浦振寶,施曉峰

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,上海 200940)

鐵包和鋼包是煉鋼廠處理、輸送和澆鑄鐵鋼水的主要容器,是常見且重要的生產(chǎn)設(shè)備[1]。在現(xiàn)代化的鋼鐵企業(yè)中,生產(chǎn)節(jié)奏快,并且對(duì)制造效率和成本控制有更高的要求,因此,對(duì)鐵鋼包和行車的統(tǒng)一信息管理和智能調(diào)度亦提出了更高的要求。目前,新日鐵、浦項(xiàng)均已通過增加檢測(cè)設(shè)備,在煉鋼單元基本實(shí)現(xiàn)了行車的精確定位、鐵鋼包臺(tái)車的精確定位,并結(jié)合自身煉鋼單元物流特點(diǎn),建立了鐵鋼包使用周轉(zhuǎn)跟蹤管理系統(tǒng),使轉(zhuǎn)爐出鋼溫度要求得到有效控制。近幾年國(guó)內(nèi)諸多鋼鐵企業(yè)同樣針對(duì)鋼鐵包的智能化管理進(jìn)行了適應(yīng)性改造,其中,首鋼遷安煉鋼廠、重慶鋼鐵煉鋼廠等國(guó)內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)陸續(xù)建立了鐵鋼包一體化管理系統(tǒng),并投入了實(shí)際使用,對(duì)煉鋼產(chǎn)線物料周轉(zhuǎn)效率的提升起到了一定的作用[2-3]。

寶鋼股份一煉鋼投產(chǎn)后經(jīng)過多年的升級(jí)改造,從鐵水預(yù)處理至連鑄已建立比較完整的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、制造管理系統(tǒng)、產(chǎn)銷管理系統(tǒng),工序的自動(dòng)化水平較高。但是,煉鋼過程是一個(gè)有離散特征的連續(xù)系統(tǒng),制造效率與制造精度的提高,不僅依賴于自動(dòng)化和高效率的裝備,更依賴于高效的鐵鋼水物流管理。如何科學(xué)協(xié)調(diào)物流資源、提升資源整合價(jià)值、降低資源持續(xù)投入成本,是探索煉鋼廠智慧制造的必要過程。

目前,寶鋼股份一煉鋼區(qū)域?qū)﹁F鋼包的使用安排、行車的吊運(yùn)安排都是通過人工作業(yè),憑借崗位經(jīng)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各工位處理情況,以電話溝通、手持對(duì)講機(jī)下達(dá)指令來完成。近年來工況環(huán)境隨著鋼種多樣化而變得越來越復(fù)雜,人員經(jīng)驗(yàn)水平亦存在差異,這便導(dǎo)致了作業(yè)效率無法有效提高。另外,鐵鋼包缺少有效的定位及狀態(tài)監(jiān)控,一旦出現(xiàn)問題無法進(jìn)行有效的定量分析。因此,從滿足一煉鋼生產(chǎn)要求、提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本等方面考慮,在一煉鋼區(qū)域新增面向智能制造的鐵鋼包一體化管理系統(tǒng)是非常必要的。

1 鐵鋼包一體化智能管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 煉鋼工藝概述

寶鋼股份一煉鋼區(qū)域工藝流程如圖1所示。

圖1 寶鋼股份一煉鋼區(qū)域工藝流程圖

煉鋼過程主要分為以下三部分:

(1)鐵水預(yù)處理。高爐鐵水通過魚雷罐車運(yùn)輸?shù)綗掍撹F水倒罐區(qū)域進(jìn)行兌鐵處理;鐵水稱重臺(tái)車在倒罐位完成兌鐵后,走行至鐵水包起吊位置,通過原料跨行車將鐵水包吊運(yùn)至KR鐵水預(yù)處理區(qū)域進(jìn)行脫硫處理;脫硫結(jié)束后再通過原料跨行車將脫硫鐵水吊運(yùn)至轉(zhuǎn)爐區(qū)域進(jìn)行脫碳煉鋼處理,而后空鐵水包通過原料跨行車返回至鐵水倒罐區(qū)域。

(2)轉(zhuǎn)爐煉鋼。轉(zhuǎn)爐單元在接受了來自鐵水包的鐵水后,進(jìn)行轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè),轉(zhuǎn)爐吹煉完成后將鋼水裝入空鋼包,由鋼包臺(tái)車運(yùn)送到鋼包起吊位置,通過行車將鋼水吊運(yùn)至不同的精煉作業(yè)工位。各精煉作業(yè)工位都配有鋼包臺(tái)車對(duì)鋼水進(jìn)行接收。

(3)鋼包精煉。各精煉工位對(duì)鋼水處理完成后,可直接由鋼包臺(tái)車或經(jīng)過過跨臺(tái)車,通過行車將鋼水吊運(yùn)至連鑄作業(yè)區(qū)域。

1.2 功能設(shè)計(jì)

1.2.1 行車和臺(tái)車定位系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)行車系統(tǒng)的跟蹤定位、作業(yè)實(shí)績(jī)信息的準(zhǔn)確收集,實(shí)現(xiàn)通過行車作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)提高行車作業(yè)效率,需對(duì)9臺(tái)行車進(jìn)行三維定位。行車的三維定位指大車在廠房軌道上走行準(zhǔn)確位置X、小車在行車軌道上走行準(zhǔn)確位置Y、主吊具在作業(yè)時(shí)準(zhǔn)確高度位置Z。

一煉鋼廠房?jī)?nèi)的工況具有以下特點(diǎn):

(1)行車大車走行距離長(zhǎng),最長(zhǎng)的跨長(zhǎng)度近500 m;

(2)原料跨、一跨、二跨內(nèi)均有2臺(tái)或3臺(tái)行車并行作業(yè);

(3)廠房?jī)?nèi)行車作業(yè)區(qū)域環(huán)境相對(duì)惡劣,長(zhǎng)期暴露在粉塵高溫下;

(4)行車走行定位屬于精度要求高(5 mm以內(nèi))的連續(xù)定位。

格雷母線定位技術(shù)是一種非接觸式的定位技術(shù),優(yōu)點(diǎn)是無滑脫和磨損等故障;能連續(xù)地、高精度地檢測(cè)絕對(duì)地址;通訊適用范圍廣,通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)通訊,不受環(huán)境條件限制,接收靈敏度高;抗干擾能力強(qiáng),不受環(huán)境噪音及接收信號(hào)電平波動(dòng)的影響[4-5]?；趶S房?jī)?nèi)工況條件,9臺(tái)行車的大車和小車定位擬統(tǒng)一采用格雷母線技術(shù)。

每套格雷母線系統(tǒng)設(shè)備的組成包括地面電氣柜、車載電氣柜、刻度標(biāo)尺以及游尺指針等。其中刻度標(biāo)尺是由扁平狀的PVC合成材質(zhì)外殼材料和按照格雷碼規(guī)律編制的芯線構(gòu)成,類似一把有刻度的標(biāo)尺,安裝于天車一側(cè)的欄桿立柱上。每跨行車行駛軌道均安裝鋪設(shè)標(biāo)尺,游尺指針安裝在機(jī)車上,用于設(shè)備所裝機(jī)車所在的位置。游尺指針相對(duì)于刻度標(biāo)尺平行非接觸式移動(dòng),游尺指針指向的刻度即是當(dāng)前位置值。大車格雷母線安裝于行車軌道欄桿處,用于定位位置X;小車軌道安裝于行車梁上部,用于定位位置Y。

通過在主提升電動(dòng)機(jī)馬達(dá)連軸器或減速機(jī)軸上安裝絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)主吊具高度測(cè)量,用于定位位置Z。將編碼器信號(hào)接入現(xiàn)有行車PLC系統(tǒng)。

至此,行車三維位置信息已獲得,每臺(tái)行車的車上采集的信號(hào)包括大小車定位信號(hào)和主吊具高度信號(hào)。各類車上設(shè)備信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換,通過RS232/485接口接入車載終端。如圖2所示,各個(gè)車載終端通過車上無線模塊,經(jīng)由各跨AP基站形成的無線局域網(wǎng)絡(luò),與鐵鋼包行車一體化管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。車載終端的主要功能包括各類作業(yè)指令下達(dá)、行車位置顯示、作業(yè)任務(wù)指導(dǎo)和作業(yè)實(shí)績(jī)處理功能。

圖2 行車無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)臺(tái)車位置的定位跟蹤控制統(tǒng)一采用激光定位的方式,激光定位信號(hào)通過各主工藝設(shè)備PLC控制系統(tǒng),并以O(shè)PC通訊方式上傳現(xiàn)有過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1.2.2 鐵鋼包定位系統(tǒng)

通過行車、臺(tái)車位置跟蹤結(jié)合生產(chǎn)物流計(jì)劃及各處理單元的狀態(tài)信息,可以較為準(zhǔn)確地推定基于包號(hào)的鐵鋼包具體位置。但系統(tǒng)會(huì)受到人為因素或檢測(cè)設(shè)備因素的干擾,而出現(xiàn)跟蹤偏差,并且無法及時(shí)糾正,這必然給生產(chǎn)物流造成影響。因此,需新增鐵鋼包定位識(shí)別裝置,在關(guān)鍵路徑對(duì)鐵鋼包包號(hào)信息進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn),確保關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)包號(hào)的準(zhǔn)確性。

煉鋼區(qū)域鐵鋼包的工作環(huán)境多為高溫、多煙氣環(huán)境,工況條件相對(duì)惡劣。耐高溫SAW-RFID標(biāo)簽技術(shù)具有數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長(zhǎng)、無源無線、抗干擾性強(qiáng)、可動(dòng)態(tài)修改、易于維護(hù)、讀取距離遠(yuǎn)且可工作于惡劣環(huán)境等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[6]。

鑒于此,采用耐高溫SAW-RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵鋼包包號(hào)的跟蹤。即在烘烤裝置區(qū)域完成上線鐵鋼包包號(hào)的初始標(biāo)記,一旦鐵鋼包投入生產(chǎn)物流的周轉(zhuǎn)流程,在鐵包和鋼包每個(gè)周轉(zhuǎn)周期進(jìn)行1次必要的信息驗(yàn)證,從而對(duì)鐵鋼包包號(hào)邏輯跟蹤識(shí)別進(jìn)行修正,提高跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,為鐵鋼包一體化管理系統(tǒng)提供必要條件。

耐高溫SAW-RFID鐵鋼包跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下:

在每座鐵包和鋼包兩側(cè)各安裝一個(gè)耐高溫SAW-RFID標(biāo)簽,安裝位置為吊耳下部空格內(nèi),這樣可有效保護(hù)標(biāo)簽設(shè)備。標(biāo)簽為無源設(shè)備,通過焊接方式固定于鋼包外壁,共104件。

在7臺(tái)烘烤器位置的烘烤器支架上配置SAW-RFID標(biāo)簽讀寫器設(shè)備,讀寫器與標(biāo)簽距離約3～4 m,用于上線鐵鋼包包號(hào)信息的獲取。在鐵水倒罐兩個(gè)工位的鐵水包起吊點(diǎn)分別配置SAW-RFID標(biāo)簽讀寫器設(shè)備,讀寫器與標(biāo)簽距離約2～3 m,用于鐵包周轉(zhuǎn)過程中的鐵包號(hào)信息驗(yàn)證。在4臺(tái)鋼包傾翻臺(tái)裝置分別配置SAW-RFID標(biāo)簽讀寫器,讀寫器安裝于傾翻牌坊混凝土平臺(tái)處,讀寫器與標(biāo)簽距離約2～3 m,用于鋼包周轉(zhuǎn)過程中的鐵包號(hào)信息驗(yàn)證,鋼包從連鑄大包平臺(tái)下線后必須回到該區(qū)域?qū)︿摪M(jìn)行熱檢,且該區(qū)域環(huán)境溫度相對(duì)主作業(yè)線低,有利于設(shè)備的使用維護(hù)。

2號(hào)傾翻臺(tái)裝置處新增配置1套西門子S7-300PLC,用于4個(gè)傾翻工位耐高溫SAW-RFID讀寫器的信號(hào)采集。讀寫器輸出串口RS232信號(hào),通過配置通訊模塊,將串口信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Profibus-DP,就近接入相關(guān)系統(tǒng)的控PLC系統(tǒng),鐵鋼包包號(hào)信息通過PLC通訊發(fā)送至鐵鋼包行車一體化管理系統(tǒng)。鐵鋼包SAW-RFID信息讀取系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 鐵鋼包SAW-RFID信息讀取系統(tǒng)圖

1.2.3 鐵鋼包烘烤系統(tǒng)

一煉鋼范圍內(nèi)共7臺(tái)鐵鋼包烘烤裝置,為實(shí)現(xiàn)一鍵按需烘烤,實(shí)現(xiàn)鐵鋼包信息的全程跟蹤與控制,實(shí)現(xiàn)鐵鋼包溫度自動(dòng)補(bǔ)償,需升級(jí)烘烤器MCC單元、完善現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備、實(shí)現(xiàn)烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機(jī)系統(tǒng)間的信息交換并新增溫度管控及鋼包耐材使用預(yù)警模型。具體設(shè)計(jì)方案如下:

(1)升級(jí)MCC單元。對(duì)每個(gè)烘烤器包蓋升降電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的MCC回路分別進(jìn)行改造,將設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、控制指令信號(hào)以及限位開關(guān)等部分現(xiàn)場(chǎng)一次檢測(cè)元件的信號(hào)統(tǒng)一接入對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)。升級(jí)之后,通過現(xiàn)場(chǎng)電控柜上選擇開關(guān)進(jìn)行操作地和操作模式的選擇,使烘烤器具備在各設(shè)備狀態(tài)、安全連鎖狀態(tài)確認(rèn)后可遠(yuǎn)程一鍵操作、遠(yuǎn)程緊急停止的功能。

(2)完善現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備。通過增加鋼包就位傳感器、燒嘴嘴前煤氣和空氣管路壓力傳感器、燒嘴煙道壓力傳感器、煙道流量傳感器等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備,使烘烤器能滿足按需烘烤的匹配要求。

(3)實(shí)現(xiàn)烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機(jī)系統(tǒng)間的信息交換。通過對(duì)現(xiàn)有PLC系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造,增加西門子ET200M模塊采集MCC的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào),增加CP343以太網(wǎng)通訊模塊通過電文方式實(shí)現(xiàn)7臺(tái)鋼鐵包烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機(jī)系統(tǒng)間相關(guān)信息的交換。主要信息如下:鐵鋼包包號(hào)信息、鐵鋼包烘烤能介信息、鐵鋼包烘烤設(shè)定信息、鐵鋼包烘烤實(shí)績(jī)信息和烘烤設(shè)備狀態(tài)信息。烘烤裝置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 烘烤裝置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

(4)鋼包溫度管控模型。模型結(jié)構(gòu)如圖5所示,從圖中可看出,鋼包溫度管控模型可通過獲取各工序段鋼水溫度推算信息,及在線周轉(zhuǎn)鋼包的熱狀態(tài),指導(dǎo)鋼包的預(yù)熱,進(jìn)行精確的鋼水溫度補(bǔ)償,降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度,為轉(zhuǎn)爐工序溫度的窄窗口控制提供依據(jù)。

圖5 鋼水溫度管控模型結(jié)構(gòu)圖

鋼包耐材使用預(yù)警模型。通過紅外熱像儀可以快速方便地獲取鋼包外壁的二維熱像圖,即外壁表面溫度場(chǎng)。由于外層的金屬與內(nèi)層的非金屬材料的導(dǎo)熱有明顯的差異,內(nèi)襯耐材損傷的程度、類型和分布狀況是造成設(shè)備外壁表面溫度場(chǎng)不同分布的直接原因。因此,利用紅外熱像,通過對(duì)高溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備表面溫度場(chǎng)的在線非接觸的紅外熱像信息采集,進(jìn)行建模分析和判斷,即可推定其內(nèi)部襯里工作狀態(tài),對(duì)保證設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供切實(shí)可行的依據(jù)。

在4個(gè)鋼包傾翻工位和2套LF工位共配置6套在線熱成像安全預(yù)警裝置。傾翻工位在線監(jiān)測(cè)承接鋼水前鋼包底部和外部耐材侵蝕情況,LF工位在線監(jiān)測(cè)鋼包包沿部位耐材侵蝕情況。每個(gè)工位配置2臺(tái)掃描式紅外熱像儀,傾翻工位的2臺(tái)熱像儀分別安裝在傾翻操作區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)廠房柱或平臺(tái)位置,LF工位的兩臺(tái)熱像儀安裝于LF廠房柱兩側(cè)。2臺(tái)設(shè)備分別從兩側(cè)對(duì)鋼包進(jìn)行表面掃描,并將掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到模型服務(wù)器,通過模型對(duì)圖像進(jìn)行鋼包耐材使用狀態(tài)分析。最后,結(jié)合鋼鐵包一體化管理系統(tǒng)所記錄的鋼包號(hào)和鋼包運(yùn)轉(zhuǎn)中的各類基礎(chǔ)信息,給出安全預(yù)警提示信息。

2 結(jié)語(yǔ)

(1)通過鐵鋼包一體化智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了鐵鋼包信息和行車信息的統(tǒng)一管理與智能調(diào)度,提高了鐵鋼包及行車調(diào)度的自動(dòng)化程度及使用效率,進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

(2)鋼包溫度管控模型進(jìn)行精確的鋼水溫度補(bǔ)償,能控制轉(zhuǎn)爐出鋼溫度,有效降低能耗,實(shí)現(xiàn)降本增效。