王嵐瀟 劉宇飛 王清云 楊娟娟

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 前言

第一煉軋廠1#精煉爐前稱(chēng)為100 t 電爐LF爐，跟隨100 t 電爐煉鋼工程的配套主體設(shè)備之一，1999 年投產(chǎn)至今。1#精煉爐作為電爐爐外精煉設(shè)備外，還作為緩沖設(shè)備，起到調(diào)節(jié)煉鋼和連鑄生產(chǎn)節(jié)奏的作用，在生產(chǎn)流程中顯得尤為重要。面對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的加重，產(chǎn)品質(zhì)量及工藝的更高要求，控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題逐漸顯露出來(lái)。針對(duì)精煉爐存在的問(wèn)題，不僅對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行了多項(xiàng)升級(jí)改造，而且對(duì)軟件也進(jìn)行了優(yōu)化控制，使得控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)行性大大提高，設(shè)備控制和操作更加簡(jiǎn)單方便，降低了冶煉過(guò)程消耗，減少了設(shè)備事故，提高了生產(chǎn)率，為實(shí)現(xiàn)低能耗精品質(zhì)的生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。

1 1#精煉爐工藝流程及功能

1.1 1#精煉爐工藝流程

1#精煉爐的鋼水平均處理量100 t，最大處理量125 t，最小處理量70 t 的交流鋼包爐，處理周期為 20 ～ 45 min，變壓器容量為 18 MVA。對(duì)于來(lái)源于轉(zhuǎn)爐和電爐的鋼水，盡量做到無(wú)渣出鋼，并在出鋼過(guò)程中往鋼包中加入一定數(shù)量的造渣劑和鋼種所需要的合金料。出鋼結(jié)束后，由吊車(chē)把鋼包運(yùn)至精煉爐鋼包車(chē)上，接通鋼包底部氬氣吹氬，然后開(kāi)車(chē)將鋼水送至LF 爐冶煉位，開(kāi)始下電極送電加熱。在精煉過(guò)程中進(jìn)行測(cè)溫取樣，根據(jù)分析結(jié)果，以適當(dāng)?shù)墓β始訜?，加入造渣劑和所需合金?/p>

通過(guò)約30 min 的精煉，成分和溫度合格后，最后對(duì)鋼水進(jìn)行喂絲處理，以便進(jìn)一步脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等，為連鑄機(jī)生產(chǎn)無(wú)缺陷的鋼坯提供高質(zhì)量的鋼水。

1.2 精煉爐的主要功能

投產(chǎn)以來(lái)，1#精煉爐發(fā)揮了重要的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，完成了鋼水脫硫、去夾雜、脫氧除氣、成分與溫度的精確調(diào)整等任務(wù)，既滿(mǎn)足了對(duì)不同鋼水的質(zhì)量要求，又起到煉鋼—連鑄工藝緩沖。其主要功能是：（1）大氣壓下電弧爐加熱升溫、人工測(cè)溫取樣，最終溫度控制精確，從而優(yōu)化了澆注溫度；（2）底吹氬氣攪拌，使鋼液溫度均勻，成分均勻、純凈；（3）合金微調(diào)，使得成分控制精確，易于實(shí)現(xiàn)窄成分控制；（4）喂絲，使得鋼液脫硫、脫氧，進(jìn)行夾雜物的變性處理；（5）緩沖煉鋼與連鑄的銜接，實(shí)現(xiàn)連鑄連澆。

2 原精煉爐控制系統(tǒng)的組成

2.1 主要控制系統(tǒng)設(shè)備組成

根據(jù)精煉爐生產(chǎn)的要求及其工藝流程特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的主要作用是使用西門(mén)子S5-155U 系列PLC 控制器，對(duì)參與聯(lián)鎖和控制的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控。從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的角度，考慮采用一體化的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以構(gòu)成一個(gè)功能分擔(dān)合理、層次清晰、生產(chǎn)管理、過(guò)程控制為一體的安全高效的控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)提供必要的中心基礎(chǔ)。原LF 爐控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 原LF 爐控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)設(shè)2 臺(tái)操作員站HMI，完成人機(jī)界面的監(jiān)控操作，通過(guò)畫(huà)面輸入有關(guān)工藝操作數(shù)據(jù)，向PLC 下達(dá)控制命令。另外，HMI 通過(guò)PLC可采集生產(chǎn)過(guò)程中的各種檢測(cè)數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)文件或生產(chǎn)流程圖等形式在CRT 上顯示?？刂葡到y(tǒng)由兩大（LF 本體和上投料）PLC 組成，均為SIMENS S5-155U，由于PLC 的I/O 點(diǎn)數(shù)較多，主機(jī)架都帶有一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。通過(guò)交換機(jī)使LF 爐系統(tǒng)連接到整個(gè)電爐系統(tǒng)的H1 網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)通訊聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)的交換。

2.2 一級(jí)控制系統(tǒng)主要功能

（1）LF 爐本體主站PLC：完成電極升降調(diào)節(jié)、高壓系統(tǒng)控制、鋼包車(chē)驅(qū)動(dòng)、液壓站及喂絲機(jī)啟停等。

（2）上投料PLC：完成皮帶、除塵風(fēng)機(jī)、加料稱(chēng)量、儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

3 存在問(wèn)題及分析

第一煉軋廠1#精煉爐是100 t 電爐工程的關(guān)鍵配套設(shè)備，然而隨著轉(zhuǎn)爐的投產(chǎn)，它不僅擔(dān)負(fù)電爐鋼水精煉，還擔(dān)負(fù)轉(zhuǎn)爐鋼水精煉，是生產(chǎn)必不可少的重要環(huán)節(jié)。LF 爐設(shè)備能否正常使用非常關(guān)鍵，控制設(shè)備的不斷升級(jí)導(dǎo)致備件組織困難，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，事故頻繁發(fā)生；升級(jí)后的Controllogix 1756 系列自動(dòng)化控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容錯(cuò)率低，兼容性差，網(wǎng)絡(luò)故障及掉站現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。生產(chǎn)過(guò)程中主要存在的問(wèn)題及相應(yīng)的分析如下：

（1）原LF 爐本體PLC 和上投料PLC 控制系統(tǒng)使用西門(mén)子S5 系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)不再生產(chǎn)，備品備件很難組織，故障率也明顯增加。

（2）1#精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)為ArCOS 系統(tǒng)，老電極調(diào)節(jié)的硬件看門(mén)狗，數(shù)據(jù)異常，不能工作情況經(jīng)常發(fā)生，需要升級(jí)系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)升級(jí)后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰，干涉較多，且容錯(cuò)率極低，一旦發(fā)生網(wǎng)路故障將造成掉站情況的發(fā)生，而且不能自恢復(fù)。

（4）爐下雙鋼包車(chē)控制需要優(yōu)化，縮短鋼包車(chē)聯(lián)動(dòng)進(jìn)站時(shí)間利于提高精煉效率。

（5）對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造后，新電極調(diào)節(jié)單元使用的是世界頂級(jí)水平的PRIMETALS 公司生產(chǎn)的MetltExpert 智能調(diào)節(jié)系統(tǒng).由于該系統(tǒng)的封閉性、保密性導(dǎo)致了與升級(jí)后的LF 爐系統(tǒng)Controllogix 的Ethernet/IP 網(wǎng)絡(luò)兼容性較差，如何建立有效通訊迫在眉睫。

4 系統(tǒng)升級(jí)與改造

4.1 LF 爐本體PLC 和上投料PLC 的控制系統(tǒng)升級(jí)

原LF 爐本體PLC 和上投料PLC 控制系統(tǒng)是當(dāng)年主流的西門(mén)子S5-155U 集中控制系統(tǒng)。隨著科技發(fā)展，西門(mén)子S5 系統(tǒng)備件已經(jīng)停產(chǎn)，升級(jí)換代是解決問(wèn)題的最好方法。控制系統(tǒng)升級(jí)為羅克韋爾公司現(xiàn)行最先進(jìn)的Controllogix 1756 系列自動(dòng)化控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)具備高度的可靠性，抗干擾能力強(qiáng)。并且采用工業(yè)級(jí)芯片，支持熱插拔與熱備冗余，兼容性好可無(wú)限擴(kuò)展，相互兼容通訊。支持多種協(xié)議，分層結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。升級(jí)后的精煉爐本體PLC 為一個(gè)主站和一個(gè)從站；上投料PLC 為一個(gè)主站和四個(gè)從站，并且在原人工上料操作室內(nèi)增加一個(gè)HMI，實(shí)現(xiàn)上料人機(jī)界面操作和監(jiān)控。整個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、Ethernet/IP 以及Profibus 網(wǎng)絡(luò)建立有效連接。升級(jí)后的LF 爐控制系統(tǒng)圖如圖2 所示。

4.2 電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的升級(jí)

在生產(chǎn)過(guò)程中，為了節(jié)約能源，減少?lài)嶄摰碾姾暮碗姌O消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要在不同的冶煉階段采用不同的弧功率值，并保持恒定，即要求電極調(diào)節(jié)器具有抗干擾性強(qiáng)，調(diào)節(jié)迅速、靈敏的特點(diǎn)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾姌O控制策略可以達(dá)到此目的，并獲得滿(mǎn)意的效果。改造原電極控制系統(tǒng)，消除原系統(tǒng)存在的缺陷，主要是利用升級(jí)換代產(chǎn)品，采用世界頂級(jí)水平PRIMETALS 公司產(chǎn)品MetltExpert 控制中心對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。改造中，現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)路盡量保持不動(dòng)，除控制中心外大部分利用原來(lái)的設(shè)備，控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜都進(jìn)到原系統(tǒng)電極控制柜內(nèi)，為降低重新敷設(shè)電纜的成本，保證系統(tǒng)的完好性，原系統(tǒng)電極控制柜不變，減少了額外的工作和成本。

圖2 升級(jí)后的LF 爐控制系統(tǒng)

4.3 爐下雙鋼包車(chē)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

爐下南北兩臺(tái)鋼包車(chē)，中間為冶煉位，原設(shè)計(jì)為一臺(tái)車(chē)進(jìn)站時(shí)另一臺(tái)車(chē)必須在自己的?？课?，這樣在冶煉周期中，這一爐次冶煉完畢必須開(kāi)出到位后，另一臺(tái)車(chē)方可啟動(dòng)進(jìn)站，任何時(shí)間只有一臺(tái)車(chē)運(yùn)行，由PLC 程序內(nèi)部連鎖。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，對(duì)另一臺(tái)車(chē)的進(jìn)站啟動(dòng)條件進(jìn)行了修改，這樣在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，工作位臺(tái)車(chē)一移動(dòng)離開(kāi)，另一臺(tái)車(chē)就開(kāi)始開(kāi)進(jìn)來(lái)，工作位車(chē)到停靠位時(shí)，進(jìn)站臺(tái)車(chē)基本到位，節(jié)約流程進(jìn)站時(shí)間1 min。

4.4 上投料控制系統(tǒng)升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造

控制系統(tǒng)升級(jí)后，網(wǎng)絡(luò)通訊為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰、干涉較多，樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)率極低，一旦發(fā)生網(wǎng)路故障將造成掉站情況的發(fā)生。生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)掉站現(xiàn)象，而且不能自己恢復(fù)，需要機(jī)架重新上電才能恢復(fù)正常，問(wèn)題非常棘手。為了消除故障，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在上投料主PLC 機(jī)架上增加一塊通訊模板來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這樣就允許中間開(kāi)路狀態(tài)下正常運(yùn)行，增強(qiáng)其容錯(cuò)性，且PLC 內(nèi)網(wǎng)與交換機(jī)的外網(wǎng)進(jìn)行物理隔離，減少其干涉。升級(jí)后的上投料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)改造如圖3 所示。

4.5 新電極調(diào)節(jié)PRIMETALS 與新控制系統(tǒng)的兼容處理

圖3 上投料升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改造

AB 的以太網(wǎng)通訊協(xié)議為EthernetIP，然而普銳特的MeltExpert 并不支持該協(xié)議，所以必須設(shè)立一個(gè)中轉(zhuǎn)，增加一個(gè)S7-300 站，數(shù)據(jù)由MeltExpert發(fā)出，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)遵循S7COMM 協(xié)議與S7-300 進(jìn)行通訊交換。數(shù)據(jù)存入S7-300 的CPU 后，通過(guò)ProfibusDP 與AB 系統(tǒng)中的ProSoft 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。AB-1756 的CPU 就可以從自身機(jī)架上的ProSoft 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。

（1）采用S7-300 與RedlionControls 解決系統(tǒng)兼容性問(wèn)題，建立有效的通訊連接。

（2）S7-300 與 RedlionControls 組合能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)行各電氣系統(tǒng)的完美對(duì)接，建立有效通訊，解決了通訊問(wèn)題。

5 應(yīng)用效果

5.1 本體控制系統(tǒng)升級(jí)

控制系統(tǒng)升級(jí)為羅克韋爾公司現(xiàn)行最先進(jìn)的Controllogix 1756 系列自動(dòng)化控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)具備高度的可靠性，抗干擾能力強(qiáng)，并且采用工業(yè)級(jí)芯片，支持熱插拔與熱備冗余，兼容性好，可無(wú)限擴(kuò)展，相互兼容通訊，控制更加精確，信號(hào)傳輸速度快，解決了無(wú)備件的最大隱患問(wèn)題，提升了自動(dòng)化程度，故障率明顯降低。在2018 年生產(chǎn)中沒(méi)有因控制系統(tǒng)問(wèn)題造成連鑄斷澆，工序銜接良好。

5.2 電極調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)升級(jí)

新系統(tǒng)電極調(diào)節(jié)器具有電弧控制穩(wěn)定、降低電耗、減少電極消耗、增加控制過(guò)程的平穩(wěn)性等特點(diǎn)。電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)更容易測(cè)量電氣參數(shù)，可以清晰地通過(guò)調(diào)節(jié)電極向上或向下單個(gè)移動(dòng)來(lái)確定其工作點(diǎn)，有效保護(hù)變壓器不受過(guò)流的影響，實(shí)現(xiàn)電極在短路、斷極、在非導(dǎo)體上觸地狀況下的自動(dòng)保護(hù)；電極升降控制更加平穩(wěn)，冶煉電耗及電極消耗明顯降低，提高了精煉的各項(xiàng)指標(biāo)。

5.3 鋼包車(chē)控制系統(tǒng)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)此次改造，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)鋼包車(chē)為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，即工作位臺(tái)車(chē)一移動(dòng)離開(kāi)，另一臺(tái)車(chē)就開(kāi)始開(kāi)進(jìn)來(lái)，工作位車(chē)到?？课粫r(shí)，進(jìn)站臺(tái)車(chē)基本到位，節(jié)約流程進(jìn)站時(shí)間1 min，顯著提高了精煉效率。

5.4 控制系統(tǒng)升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

改造前，網(wǎng)絡(luò)通訊為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰、干涉較多，容錯(cuò)率極低，一旦發(fā)生網(wǎng)路故障將造成掉站情況的發(fā)生。改造后的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許中間開(kāi)路狀態(tài)下還能正常運(yùn)行，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，且PLC 內(nèi)網(wǎng)與交換機(jī)的外網(wǎng)進(jìn)行物理隔離，減少網(wǎng)絡(luò)物理干涉。改造后沒(méi)有發(fā)生網(wǎng)絡(luò)掉站問(wèn)題，通訊非常穩(wěn)定。

5.5 電極調(diào)節(jié)與AB-Controllogix 的兼容

主系統(tǒng)Controllogix 由EN2TR 模板通過(guò)Ethernet/IP 與RedlionControls 產(chǎn)生通訊，再由RedlionControls進(jìn)行編程與協(xié)議轉(zhuǎn)換通過(guò)Profinet 與電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)建立連接，電極調(diào)節(jié)所需的重要數(shù)據(jù)如液壓缸根部壓力、二次電壓電流以及Rexroth 液壓比例調(diào)節(jié)閥精準(zhǔn)控制，則采取相對(duì)獨(dú)立的Profibus 進(jìn)行通訊，主系統(tǒng)Controllogix 經(jīng)過(guò)ProSoft 接入到Profibus 與之產(chǎn)生數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也為物流、二級(jí)系統(tǒng)提供了通訊保證。

6 結(jié)語(yǔ)

第一煉軋廠1#精煉爐控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)升級(jí)改造和優(yōu)化后，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。升級(jí)后的系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化，運(yùn)行比較穩(wěn)定, 使用效果非常良好,保證了煉鋼和連鑄工序的通暢和銜接，充分發(fā)揮了精煉爐的優(yōu)勢(shì)。