淺談電氣自動化技術在冶金行業中的應用

賴友釗

0 引言

隨著我國冶金工業的迅速發展，尤其是近幾年大型鋼鐵聯合企業中鏈式生產工藝的興起及設備智能化程度的不斷提高，對冶金企業供電能力和供電質量提出了更新、更高的要求。為了適應冶金行業電氣自動化發展的需要，冶金電氣自動化系統越來越重要。冶金自動化的發展日新月異，各種儀器儀表和自動化設備提高了冶金工業的效率和質量，客戶對鋼材的品種、規格等需求越來越多樣化，對產品的質量和交貨期要求也越來越苛刻。冶金生產過程的自動控制包括對采礦、選礦、冶煉、澆鑄、軋材等主體生產過程和供水、電、熱、氧、氣等輔助生產過程的控制。冶金企業應按自動化要求進行設計并具體實施，考慮人體的特點、能力和限度，采用星型網絡拓撲結構代替總線型結構，用交換機將網絡劃分為若干個網段。以太網交換機由于具有數據存儲、轉發的功能，使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩沖，不再發生碰撞，降低了所有網段和主干網的網絡負荷。下面就談談自動化技術在冶金行業中的應用。

1 冶金行業電氣自動化技術的內涵

冶金行業電氣自動化技術專業是培養具有一定的電子技術、微機控制技術和計算機網絡技術的基礎知識，熟悉并掌握常用電氣設備的工作原理，掌握應用計算機技術實現電氣控制的基本原理和方法的應用型高級職業技術人才，用機械、電氣及電子設備，按預定程序使冶金行業生產過程的操作、控制和監視，能夠在無人（或少人）直接參與的情況下，按預定的計劃或程序自動地進行運轉。它擔負著自動檢測設備的狀態、發出擬定的報警信號、執行自動操作等任務［1］。

2 工業以太網在冶金自動化系統中的應用

工業以太網是指技術上與商用以太網兼容，但在產品設計時，材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性甚至本質安全等方面能滿足工業現場的需要。目前，可視化技術以及監控系統的發展為冶金行業提供了更多的便利。由于高爐的封閉性，儀表檢測的重要性就尤為突出。測試技術、計算技術、圖像處理技術、模型化的發展、多媒體虛擬技術把本來模糊的過程變得更加透明與可視化，方便了工作人員的實際操作過程。按功能層次，冶金自動化系統可分為基礎自動化系統、過程控制系統、生產管理控制系統、企業信息化系統4個層面。主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可以采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

2.1 冶金基礎自動化系統

基礎自動化系統的計算機控制以PLC、DCS、工業控制計算機為代表，是對現場冶金自動化設備的控制。PLC加強了回路控制功能，DCS也在順序控制功能方面得到很大改善。在冶金流程中，PLC控制仍占主要地位，是最基礎的自動化控制系統。

2.2 冶金生產管理控制系統

工業以太網中的網絡結構和網絡通訊是自動化控制系統中的核心部分，冶金流程的全息集成。冶金企業逐步認識到MES（制造執行系統）的重要性，在綜合應用運籌學、專家系統和流程仿真等技術，協調生產線各工序作業，進行全線物流跟蹤、質量跟蹤控制、成本在線控制、設備預測維護等方面取得了初步成果。每一級的工業以太網都可以采用不同的結構，如環形結構、樹形結構等。實現鐵—鋼—軋橫向數據集成和相互傳遞，以及管理—計劃—生產—控制縱向信息集成。

2.3 PLC和HMI之間的以太網通訊

上位機監控軟件種類比較多，PLC與HMI之間的通訊比重也比較多。上位機監控不同的產品導致與PLC的通訊協議也不盡相同。大多數上位機監控軟件都有一個共同的標準OPC接口，PLC和HMI之間的以太網通訊都可以采用OPC進行通訊。通信速率從10M、100M增大到如今的1 000M、10G，使用VC、VB等編程軟件開發監控界面和西門子PLC直接進行TCP通訊，降低了所有網段和主干網的網絡負荷。

工業以太網技術展示出來“一網到底”的工業控制信息化美景，它可以一直延伸到企業現場設備控制層，工業以太網已成為現場總線中的主流前沿技術［2］。

3 繼電保護在冶金自動化系統中的應用

隨著冶金企業生產規模的不斷擴大，設備自動化程度逐步提高，微機繼電保護將得到更加廣泛的應用。微機繼電保護是指以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。它實質上是一種依靠單片機智能地實現保護功能的工業控制裝置。冶金供電系統的低壓短線路中，對時限的要求可以適當放寬，但造價應該低廉。采用的新型導引線方向縱聯保護，由于僅向對側傳輸高壓（AC220 V或DC220 V）數字閉鎖信號，只需在兩側間鋪設一條普通的四芯屏蔽電纜，以保證接觸良好。鋼鐵冶金企業屬一類負荷，其電氣系統需要與工藝系統或DCS系統相配合，對產品的靈活性要求也很高。保護測控產品采用RCS-9600CS系列的裝置，按面向對象的思路進行配置，包含適用于110 kV的變壓器保護。

4 傳感器在冶金自動化系統中的應用

傳感器就是能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的一種檢測裝置，簡單說傳感器就是將外界信號轉換為電信號的裝置。傳感器由敏感組件和轉換組件組成，能夠滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，是實現冶金工業自動檢測和自動控制的首要環節。

4.1 壓力傳感器

壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。根據壓力的變化轉變為電流或電壓的變化，在煤的裝運和高爐的上煤處都用到壓力傳感器，實現對用煤的統計和上煤的測量和控制。

4.2 溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，用來檢測和控制鍋爐爐體的溫度和高爐爐體的溫度。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。在自動化生產中常常利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如在冶金中鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度以及各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。

4.3 流量傳感器

流量傳感器是指能感受流體流量并轉換成可用輸出信號的傳感器。通常在保護流量值不要求精確的地方使用，即用于水管內的水流突然中斷的斷流保護。流量傳感器主要應用于鍋爐中送風管道、蒸汽管道、給水管道等，以測量流體在管道中的流量和流速。在流量傳感器中，測量管內的導電介質相當于法拉第試驗中的導電金屬桿，上下兩端的2個電磁線圈產生恒定磁場，有導電介質通過時，就能夠產生感應電壓。傳感器應避免在架空非常長的管道上安裝，因為長時間使用后，傳感器的下垂作用易造成傳感器與法蘭間的密封泄漏，若不得已要安裝時，必須在傳感器的上下游2D處分別設置管道緊固裝置。流量傳感器常與流量顯示儀、壓力變送器、溫度變送器等配套合成為流量計。流量傳感器是高精度、高可靠性和使用壽命長的流量儀表，便于檢測和控制，管道內無可動部件和阻流部件，測量中幾乎沒有附加壓力損失。流量傳感器把鋼鐵在冶煉環節當中所需要采集的信號較為完美的結合在一起，實現了在冶金自動化的順序控制、過程控制、傳動控制以及運動控制，提高了冶金自動化系統的性能。

5 結語

總之，自動化技術迅猛發展，各種儀器儀表、自動化設備提高了冶金工業的效率和質量，也提高了鋼鐵冶金生產的安全性。將“無人工廠”或“準無人工廠”的概念引入冶金行業，實現全車間無人化，節省了大量的人力，降低了成本，提高了經濟效益。數學模型和人工智能相結合，軋鋼工藝控制和管理相結合，實現了生產過程的優化和高品質化，從而提高了我國冶金工業的經濟效益和綜合競爭力。

［1］陳洪峰.國內電氣自動化發展狀況與趨勢［J］.科技創新導報，2009（1）

［2］李寶誠，高巍，陳飛.談鋼鐵冶金自動化系統的現狀和發展方向［J］.科技促進發展：應用版，2010（12）