李明 （1982-）

男，河南安陽人，工業自動化專業，學士學位，安陽鋼鐵集團公司第一煉軋廠電氣工程師，從事電氣設備維護、維修工作。

摘要：本文介紹了安鋼100噸轉爐自動控制系統的設計方案，闡述了一級自動控制系統的配置和功能，并對系統運行中出現的問題提出了改進方案。

關鍵詞：S7-400轉爐；自控系統

Abstract: The paper introduces the design scheme of  automatic control system of 100t OWF
 in AnYang , and explains the configuration and functions of this system in detail. 
Furthermore, some improvements of this system have been put forward and implemented.

Key words: S7-400 OWF; Automatic System

1 引言

    安鋼第一煉軋廠增建100ｔ轉爐煉鋼工程是安鋼三步走戰略的第一步，于2004年3月26日投產，年設計生產能力120萬噸，生產工藝流程為：65t鐵水罐——900ｔ混鐵爐——100ｔ轉爐——100ｔLF爐——板坯連鑄機——中板軋機，主要設備包括：100ｔ頂底復吹轉爐、爐外精煉、輔助部分包括上料系統、一次煙氣除塵系統、二次除塵系統等。

    系統配備了先進的自動化控制系統（一、二級計算機控制系統），對煉鋼生產進行自動控制和過程控制，同時對冶煉和精煉過程進行檢測，實現各個鋼種的最佳工藝控制。

2 系統組成

    轉爐自動控制系統基礎自動化采用了以PLC+PC為基礎、儀控電控為一體（即儀表、電氣控制共用PLC和監控站）的分散型控制系統，主要完成對設備的控制、計算、聯鎖等功能，同時在各個控制站設有人機界面（MMI）顯示器，集中顯示設備的各種狀態和鋼水溫度、重量、成分等各種工藝參數。

    主要設備包括：

    （1）轉爐系統由6臺S7-400 PLC組成主干環網，使用CP443-1模板、四臺OSM、光纖與雙絞線等設備，建立工業以太網網絡；六臺PLC分別為復吹、氧槍傾動、汽化系統、上料系統、投料系統和二次除塵系統。

    （2）操作員站、工程師站、OPC服務器等計算機通過以太網卡、CP1613等連接至OSM上，安裝有STEP7、WINCC等軟件。

    （3）現場總線為PROFIBUS-DP網絡，由PLC Dp口（CPU 416-2 DP）、CP443-5 Ext、圖爾克遠程站模板構建；六個系統有各自的DP網絡，遠程站為各現場操作箱、接線箱、變頻器等。遠程站數目少的為兩處；最多的為氧槍傾動系統，有三路PROFIBUS-DP總線，共計三十余處遠程站。

                                          圖1   控制系統示意圖

3 自動化系統

3.1 一級自動化主要功能

    （1）氧槍傾動系統。爐體傾動功能完成，是由PLC控制四臺變頻器驅動四臺75kw交流籠型電機，通過減速機，使轉爐可以360度旋轉；電動機端部均裝有測速編碼器，反饋轉速給變頻器，構成閉環控制；為保證四臺電機轉矩同步，四臺變頻器組成SIMOLINK環，由一號或二號為主；四臺電機平時全部投用，但允許使用三臺工作，這樣當一臺設備有故障時，生產不受影響；四臺抱閘液壓推桿裝置由變頻器控制打開，保證制動功能可靠；轉爐耳軸處裝有角度編碼器，實時給出爐體角度，其值可通過0度機械限位來校正，編碼器使用圖爾克的終端設備，作為一個遠程站在DP網上。

    氧槍有橫移和升降運動功能；氧槍的高度檢測與控制是轉爐設備的核心，有三套裝置：編碼器、凸輪開關和機械限位；凸輪開關使用不便，每次換繩都需調整，而調整過程又比較繁雜，所以通常使用編碼器控制，它不僅可靠、使用方便，還能給出連續量變化的高度值；氧槍編碼器使用圖爾克的終端設備，作為一個遠程站在DP網上，在STEP7程序中設計，可使用機械限位對其進行校正；氧槍升降電機為一臺75kw交流電機，由一臺西門子變頻器驅動，同樣裝有測速編碼器；氧槍升降電機的抱閘控制更嚴格，必須給出預轉矩后才能打開。

    電氣連鎖，首先是爐體傾動與氧槍高度的連鎖，氧槍在爐內絕對是禁止搖爐的；同樣爐體是否垂直也限制氧槍是否可以下降。氧槍下降至開氧點，氧氣閥門即自動打開，選擇濺渣模式時氧槍到達開氮點，氮氣閥門就自動打開；當生產條件不滿足時，氧槍不能下降。條件包括電氣條件和工藝條件：電氣條件是設備本身是否上電是否正常等；工藝條件就比較多，如氣體壓力、流量，煙道、氧槍的冷卻水是否正常，鋼絲繩是否正常，煙氣風機等；在冶煉過程中如果出現異常情況，PLC程序內有緊急提槍功能，保證人身及設備安全。

    （2）頂底復吹系統。此系統PLC（遠程站）有大量模擬量模板，檢測各氣體、液體流量壓力等，給出正常信號；收到傾動PLC給出的生產指令后，打開相應閥門。頂吹即氧槍的氣體閥門、水閥門等的控制，底吹是指爐底接有六個支管，吹出氬氣或氮氣保證冶煉時充分攪拌。

    （3）汽化系統、除塵系統。轉爐冶煉時產生大量煙氣，由汽化除塵系統設備除去。有一文、二文、汽包、除氧器，電氣主要是六臺供水泵和循環泵使用有兩臺西門子變頻器、四臺軟啟動設備，其它為眾多閥門如等處閥門，閥門使用常規電氣控制；終端為6kv一次風機兩臺一用一備。二次除塵系統與汽化系統不同的是，它主要除去來自上料、投料、爐口等處的灰塵，沒有有害氣體，有一臺2000kw風機，有布袋除塵器設備。

3.2 網絡構建

    交換機使用西門子產品OSM TP62，可以連接六個以太網口，兩個光纖口，光纖連接可達3000米，多個OSM最遠距離150公里，可以監視網絡狀態并可輸出報警。根據技術資料，含有50個OSM的以太環網，當冗余管理器檢測到兩側網絡斷線時，它重建網絡結構的時間不大于0.3秒；使用交換機的port7和port8兩個光纖口，連接成環網，同時把某一個OSM設置為冗余管理器，實現了冗余控制。

    PLC機架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 連接工業以太網的模板，支持多種協議的通訊，工作穩定可靠，根據技術資料可最多連接48個s7連接或最多64個TCP連接等。

    在各個Profibus-DP網絡，PLC為主站，從站為遠程IO站操作箱、變頻器、編碼器等。設計原則是充分利用分布式現場總線網絡靈活、方便、節約資金的優點，同時盡量避免其缺點，那就是在網絡中出現通訊故障易導致相當多一部分設備不能工作。

3.3 MMI（人機界面）系統與OPC服務器

    一級自動化級的MMI為五臺工業PC機，工控機上使用CP1613或普通以太網卡，安裝WINCC監控軟件。操作人員通過畫面輸入有關工藝操作數據，向PLC下達控制命令。另外，MMI通過PLC可采集生產過程中的各種檢測數據，并以數據文件或生產流程圖等形式在CRT上顯示，用于監視生產過程和設備運行狀態，還可對生產過程中的數據進行報表打印和事故報警打印，存儲主要工藝參數的歷史趨勢圖等功能。

    Opc服務器安裝simatic net軟件，通過網絡讀取PLC中變量信息，再用VC做成第三方軟件實現監控和報表功能的功能，完成物流跟蹤。可同時安裝另一塊網卡連接辦公網，實現生產信息的發布與交換。

4 系統改進

    安鋼100噸轉爐自控系統技術先進，達到了國際90年代先進水平，但有部分設計不合理，運行不平穩，電氣設備故障時有發生。為此經過摸索實踐，進行了改進。主要有：

    （1）現場總線通訊系統改造。由于現場環境惡劣，而設計現場總線過長，容易造成現場總線系統的通訊故障。通過增加CP443-5模板,優化、分散所帶通訊節點，或把關鍵站點如搖爐操作臺、傾動變頻器、編碼器等單獨列出，以達到保證關鍵設備可靠使用的目的；對個別操作箱由于設計安裝位置不合理，環境溫度高，粉塵大，容易造成圖爾克模板損壞的問題，根據實際情況進行了移位整改。改造完成以后，現場總線減少了長度，布局也更合理，同時加強了線路的防護，大大減少了故障率。

    （2）完善張力控制功能，改造提升系統抱閘。

    當氧槍運行時，如鋼絲繩張力≥4.2噸或張力≤0.8噸時,氧槍自動停止，檢查氧槍系統沒有問題并且進行復位后，氧槍才能操作運行。但復位后如果張力仍未恢復正常，只能運行10秒時間；而且張力異常時，我們采取的是自動封鎖氧槍變頻器輸出而不是斷電保護。

    轉爐氧槍提升系統抱閘原設計為單個液壓抱閘，在使用過程中易出現因液壓抱閘磨損或調整不到位等因素而發生下滑溜槍現象，改造方案是增加一套液壓抱閘，但控制系統仍由原來一套控制系統完成，這樣可以動作同步并且安全可靠。

    （3）其他。經過一段時間運行，根據需要，我們對系統監控畫面主要是WINCC項目進行了完善，增加了一些監控畫面和趨勢畫面，方便了生產和維護人員；另外根據生產管理的需要，進行了氧槍吹煉耗氧、耗氮、底吹氬、散裝料等的計量功能完善，為目標成本管理提供了準確的數據。

5 結束語

    該自動控制系統投運以后，提高了生產效率，大大降低了工人勞動強度，提高了產品實物質量，特別是我們針對其運行中的缺陷進行改造以后，更加提高了設備作業率，降低了熱停時間，為年產150萬噸奠定了良好的設備基礎。 

    其它作者：

    王嵐瀟（1975-），安陽鋼鐵集團公司第一煉軋廠電氣工程師，從事電氣設備維護、維修工作。