。

5.2 PLC程序軟件設計

5.2.1 硬件設備組態

根據PLC所選硬件設備，進行了相應得硬件設備組態。包括：①S7-400主站1個，主站包括CPU模塊、443-1以太網通訊模塊；②ET200M遠程站8個；③IO點地址分配：

檢測方法包括標準方法和非標準方法．每個項目往往有多個方法，每個方法的靈敏度、適用范圍及適用目的都有所不同．此系統將環境檢測通用的標準方法以其使用條件、使用目的、靈敏度和檢測范圍等特性進行分類，形成檢測方法信息數據模塊．使每個項目檢測方法的選擇和使用規范化、標準化、快速化．

5.2.2 網絡組態

雙層網絡設備，第一層PROFIBUS DP網絡，第二層工業以太網。如圖3所示為STEP 7網絡組態畫面。

圖3 STEP 7網絡組態畫面

①新增以太網。CPU本身不具有TCP/IP通訊功能，實現以太網通訊功能的是模塊6GK7 443-1EX11-0XE0。選擇新增以太網Industrial Ethernet（1）；②為 CPU分配以太網 IP地址。IP:192.168.2.141,網關:192.168.2.1；③與其它 CPU 系統組成一個網段。將其它系統的CPU也加入到Industrial Etherne（1）網段，以便實現 CPU 之間以太網通訊；④新增PROFIBUS DP網。DP接口為了連接ET200M遠程站使用，實現控制系統的完整性，S7-400處理器，S7-300模塊的遠程站。DP網絡接口，是使用CPU處理器本身的DP接口（6ES7 416-3XR05-0AB0）。

5.2.3 程序結構分配

根據工藝要求，本次軟件程序設計使用了OB組織塊12個、FC功能塊51個、DB數據塊21個。如表1所示為主要FC功能塊說明。

6 過程控制系統設計

6.1 主要設備控制程序

根據工藝需要和設備之間連鎖關系，主要設備控制程序可分為現場手動控制程序和監控站(CRT)控制程序兩部分。現場手動控制程序是指，在設備檢修情況下或設備調試期間（非正常生產情況），由操作人員在現場對單體設備進行操作，不考慮設備之間的連鎖。監控站（CRT）控制程序是指，操作人員在監控站上進行生產操作，現場無人值守，設備運行情況是依靠現場的限位開關和電機控制回路等條件進行判斷，考慮設備之間連鎖關系。

表1 主要FC功能塊說明

6.2 鐵水罐車行走、傾翻控制

鐵水罐車行走、傾翻控制，設現場操作箱本地控制和監控站（CRT）集中控制兩種方式，由設在現場操作箱上的選擇開關進行切換。

行走連鎖條件：①鐵水罐車電機、變頻器、液壓泵、液壓冷卻器、液壓加熱器、電纜卷筒等無故障；②鐵水罐車行走中，升降溜槽裝置必須處于上限位；③升降攪拌裝置必須處于檢修位或待用位；④活動煙罩必須處于上限位；⑤鐵水罐車行走中，鐵水罐必須落位。

傾翻連鎖條件：①鐵水罐車已在工作位上；②扒渣煙罩下降到位；③攪拌提升小車在待用位；④渣罐車已在工作位；⑤鐵水罐車液壓泵已起動。

6.3 攪拌旋轉系統控制

攪拌旋轉系統，設現場操作箱本地控制和監控站（CRT）集中控制兩種方式，由設在操作箱上的選擇開關進行切換。

集中控制：在操作箱上選擇集中操作模式，在監控站（CRT）畫面上按（1）設定高速攪拌時間（單位min），低速攪拌時間（單位min），高速旋轉速度（r/min），低速旋轉速度（r/min）（高速、低速旋轉速度可以在攪拌旋轉裝置運行過程中進行時時調整）；（2）是“旋轉起動”按鈕，變頻器以低速攪拌速度起動，旋轉2s后，進入高速攪拌，高速攪拌時間到達后，旋轉進入低速攪拌，低速攪拌時間到達后，停止攪拌（如需要攪拌過程中停止攪拌，直接按“旋轉停止”按鈕即可）。

連鎖條件：①旋轉電機、變頻器、冷卻風扇、鋼絲繩張力檢測等無故障；②攪拌升降小車在工作位；③煙罩在工作位；④液壓裝置夾緊到位；⑤鐵水罐車在工作位；⑥攪拌頭冷卻電磁閥無故障。

6.4 脫硫劑使用量設定

根據工藝條件和操作需要，脫硫劑使用量的設定采用手動設定和自動計算兩種方式。

手動設定：在監控站（CRT）上選擇數據輸入頁面，選擇數據來源“手動設定、自動計算”為手動設定，在設定值輸入框內直接輸入脫硫劑使用量。

自動計算：在監控站（CRT）上選擇數據輸入頁面，選擇數據來源“手動設定、自動計算”為自動計算，PLC根據實驗室傳來的數據進行數據計算，程序將按下面的公式計算出脫硫劑的使用量：

式中，G為脫硫劑使用量，kg；R為脫硫劑活性度（常數，＜1）；T 為鐵水溫度，°C；N1為鐵水含硫量，%；N2為目標含硫量，%；W 為鐵水重量，t。

參數中，R為人工設定，T為處理前鐵水溫度，N1、N2參數經化驗室通過L2數據網絡傳送到PLC，W為鐵水罐車車載傳感器重量數據（剪掉鐵水車皮重）。

7 結束語

本套KR鐵水預處理系統采用電儀一體化設計方案，從低壓元件、現場檢測設備、PLC系統都是先進的、可靠的、運行穩定的。實現了工藝控制要求，克服了KR區域工作粉塵濃度大、溫度高等不利的環境因素，現場手動控制程序使得設備檢修、維護服務方便簡捷。該系統自2008年10月投運后，鐵水脫硫效果明顯，電控系統工作穩定、運行可靠，為企業創造了很高的生產效益。