鋼包爐底吹系統的自主開發

錢 輝，連麗珍，宋志華，高幫國

（武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武漢 430083）

一、系統現狀分析

武漢鋼鐵股份有限公司某廠二號鋼包爐原底吹系統采用BronkHorst公司的一體式流量檢測控制設備完成底吹流量調節。該設備調節功能集成在設備中，采用總線方式接入Profibus網絡，將信號送入PLC。

由于鋼包爐采用電弧加熱，加熱裝置大電流動力電纜及電弧均產生強磁場，對總線設備有強電磁干擾，經常引起設備掉網。調節設備掉網后，閥門全關，底吹中斷，引起鋼包爐透氣磚阻塞，減短鋼包使用壽命，并且造成鋼水質量降低改判等，經濟損失巨大。另外，調節系統對于現場工況適應性差，受供氣壓力流量和雙工位同時使用等因素影響，經常出現頻繁上下波動，波幅較大，給生產和精煉鋼水質量造成很大的影響。由于裝置不能滿足多工況需要，且無法進行修改，故自主開發了鋼包爐底吹調節控制系統。

二、控制目標

在鋼包底吹攪拌過程中，如果鋼水吹氬流量過大會吹穿液面而發生噴濺，致使鋼水裸露氧化，夾雜物增加。流量過小，不能快速地攪拌,無法達到去除有害氣體和充分攪拌鋼水的目的。因此，對氬氣流量控制的精度將直接影響鋼水的純凈度和質量。

在正常攪拌過程中，操作人員將根據鋼水在不同階段的攪拌要求，對攪拌氣體流量隨時進行調整，達到最佳的底吹效果。氣體流量可以在人機界面進行設定，PLC程序將實時處理從現場流量檢測設備采集回來的數據，將實時檢測數據與溫度、壓力等環境參量通過數學模型聯合運算后得出準確的實際氣體流量。依靠PID控制程序將設定值和實際值的差值轉換為流量控制閥門的動作模擬量，從而實現對流量的精確控制。最終流量偏差可有效控制在±5%以內，滿足多工況應用并確保品種鋼的生產質量。滿足鋼包底吹率由80%提高到100%。由于底吹流量不穩造成透氣磚的堵塞罐次量基本消除，從而減少透氣磚堵塞造成的經濟損失。

三、實現方法

考慮到備件和設備運行等問題，選用國產調節控制設備做替代，接入原管道，由于其特殊工況環境，選用安全防爆型設備，按照電磁防護等級標準敷設電纜。利用原有控制PLC機架，增加I/O控制模板接入系統，實現控制功能。

1.外部設備

鋼包底吹控制系統的管路由兩條正常支路和事故支路共三條支路組成。當底吹系統正常工作時，氬氣由正常支路經過流量調節后吹入鋼包內，實現底吹功能；當透氣磚發生堵塞時，系統切換到事故支路，加大氬氣壓力，強行吹開堵塞的透氣孔，保證底吹能夠正常進行。

底吹系統為了能夠達到流量的精確控制和最大程度地保障生產正常進行，對現場流量支路進行了冗余設計，使用了雙流量控制回路。兩條流量控制支路在生產中同時使用，在其中一條支路發生故障時，可以立即調整另外一條支路的流量設定值，滿足生產工藝需要的總氬氣流量。

系統中正常流量控制支路由過濾器、流量調節部分、壓力檢測部分、輸送管道和放散管道等組成。另外，底吹系統在逆止閥和快速接頭之間安裝了放散切斷閥門。在每次系統底吹結束后，放散閥門自動開啟，將殘留氣體放空，防止在操作人員拆卸鋼包快速接頭時管道內殘留的高壓氣體沖出，能有效地保障人身安全（見圖1）。

2.控制系統設備

本系統采用S7 400主站掛IM153擴展機架的方式進行硬件配置，利用300型模板進行數據采集，具有優異運算性能的CPU419進行數據處理和邏輯運算，使用CP443實現網絡通信進行數據交換。這些數據包括與其他系統PLC間的過程數據以及控制數據。PLC與二級機間的數據交換，也由CP443通過工業以太網完成。底吹系統檢測設備通過硬線接入I/O遠程模板采集信號，擴展機架均通過DP電纜通過PROFIBUS網絡接入系統，節省了布線所需大量電纜。避免線路過長產生干擾。

3.軟件介紹

本系統采用Siemens公司Step7軟件作為下位機組態工具軟件。上位機采用Siemens公司的WinCC軟件進行開發。

四、下位機組態

1.系統硬件配置

控制系統的主機站使用的是Siemens公司S7 400系列，為了節約成本和減少施工量，設計采用了在就地S7 300系列的擴展機站上增加I/O通道的方案，通過Profibus總線將數據傳輸到主機站。

2.系統組態

S7系列PLC的系統組態分為硬件和軟件組態兩部分。在硬件安裝完成后，必須在下位機軟件中對硬件進行組態才能正常運行。在圖形化的硬件組態窗口下，按照現場實際硬件配置，從設備列表中選取相應型號的機架、模板和可分布式I/O等搭建硬件平臺。在組態窗口下，對硬件平臺內的設備進行參數設置，建立可分配參數模板的特性，如啟動特性、保持區等。根據現場控制設備的性能要求，對每個I/O通道的組態參數進行單獨的設置，其中包括定義通道的地址、定義通道的信號類型及定義信號的量程范圍。

軟件組態就是將控制邏輯思想轉換成S7系統能夠執行的程序代碼。在軟件組態窗口中，可以根據控制邏輯在組織塊(OB)、程序塊（PB） 和功能塊（FC）中編寫程序代碼，完成各種控制過程。系統運算處理完成的各項數據都可以保存在數據塊(DB)中，并通過通信功能發送到網絡上。

3.邏輯功能

底吹系統的各種工作狀態均為自動操作，同時操作員可根據攪拌情況在HMI操作站上進行人工干預。

底吹系統的自動控制邏輯主要分為系統啟動、流量調節、停止和事故狀態控制四個部分。啟動部分接收啟動命令，判斷系統是否具備啟動條件；流量調節部分根據工藝流量設定值，自動調節攪拌氣體流量；停止部分接受停止指令，控制系統自動停止底吹過程；事故狀態控制部分是在系統發生故障時，進入緊急控制的過程。下面將詳細介紹每個部分的具體控制邏輯流程。

（1） 系統啟動

圖2為系統啟動過程的邏輯圖。系統在接收到啟動命令后，會對以下4個邏輯條件進行依次判斷。

①事故切斷閥門是否在關狀態，否則將自動發出關事故切斷閥門指令；

②放散切斷閥門是否在關狀態，否則發出自動關指令；

③當攪拌氣體總管的壓力低于0.8MPa時，系統禁止自動啟動；

④系統中的任一設備處于故障狀態，系統禁止自動啟動；

當以上4個邏輯條件全部滿足時，系統發出啟動允許指令，控制邏輯繼續進行下一階段的自動控制，否則自動控制過程中斷。

（2） 流量調節

當系統發出啟動允許后，控制程序會檢查停止命令是否存在。如果存在，系統不會執行流量控制程序；否則，控制系統開始調節氣體流量，鋼包底吹功能正式開始運行。

流量控制程序應用了PID控制原理，根據系統的偏差，利用比列、積分、微分計算出控制量對被調量進行調節。圖3是PID控制的邏輯功能圖，將被調量CTR_VAR和設定值SETPT進行比較得出差值，經過比例、積分、微分作用后的輸出量控制現場調節設備，達到被調量滿足設定值要求的目的。

（3） 系統停止

圖4為系統停止過程的邏輯圖。系統在接收到停止命令后，會依次執行以下兩個動作：

①發出關總切斷閥命令，切斷底吹系統的工作氣體；

②在確認總切斷閥為關狀態后，發出開放散閥命令，排放系統管道中殘留的高壓工作氣體。

以上過程中，設備不能按照系統的指令動作，系統將發出設備故障信號，程序跳轉到停止邏輯的起始端重新執行以上動作。如果設備能夠正常動作，在放散閥門開啟10s后，系統將進入停止狀態。

（4） 事故狀態

底吹系統在工作時，如果調節閥后管道壓力超過正常值達到1.0MPa以上，系統將認為是管道或透氣磚有堵塞現象，自動轉入事故狀態（見圖5）。事故切斷閥將自動開啟，同時總切斷閥自動關閉，保證事故支路的用氣壓力。此時底吹系統用總管道上1.2MPa的Ar氣對管道和透氣磚進行吹掃，強行沖開堵塞的氣路。

在事故狀態控制執行過程中，閥門不能按照要求動作，系統將發出設備故障信息。如果設備全部按程序動作，系統轉入事故狀態（見圖5）。當管道內的壓力恢復到低于1.0MPa時，事故狀態將自動解除。

五、上位機組態

1.HMI與PLC數據交換實現

HMI和PLC使用RJ45網線，通過交換機接入工業以太網。S7 400系列CPU通過使用CP443實現網絡通信進行數據交換。這些數據包括與其他系統PLC間的過程數據以及控制數據。PLC與二級機間的數據交換，也由CP443通過工業以太網完成。

2.HMI設備控制組態

鋼包爐底吹系統HMI通過屏幕下部兩個按鈕工作條進行畫面切換，最底部按鈕條為系統功能分類，底吹系統過程控制在F2類中，點擊進入后，選擇Ladle B stirring進入底吹控制畫面。

該HMI畫面是對PI圖1的描述，操作人員和維護人員可直接在畫面中了解工藝流程控制、現場設備狀態，操作人員可以通過HMI上檢測點數值和設備工作狀態對生產狀況進行監測、判斷，也可以通過HMI上面控制畫面對現場設備進行操作控制，改變工藝設定值，從而滿足不同工藝要求，達到鋼水精煉效果。另外，對于控制量，如流量、壓力、溫度以及相應控制閥門，其相應過程量和控制量趨勢曲線均歸檔在Wincc中，可以隨時調出以供查詢。

3.系統說明

（1）HMI上設備狀態顯示代表的狀態

①HMI上系統設備模式選擇中：A為自動模式，M為手動模式；

②HMI上的切斷閥閥帽顯示為棕色時設備處于自動模式，顯示為灰色時設備處于手動模式；

③主管路的壓力大于600kPa時為正常，HMI上顯示為綠色；壓力低于600kPa時為非正常狀態，HMI上顯示紅色報警；

（2） 系統功能

①系統可以實現鋼包底吹氬和破渣功能，在生產中可以隨時切換兩種功能；

②可以同時對系統中的1#線和2#線進行流量控制調節，流量調節范圍為0～1 250L/min；

③系統停止鋼包底吹功能時，管路放散閥自動開啟，保持10s鐘后自動關閉。

六、結語

LF爐底吹系統是爐外精煉系統重要組成部分，其底吹效果好壞直接影響鋼水品質。本系統解決了原有底吹系統設備掉網問題，現場設備嚴格選型保證其設備特性滿足工藝及現場環境要求。利用原PLC機架，增加少量I/O模板將設備接入系統。采用面向對象方式開發設備控制程序和工藝控制程序。圖形化操作界面及記錄功能為操作人員提供詳實的數據支持。LF爐底吹系統投產以來，運行穩定，雙流量控制回路的設計確保了系統的安全、穩定性，可實現在不同工況下對氣體流量的控制，保證了精煉品種鋼的穩定性。其旁路控制可對鋼包進行高壓吹堵操作，極大程度地延長鋼包的使用周期。對降低生產成本，提高鋼水質量有顯著效果，在降本增效中取得了可觀的效益。