鋼包精煉自動化控制系統的主要功能與創新改造研究

苗利明 常超 杜亞男

（新興鑄管股份有限公司，河北武安 056300）

鋼包精煉爐又稱為LF爐，是目前很多鋼鐵企業普遍采用的煉鋼工藝。LF爐鋼包精煉主要是通過埋弧加熱的方式，在非氧化性氣氛下制造高堿度還原渣；并通過吹氬的方式強化精煉反應，進而去除和減少鋼液中的硫、氧等有害成分，提高鋼液的潔凈度，為生產高品質鋼種提供條件。LF爐鋼包精煉具有投資少、功能強、鋼液潔凈度高的優點。隨著工業自動化控制技術的發展，在滿足鋼包精煉工藝的基礎上，新興鑄管運用自動化控制系統實現了對鋼包精煉各環節工序及其工藝參數的自動化控制。同時結合生產實踐中遇到的問題，對煉鋼環節的自動化電氣設備進行了相應的技術改造。有效提高了煉鋼生產效率，降低了人員勞動強度，提高了產品質量。本文分析了新興鑄管煉鋼車間鋼包精煉自動化控制系統結構組成和功能應用，并對一些創新改造項目進行了探討。

1.自動化控制系統的構成及特點

1.1 自動控制系統的硬件構成及特點

新興鑄管鋼包精煉爐的自動化控制系統采用了西門子S7-400可編程控制器，由基礎自動化和過程自動化兩個控制級組成。基于PROFIBUS DP現場總線和工業以太網構成了完整的自動化控制系統。自動化控制系統的硬件部分主要包括：可編程邏輯控制器（PLC）、工業PC機、打印機、工業以太網及其通訊線纜等幾部分組成。新興鑄管鋼包精煉爐自動控制系統的基礎級采用西門子公司的S7-400控制系統，作為主PLC系統；并由通訊線纜擴展至多個I/O分站。PLC系統主機架到I/O分站（擴展機架）的數據傳輸主要由發送模塊、接受模塊和通訊線纜完成，采用工業以太網進行通訊。S7-400控制系統與現場自動控制單元、變頻器等采用PROFIBUS DP進行通訊。為了提高LF爐自動化控制系統運行的穩定性與可靠性，采用了CPU對CPU的通訊方式建立了LF爐主PLC與電極調節系統之間的通訊連接。新興鑄管LF爐自動化系統具有良好的開放性，整個煉鋼系統中的LF爐、RH爐、連鑄機、結晶器、轉爐以及水系統等，可全部通過工業以太網連接在一起。實現了各生產工序間的通訊連鎖，實時為轉爐、連鑄、質檢化驗等設備和工藝環節提供所需要的數據。以此作為LF/RH備選調用的數學模型，從而實現以上工序之間計算機系統之間的通訊。同時，為了避免因停電等特殊原因造成的系統停止運行和生產事故，自動控制系統還設置有備用電源和UPS電源保護系統，使系統可以在主電源斷電的情況下使用備用電源繼續正常工作30min以上。以便于操作人員采取緊急措施，避免事故發生[1]。

1.2 系統的軟件構成及特點

LF爐自動化控制系統采用Windows7作為操作系統軟件。上位機使用的軟件為西門子SIMATIC，系統的監控與編程則分別采用WinCC和STEP7。WinCC作為一款可供開發編輯的監控軟件，它的靈活性和模塊性為自動化系統的設計和任務執行提供了全新的可能。利用上位機組態軟件WinCC不僅可以將現場數據實時反映在控制室顯示屏幕上，實現對現場數據的在線監控；而且還可通過CRT上的按鈕，來實現對現場設備的遠程操作。此外，WinCC還具有圖形圖像顯示和處理功能和數據庫的相關功能，可將存在里面的數據文件采用數據曲線的方式展示給用戶；用戶可任意選取時間節點，查看該時間段內的工藝歷史曲線圖。從而為生產提供便利[2]。

2.自動化控制系統的主要功能

LF精煉爐電氣系統具有較高的自動化控制水平，幾乎覆蓋了煉鋼生產的每一個環節。包括由合金加料控制系統、電極升降自動調節系統、鋼包走行控制系統、吹氬系統、溫度測量及報警系統、水冷系統和喂絲機控制系統等。這些自動化控制系統分別執行相應的自動化控制功能，并通過通訊線纜將控制信號連接至控制室，從而實現對各環節生產工序的遠程控制和對各項工藝參數的實時監控。

2.1 合金加料控制系統

在煉鋼的過程中加入一些合金，可以改善鋼材產品的某些物理性質，但需要對合金加入量進行嚴格控制。煉鋼生產線LF爐與RH爐共用合金加料系統，兩個精煉爐利用各自PLC的CPU，通過PROFIBUS DP網線建立通訊連接，并通過發送加料信號協調加料生產。比如當RH爐需要加料時，它的系統會向料倉和LF爐發送請求加料的信息，然后PLC再控制加料閥門向RH爐加料。LF爐與RH爐對加料系統的控制權限在上位機上切換。比如當加料系統準備向LF爐加料時，請求加料的信息便會通過RH爐CPU上的DP總線傳到LF爐。系統接受到加料信號并計算料重后，將加料信號發送至RH爐和料倉，由PLC控制料倉電磁閥執行加料操作。

2.2 鋼包車行走系統

鋼包車的行走與調速均有變頻器控制，同時在加熱工位和吊包工位設置限位開關以限制鋼包車的行走位置。鋼包車運行有機旁手動控制和遠程自動控制兩種控制方式，各位置均設有減速、停車、超極限保護開關。為了保證鋼包車安全運行，鋼包車的行走系統、電極升降機構、鋼包蓋升降機構均設置了連鎖保護。當鋼包車行走到設定位置時，才會發送位置信號給連鎖系統，允許升降機構動作。同時，鋼包車會將位置信號發送給連鎖系統，并在中控室HMI監視畫面上顯示。

2.3 吹氬系統

煉鋼精煉爐的吹氬系統采用頂底復吹的方式。由設置在吹氬管道上的流量變送器、壓力變送器和電磁閥來控制氬氣開關以及壓力、流量。電磁波的開閉以及氬氣流量、壓力的調節則根據設置好的工藝要求，按照吹氬曲線自動調節；同時，為了適應特殊條件下的吹氬操作，也可根據需要對流量值進行人工設定[3]。

2.4 水冷系統

水冷系統需要監控的工藝參數主要有總進水壓力、流量。由于水冷爐蓋處于高溫區，所以要保證水的冷卻，在水冷爐蓋的總進水管上也設有流量和壓力傳感器，由HMI進行畫面監控顯示。

3.自動化控制系統的創新改造

（1）連鑄澆鋼操作箱增加拉速鎖定功能。拉品種鋼需要恒定拉速，在生產過程中往往由于信號干擾、電位器質量等原因導致拉速穩不住，嚴重影響鑄坯質量。通過在澆鋼操作箱上增加鎖定開關，修改拉速控制程序。設定好拉速后，把開關轉到鎖定位置，拉速就會鎖定到當前數值，不再受外界的影響。解決了由于拉速波動導致的廢坯等問題。

（2）連鑄中包鋼水高低溫報警系統。溫度是連鑄的生命線，如果發生低溫結瘤或者高溫漏鋼，造成的影響會十分惡劣。在畫面上設定高低溫報警值，在連鑄平臺、精煉爐平臺安裝聲光報警器，可以在第一時間對異常溫度報警，及時提醒連鑄和精煉爐崗位工采取措施，杜絕事故擴大化。自改造完成后，未發生過結瘤停機的情況，創效10萬元。

（3）精煉爐爐臺增加連鑄拉鋼信息顯示屏。利舊兩臺電腦，制作畫面和PLC通訊，能夠實時顯示連鑄拉速、大包和中包重量等信息，有利于崗位工根據連鑄生產信息調整精煉生產節奏。

（4）爐后測溫數據傳至連鑄大屏。連鑄可以對比出鋼溫度和連鑄測溫，如果溫度差距過大，及時跟轉爐溝通，預防結瘤或者漏鋼。如果連鑄來不及測溫，可以依據爐前溫度控制澆注節奏。

（5）電磁攪拌改造。電磁攪拌可以使結晶器里的鋼水攪拌均勻，是拉品種鋼的重要環節。原來經常出現跳閘、電纜過電流燒斷等情況導致電磁攪拌無法正常使用。通過改變電纜路由，改進線圈的接線方式使得線圈電纜不易受高溫烤壞，能夠承受更高的電流。電磁攪拌的正常運行，保證了品種鋼的鑄坯質量。

（6）結晶器自動液面電纜改造。拉鋼過程中經常發生非正常塞棒關閉或者塞棒全開。通過排查是由于結晶器液面檢測受到干擾引起的塞棒誤動作導致。為了能夠解決干擾的問題，利用檢修時間把自動液面檢測信號線重新走線并全程穿鍍鋅管，遠離動力電纜橋架。改造完成后，未發生過類似的故障。