孫豐利

(萊鋼設(shè)備檢修中心,山東萊蕪 271104)

萊鋼型鋼3200m3高爐出鐵系統(tǒng)自動控制改造完善與實施

孫豐利

(萊鋼設(shè)備檢修中心,山東萊蕪 271104)

開鐵口機及泥泡是煉鐵廠的一種常用設(shè)備,用來打開鐵口及快速堵鐵口,實現(xiàn)現(xiàn)代化高爐煉鐵。它們的可靠性和使用性能直接關(guān)系到高爐煉鐵的生產(chǎn)效率。為了提高勞動生產(chǎn)率,提高經(jīng)濟效益,在銀山型鋼3200m3高爐爐前自動控制工程的設(shè)計上做了充分長遠的考慮,引進國內(nèi)外先進設(shè)備與先進技術(shù),全面實現(xiàn)爐前開鐵口和堵鐵口的自動控制,以適應(yīng)未來發(fā)展的需要。

自動控制 S7-400PLC

萊鋼銀山型鋼3200m3高爐爐前自動控制系統(tǒng)工程是大型H型鋼煉鐵生產(chǎn)線的重要系統(tǒng)。其智能化、高效化是發(fā)展趨勢所在。在高爐生產(chǎn)過程中爐前是環(huán)境惡劣、勞動強度較大的場合。爐前設(shè)備歷來都是操作人員手動操作,若遠離鐵口則不能近距離觀察,若離鐵口太近則相關(guān)的電氣設(shè)備又無法正常使用,導(dǎo)致生產(chǎn)操作中相關(guān)的一些設(shè)備參數(shù)只能靠經(jīng)驗積累而無量化概念,因此爐前設(shè)備的智能控制配備是很必要的。爐前設(shè)備的智能化指爐前設(shè)備的控制是以PLC(可編程邏輯控制器)為控制中心,通過使用終端(操作臺、遙控器、液壓站等)對設(shè)備實現(xiàn)程序控制、遙控,并能對相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)(如打泥壓力、流量等)進行設(shè)置、調(diào)整、顯示和記錄。智能化控制系統(tǒng)根據(jù)用戶的使用要求、配置狀況,可選擇高、中、低檔幾種方案。本項目改造完善后,實現(xiàn)了一人、無距離限制開堵出鐵口的理想效果。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展方向

(1)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀。該自控系統(tǒng)現(xiàn)采用由西門子S7-400PLC集成控制,通訊通過PROFIBS-DP協(xié)議完成,下設(shè)3個遠程機架、4個遠程操作臺,8個泥炮編碼器、4個遠程液壓站。其中還有8個開鐵口機編碼器通訊是走SSI協(xié)議,由硬線直接連接到遠程機架模板。(2)本系統(tǒng)存在問題。自投入生產(chǎn)以來,通訊網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、液壓站的運行狀態(tài)、閥臺的信號到位以及機械設(shè)備的調(diào)整都存在大大小小的問題,高爐每次出鐵時必須用其打開出鐵口以及封堵出鐵口,它們的性能和效率直接影響到高爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn),為此,我們應(yīng)該在現(xiàn)有自控設(shè)備基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)回路,屏蔽掉干擾信號,增加穩(wěn)壓電源,加裝遠程啟停泵條件,完善遠程遙控信號穩(wěn)定以及和機械人員配合調(diào)整機械位置。這樣才能使爐前操作工擺脫了地域操作限制,隨時隨地的監(jiān)控設(shè)備動作情況,以及更好的完善了網(wǎng)絡(luò),使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。大大提高了操作精度,是高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、高產(chǎn)高效的強有力的保障。(3)國內(nèi)外同行對比。與其他同行業(yè)的高爐爐前自控系統(tǒng)比較而言,這套系統(tǒng)是以可靠性強、操作安全性高、控制系統(tǒng)遠距離人工操作、可編程控制器(PLC)為核心而構(gòu)成的全分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),控制器遠程站之間、控制器與監(jiān)控站、控制器與編碼器之間的通訊數(shù)據(jù)速度快、程序執(zhí)行周期短的特點；通過模塊化編程,運用多種控制操作模式,全面實現(xiàn)了爐前設(shè)備在標準模式、維修模式、遙控模式以及故障緊急模式下的開口及堵口控制,自動控制水平高,已達到國內(nèi)先進水平。

2 研究內(nèi)容與技術(shù)路線,項目的技術(shù)創(chuàng)新點

2.1 項目內(nèi)容與技術(shù)路線

2.1.1 全面實現(xiàn)儀電合一

為了便于管理與維護,電控系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)設(shè)置為三電一體化(EIC)控制,統(tǒng)一由PLC完成其控制功能。其中鐵口開口機系統(tǒng)、液壓泥炮系統(tǒng)所有設(shè)備的參數(shù)及液壓站的部分參數(shù)均引入爐前主控室內(nèi),例如開口機開口壓力、旋轉(zhuǎn)角度、進給速度、泥炮打泥量檢測等關(guān)鍵參數(shù),實時監(jiān)控爐前設(shè)備的每一個狀態(tài),實現(xiàn)了全面EIC一體化的系統(tǒng)。

2.1.2 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)重組

(1)高速以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。本套計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用高速以太環(huán)網(wǎng),以WINCC軟件實現(xiàn)監(jiān)控終端的集中顯示、操作和故障自診斷。主PLC采用以太網(wǎng)模板西門子CP 443-1,此技術(shù)要點是通訊和連網(wǎng)模塊控制從(或至)CPU的數(shù)據(jù)傳輸,獲得通訊接口的最大靈活性。機架之間通過PROFIBUS協(xié)議通訊,每個機架通過I/O字數(shù)的限制以保證數(shù)據(jù)采集的快速性、實時性。整個系統(tǒng)具有開發(fā)周期短,系統(tǒng)擴展性好,用戶編程方便等諸多優(yōu)點。另外,運用各個鐵口控制器之間的通訊技術(shù),將各設(shè)備的運行狀態(tài)實時傳送給主PLC控制系統(tǒng)進行控制,以便主PLC系統(tǒng)能夠適應(yīng)各鐵口設(shè)備各種運行狀況,運用復(fù)雜性分析控制技術(shù),設(shè)計各鐵口設(shè)備動作的觸發(fā)條件。(2)C腳本技術(shù)開發(fā)。通過數(shù)據(jù)庫組態(tài)、編輯C腳本,在主控室客戶機顯示各鐵口開口機系統(tǒng)、泥炮控制系統(tǒng)、爐前液壓控制系統(tǒng)重要參數(shù)的歷史趨勢,并可隨時打印,大大提高了工作效率和操作管理水平。

2.1.3 PLC與HMI的完美集成

WINCC6．0是一個多用戶實時SCADA軟件解決方案,Microsoft SQL sever 2000被集成在WINCC軟件中,使WINCC提供重要的SCADA功能。另外,WINCC“逢變則報”的數(shù)據(jù)驅(qū)動方式,使其具備超大容量的實時數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)、報警記錄、歷史記錄和報表打印等,形成了友好的人機界面。

2.1.4 全數(shù)字編碼精確測量、定位技術(shù)

在自動化領(lǐng)域,旋轉(zhuǎn)編碼器是一種檢測角度、位置、速度和加速度的檢測裝置。它將輸入給軸的角度量,利用轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量,具有體積小、精度高、工作可靠接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控冶金行業(yè)、機床、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。本系統(tǒng)中大臂前進后退角度測量,小車鉆孔錘擊位置測量均采用了高精度的編碼器測量技術(shù)。其中:大臂前進后退位置測量,小車鉆孔前進位置角度測量,均采用絕對值式編碼器。絕對值式編碼器為每一個軸位置提供一個獨一無二的編碼數(shù)字值,減輕了電子接收設(shè)備的計算任務(wù),省去了復(fù)雜而又昂貴的輸入裝置,電源切除后位置信息不會丟失,保證了數(shù)據(jù)采集的精確性與不間斷性。

由于數(shù)據(jù)傳輸距離比較遠,運用數(shù)字控制技術(shù),我們在模板配置上直接采用西門子編碼器專用模板,直接將數(shù)字信息輸出轉(zhuǎn)換成模板可以接收的二進制數(shù),以便CPU進行最優(yōu)處理。

2.1.5 多種操作方式,實現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制開口堵口

爐前開堵鐵口采用純手動操作、電動操作臺操作、緊急蓄能器操作、電動遙控操作等多種操作模式,緊急蓄能器操作僅在少數(shù)情況下使用,遙控及操作臺操作為電動自動工作。

為了保護開鐵口機及泥炮設(shè)備本身不被燒壞,創(chuàng)造性的實現(xiàn)了快速時間開堵鐵口,其時間嚴格控制在15秒以內(nèi)。設(shè)計思想是通過PLC運算輸出信號給液壓站,液壓站升壓保壓后,做出最快時間參數(shù)的反應(yīng),實現(xiàn)了快速穩(wěn)定的控制開口堵口。

2.2 該項目控制系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點

(1)運用網(wǎng)絡(luò)通訊功能增強控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于改造前通過單CPU下帶20個遠程站,其網(wǎng)絡(luò)通訊為線性結(jié)構(gòu),其控制設(shè)備較多,在長期惡劣的生產(chǎn)過程中,由于硬件模板設(shè)備本身磨損或質(zhì)量問題容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通斷信號不穩(wěn)定現(xiàn)象,致使爐前生產(chǎn)不能按照程序邏輯進行下去,就會影響高爐生產(chǎn)的正常進行。因此,為了增強控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,我們研發(fā)人員在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上做出了重組,程序硬件完成升級處理,即:把原有單CPU帶4個鐵口設(shè)備的線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改為用S7-400PLC帶4套S7-300PLC,每套S7-300PLC即控制一個鐵口設(shè)備工作,并每套S7-300PLC下設(shè)一個液壓站系統(tǒng)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣,有利的避免了網(wǎng)絡(luò)中斷造成的,高爐不能正常開堵鐵口的生產(chǎn)故障。(2)無線遙控器的投入使用。隨著在現(xiàn)代冶煉技術(shù)的發(fā)展進步,現(xiàn)代化大型高爐均采用高冶煉強度、高頂壓的冶煉方法,高爐爐容加大,導(dǎo)致爐墻增厚,爐門變深,至使開鐵口機必須增加開口能力及工作行程。另外,開鐵口機的工作位置處于鐵水噴濺范圍之內(nèi),環(huán)境溫度高400℃,粉塵濃度達6g/m3～8g/m3。在打開鐵口瞬間,噴出的鐵水具有很高的速度,設(shè)備容易被燒毀,操作人員安全也有高風險。鑒于惡劣的工作環(huán)境及苛刻的工藝要求,本次項目通過PLC系統(tǒng)E框架來完成系統(tǒng)控制,采用現(xiàn)場無線遙控器完成,操作人員的遠程及高精確度的操作控制,這樣大大提高了操作人員工作效率和勞動精度,使高爐生產(chǎn)順行穩(wěn)定,出鐵正點率高,為高爐長壽、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗奠定了良好的基礎(chǔ)并產(chǎn)生了巨大的社會效益。(3)故障自診斷報警系統(tǒng)。隨著萊鋼自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展和提高,萊鋼的生產(chǎn)已與自動化系統(tǒng)的正常運行密不可分。為了使整個系統(tǒng)穩(wěn)定順行,我們特別設(shè)計了故障自診斷報警系統(tǒng),為了提高本系統(tǒng)的準確性,我們采用了一些先進的自動控制和人工智能技術(shù)。

由于爐前系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境惡劣,設(shè)備元器件故障率大,參數(shù)特性不穩(wěn)定性,給經(jīng)典故障診斷方法帶來了困難。因此,在故障自診斷報警系統(tǒng)的研發(fā)過程中,我們借鑒了具有診斷速度快、容錯能力強、精度高并基于模糊診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法和專家系統(tǒng)診方斷法的現(xiàn)代智能診斷思想,采用分布式故障檢測診斷結(jié)構(gòu),結(jié)合高爐系統(tǒng)的實際情況給出此系統(tǒng)的故障診斷案。

從本系統(tǒng)的運行情況來看,自動報警診斷的研發(fā)運用使整個爐前系統(tǒng)運行穩(wěn)定,為維護人員重新校驗更換編碼器及處理故障贏得了時間,減少了設(shè)備事故和故障率,有利于高爐生產(chǎn)和爐況的穩(wěn)定,為萊鋼年產(chǎn)千萬噸鋼的生產(chǎn)目標的實現(xiàn)提供了強有力的保障。

3 結(jié)語

萊鋼型鋼煉鐵廠3200m3高爐出鐵口區(qū)域采用計算機控制后,提高了自動化裝備水平,其主要工藝過程的控制,技術(shù)先進,生產(chǎn)指標控制穩(wěn)定,節(jié)能降耗顯著,其它煉鐵廠家采用自動控制提供了參考依據(jù)。同時,由于該爐前系統(tǒng)自動化程度高,有利于減少設(shè)備的故障率、減輕工人的勞動強度,同時在職工的人身安全,環(huán)境保護方面也更有益處。該系統(tǒng)性能可靠,系統(tǒng)在線運行率達100%,軟件設(shè)計完全滿足現(xiàn)場需要,保證了開鐵口、堵口過程的安全,產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益,具有良好的推廣價值。該項目對提高高爐出鐵穩(wěn)定效率及節(jié)能減排具有很好的效果,可應(yīng)用于2000+以上級大型高爐。