梅鋼高爐爐前自動化升級

翟玉龍 吳建華

(寶武集團梅山鋼鐵公司煉鐵廠 南京210039)

1 前言

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

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先導閥手柄、一邊通過閥站玻璃窗口觀測現場，才能完成。在當前的社會背景下，考慮爐前高溫工況、環境等影響，這種操作方式落后，勞動效率低，安全性差[1]，不利于大型企業的長期發展。為了降低爐前工的工作強度，提高勞動效率，提升高爐設備整體的自動化控制水平，對爐前液壓系統進行升級改造。同時，優化改進現場液壓管路，安裝旋轉接頭，消除跑冒滴漏對環境的影響，提高液壓系統的整體使用性能。

2 爐前主要設備配置

梅鋼煉鐵廠五號高爐系統于2012年6月2日點火投產，高爐有效容積為4070m3，年平均利用系數為2.2 t/(m3.d)，年產煉鋼鐵水約327×104t/a。主要技術經濟指標見表1。

表1 五號高爐主要技術經濟指標

液壓開口機、移蓋機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、移蓋機、泥炮提供液壓動力源，其中一套故障時可通過切換手動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，每套數量3臺，其中2臺工作，1臺備用，泵流量185L/min，壓力31.5MPa，電機功率：132kW，采用抗磨液壓油ISOVG46/40℃，油箱配套循環過濾、熱交換系統。每個鐵口配置一個閥站，控制對應的開口機、移蓋機、泥炮，每個執行機構對應一個閥組，閥站閥組原理圖見圖1，圖中換向閥1控制泥炮旋轉，換向閥2控制泥炮打泥退泥餅，換向閥3控制開口機回轉，換向閥3控制開口機回轉，換向閥4控制小車進退，換向閥5控制鉆桿旋轉，換向閥6控制鑿巖機振打換向閥7控制夾鉗開閉，換向閥8控制揭蓋機小車行走，換向閥9控制A蓋的升降。原換向閥都是液控換向閥，所有動作由操作工扳動手柄式先導閥實現。

爐前開口機設計采用TMT型全液壓強力開口機，該開口機大臂回轉一步到位對準鐵口，主要技術參數見表2。移蓋機采用懸臂式全液壓移蓋機，具有橫移和A蓋升降兩個動作。其主要技術參數如下：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，僅有轉炮和打泥動作，炮嘴的壓緊動作依靠旋轉機構來完成，打泥油缸工作壓力28MPa，直徑530mm，行程1458mm，轉炮油缸工作壓力28MPa，直徑310mm，行程1386mm。

圖1 閥站閥組原理圖

3 自動化升級內容

3.1爐前設備液壓系統

梅鋼五號高爐有四個出鐵口，每個鐵口一個閥站，各配置一整套開口機、移蓋機、泥炮及控制操作系統。在液壓閥站，開口機、揭蓋機和泥炮的每個動作都對應布置一組液壓閥，保證每個動作可以單獨完成，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、移蓋機、泥炮設備的液壓控制由原有的液控和手動方式升級為電液控制，將原有的相關中間配管進行相應改造，將所有電氣信號送PLC，并加裝遙控操作裝置，使爐前工可以在鐵口現場遙控操作[3]，不再受限于閥站內靠手柄的操作方式。

表2 開口機主要參數

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；閥臺安裝一個手動換向閥，控制減壓后的控制油流向泥炮閥組或開口機閥組。其中，泥炮的動作包括旋轉轉進、旋轉轉退、泥缸打泥和泥缸退泥，改造升級前，旋轉油缸和打泥油缸分別由對應的液動比例換向閥控制，閥臺安裝手柄式先導閥，控制油連通后，操作各手柄實現泥炮各動作。改造后，各閥組的原液動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，其他各控制調節閥繼續使用。手柄式先導閥操作臺拆除，安裝電源控制手動操作臺，配套安裝電氣及自動化PLC控制系統。正常采用遙控器遠程操作，手動模式操作和緊急模式下的操作使用手動操作臺。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先導閥拆除，配管封堵，閥臺其余組件繼續使用。同一閥站內，開口機和移蓋機的閥組中對應的所有換向閥做同樣改進升級,改造后，電液比比例換向閥響應更快，精度更可靠[5]。

四臺閥站的閥組改造升級內容相同，改造液動換向閥、手柄式先導閥及控制油路，實現電液控制，安裝PLC自動控制系統，升級實現遙控器遠程操作。

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

圖2 泥炮液壓控制原理圖1-比例換向閥;2-比例換向閥;3-手柄式先導閥;4-手柄式先導閥;5-手動換向閥

3.2自動化控制系統

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

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

新PLC控制系統沿用AB公司ControlLogix 1756系列，保持與整個高爐控制系統一致。一套系統用于控制北出鐵場1#、2#出鐵口的設備，另一套系統用于控制南出鐵場3#、4#出鐵口的設備。采用冗余的PLC系統設備，兩套冗余的PLC控制系統均采用AB公司ControlLogix 1756 系列, 設PLC主機架，通過冗余ControlNet控制網下掛I/O模塊，其I/O模塊分散設在各現場，共設2個主機架及8個遠程I/O站，兩個主機架裝于同一臺PLC柜。

主機架用于安裝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#遠程I/O站用于接收1#閥站內電液設備的I/O及1#出鐵口遙控器的I/O，單獨成柜，安裝在北出鐵場的1#閥站內；2#遠程I/O站用于接收1#出鐵口泥炮、開口機、移蓋機的手動操作臺的信號，安裝在北出鐵場的1#閥站新增的操作臺內；控制系統主機架與遠程I/O站之間采用冗余的光纖通訊。每個閥站就地設置UPS電源，為操作室內遠程站提供不間斷電源。另三個閥站內的I/O站同樣布置，共計8套。

本系統的網絡結構采用AB公司經典的網絡結構，分為：信息層，自動化和控制層及設備層。信息層，配置交換機1臺，4臺工控機做為信息層的主要設備。自動化和控制層，根據現場工藝設備的布置及其功能特點，采用在現場就地安裝遠程I/O柜的方式。為了保證控制的可靠性，該控制系統CPU及網絡都采用冗余配置。設備層，升級后將各閥站新增的電磁閥均納入到遠程站中。控制流程見圖3。網絡結構，為確保系統的統一性、完整性，控制系統硬件、軟件均選用煉鐵廠一直在用的ControlLogix系列PLC，從而保證整個煉鐵區域控制系統、HMI系統的統一性、完整性。PLC系統的核心控制層采用ControlNet 網絡結構，其通訊的速率可達5M bit/s。

圖3 爐前設備控制流程圖

自動化應用軟件主要包括各個工藝設備的PLC 控制程序，系統監控畫面、流程畫面、趨勢畫面、控制組畫面、報警畫面等。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，并根據操作臺、遙控器信號狀態控制現場設備的相應動作。正常模式下的操作都是基于PLC 系統的操作。HMI畫面程序：HMI畫面程序包括系統監控畫面、流程畫面、趨勢畫面、控制組畫面、報警畫面等。系統監控畫面主要顯示在該系統主要設備的當前狀態，以及當前報警信息。流程畫面描述該系統的主要流程，以及當前的系統的運行狀態。趨勢畫面記錄一些跟工藝有關的重要的數據，以便以后能夠通過這些數據能夠分析出目前操作上的不足，規劃出更合理操作方式，達到使設備最大化為生產服務的理念。控制畫面提供各個單體設備的手動單動窗口。報警畫面提供系統的報警信息，并能追溯該報警的產生時間。提供查詢歷史報警功能。系統具有可拓展性，在條件成熟時，可以把整套系統接入高爐中控生產系統，在高爐值班室實現爐前一鍵操作，在現有的遙控器操作基礎上升級為智能自動作業。

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

4 結論

爐前系統自動化升級后，操作工可以實時觀察現場的溫度、壓力、重量數據，便于遙控操作時實時調整，使爐前作業更直觀；同時自動化系統記錄設備運行狀態，把界面直接接入爐前操作電腦，便于實時監控。通過優化管線布置，大幅減少了現場跑冒滴漏等對現場環境的不利影響。通過改進液動控制為電液控制，配套安裝電氣及自動化控制系統，升級實現了爐前各項作業的遙控操作，現場操作方便、準確，改善了手動扳手柄的操作方式，減輕了操作者的勞動強度，勞動效率得到提高，爐前環境明顯改善。

爐前系統自動化升級已近兩年，實踐表明遙控操作簡單易學，系統安全可靠穩定，提升了高爐設備的自動化控制水平。梅鋼爐前系統自動化升級實踐的經驗，可為兄弟企業設備升級、優化崗位結構、效率提升等提供參考。