關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；自動化控制系統(tǒng)；Modbus Plus網(wǎng)；PLC
1 前言
濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司第一煉鋼廠（簡稱濟(jì)鋼第一煉鋼廠）共有3座25t轉(zhuǎn)爐，于1991年投產(chǎn)，年設(shè)計能力85萬t。由于受當(dāng)時技術(shù)水平的局限，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)自動化控制水平比較落后。近年來，濟(jì)鋼對25t轉(zhuǎn)爐的自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究改造和開發(fā)，使自動控制系統(tǒng)裝備水平有了較大提高，滿足了鋼產(chǎn)量240萬t/a的生產(chǎn)要求。
2 轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)改造方案
2.1 轉(zhuǎn)爐控制的工藝要求
25t轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐主體控制部分、外圍設(shè)備控制部分以及能源介質(zhì)控制部分等組成，包括：轉(zhuǎn)爐爐體傾動控制及位置顯示、氧槍升降控制及槍位顯示、散狀料上料控制及儀表顯示、轉(zhuǎn)爐水冷門控制、煙罩升降控制、除塵及煤氣回收控制、汽化冷卻控制、以及氧氣、氮氣、煤氣、冷卻水等能源介質(zhì)的儀表控制等部分。這些系統(tǒng)既完成不同的工藝過程，又有相互關(guān)聯(lián)，組成緊密有機的整體，以25min為周期連續(xù)生產(chǎn)。
2.2 存在問題分析
25t轉(zhuǎn)爐原自動化控制系統(tǒng)分為兩大部分，一部分為轉(zhuǎn)爐主體部分984PLC，每座轉(zhuǎn)爐設(shè)有1個主機站、2個I/O分站，主要控制轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍定位、冷卻高壓水、氮封系統(tǒng)、散狀料上料、煙罩升降、氧槍和傾動的對外聯(lián)鎖。另一部分為MICON—200集散儀表系統(tǒng)，每座轉(zhuǎn)爐1套，主要控制氧槍供氧系統(tǒng)及氧槍傳動系統(tǒng)的聯(lián)鎖、底吹供氮、供氬系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和控制、散料稱量及下料系統(tǒng)的自動聯(lián)鎖，完成整個轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的監(jiān)控報警顯示及動態(tài)畫面的指示，并通過通訊單元C—200的UI板與主體984PLC相連。單座轉(zhuǎn)爐原自動化控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 25t轉(zhuǎn)爐原自動化控制系統(tǒng)
25t轉(zhuǎn)爐自1991年投入使用后，自動化系統(tǒng)先后暴露出一些問題，主要是：
（1）系統(tǒng)PLC與MICON—200兩部分間的通訊性能較差。PLC與MICON—200之間傳遞的大量重要信號、聯(lián)鎖點，都依靠電纜直接將回路控制器P—200與PLC的I/O模塊相連，線路復(fù)雜且不可靠。
（2）維護(hù)難度大。MICON—200系統(tǒng)對環(huán)境要求較高，使用壽命較短，且控制板通用性差。
（3）PLC系統(tǒng)設(shè)置不合理，特別是I/O站位處生產(chǎn)現(xiàn)場，大量煙塵導(dǎo)致故障較多。
?。?）系統(tǒng)自動化控制水平較低，外部繼電器聯(lián)鎖較多，而且三電一體化程度較差。
2.3 改造要求
（1）以實用性為主，從現(xiàn)場生產(chǎn)與維護(hù)的實際出發(fā)，對轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
?。?）要具有較強的獨立性。3座轉(zhuǎn)爐應(yīng)相互獨立，同一轉(zhuǎn)爐的各控制系統(tǒng)也應(yīng)具有一定的獨立性。
?。?）應(yīng)具有一定的先進(jìn)性。改造后應(yīng)有較高的自動化水平，并為以后實現(xiàn)智能化煉鋼及自動化管理創(chuàng)造條件。
（4）經(jīng)濟(jì)可行，有較高的投入產(chǎn)出效益。
2.4 改造方案
?。?） 采用多套PLC系統(tǒng)，分別完成各自相對獨立的控制功能。
（2） 采用多層網(wǎng)通訊，避免因通訊故障引起的系統(tǒng)故障。
（3） 實現(xiàn)電氣、儀表、計算機一體化的工業(yè)控制模式。
?。?） 系統(tǒng)可實現(xiàn)與信息調(diào)度網(wǎng)、煉鋼管理網(wǎng)相互進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
?。?） 具有簡單的故障診斷系統(tǒng)，提高故障處理速度。
改造后的轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 改造后的轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)
3 系統(tǒng)改造內(nèi)容
3.1 轉(zhuǎn)爐PLC控制系統(tǒng)
如圖2所示，整個轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)由多套PLC組成，其中每座轉(zhuǎn)爐的本體PLC采用Quantum-140CPU21304主機，并帶有2個遠(yuǎn)程I/O分站，設(shè)有3個監(jiān)控站，主要完成氧槍氣、水的監(jiān)控和操作，散狀料系統(tǒng)的監(jiān)控與操作，煤氣回收系統(tǒng)的監(jiān)控和操作；每座轉(zhuǎn)爐的傳動PLC采用984—E685主機，并設(shè)有1個監(jiān)控站，主要完成對轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降變頻器的控制，并對操作進(jìn)行監(jiān)視。
3座轉(zhuǎn)爐的公用部分也由多套PLC組成，汽化、上料等PLC采用984—685主機，并設(shè)有1個監(jiān)控站，主要完成3座轉(zhuǎn)爐的汽化冷卻系統(tǒng)和上料系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，取消了所有二次儀表，實現(xiàn)了三電一體化。鋼水稱量PLC采用984—685主機，主要完成3座轉(zhuǎn)爐鋼水的稱量及傳輸顯示，信息PLC采用Quantum140CPU21304主機，并設(shè)3個監(jiān)控站，主要傳遞及監(jiān)視煉鋼廠生產(chǎn)信息。在PLC選用上有984和Quantum，主要是考慮利用原有984PLC和減少改造投資。
3.2 通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用的是多層網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要由 Modbus Plus （MB+）網(wǎng)構(gòu)成，以求減少系統(tǒng)間的相互影響。Modbus Plus網(wǎng)通過使用低成本的雙絞線電纜使得計算機、控制器和其它數(shù)據(jù)源，在整個網(wǎng)絡(luò)上作為同位體進(jìn)行通信。本體PLC和汽化PLC與遠(yuǎn)程I/O站之間通信選用冗余的同軸電纜通過通信模塊進(jìn)行通信。每座轉(zhuǎn)爐本身內(nèi)各PLC和監(jiān)控站之間的通信采用在PLC上加通信模塊NOM的方案，在監(jiān)控站安裝SA85網(wǎng)卡，與NOM模塊上Modbus Plus接口組成Modbus Plus網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)分級通過NOM模塊完成，依靠網(wǎng)橋可完成ModbusPlus網(wǎng)絡(luò)分段。這樣，3座轉(zhuǎn)爐間通信網(wǎng)就具有三段Plus網(wǎng)，和兩級網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，其作用是提高網(wǎng)絡(luò)總體運行速度，并減少主體生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的風(fēng)險。
整個轉(zhuǎn)爐Plus網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：
?。?）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計簡單明了，易于安裝，費用低廉。
?。?） 網(wǎng)絡(luò)中各PLC系統(tǒng)是對等的MB+網(wǎng)絡(luò)從站，是提供被監(jiān)控參數(shù)的站點；各監(jiān)控計算機是對等的MB+網(wǎng)絡(luò)主站，是網(wǎng)絡(luò)通信中令牌的占用者、控制者。各監(jiān)控計算機可對MB+網(wǎng)絡(luò)中的任意PLC系統(tǒng)所控制的生產(chǎn)過程實現(xiàn)監(jiān)控。
（3） 因其對等性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各監(jiān)控系統(tǒng)對各PLC系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控的任意性，使得各監(jiān)控系統(tǒng)計算機實際可互為備用，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備易于擴展、更換。
（4） 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信速率高，控制實時性能力強，不會導(dǎo)致控制滯后。
另外，通信網(wǎng)絡(luò)通過PLC以太網(wǎng)模塊NOE可實現(xiàn)與生產(chǎn)信息網(wǎng)相連，會同鑄機傳來的信息，為建立完善、
先進(jìn)的生產(chǎn)過程管理模式打下了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。
3.3 應(yīng)用軟件的開發(fā)
轉(zhuǎn)爐自動化控制應(yīng)用軟件主要包括：
?。?）PLC具體控制程序的開發(fā)：主要是針對工藝要求進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和控制方式的選擇，并完成對被控對象具體的閉環(huán)PID控制和其它控制。由于采用多PLC系統(tǒng)，因此CPU的運行反應(yīng)時間完全能滿足工藝調(diào)節(jié)控制要求。
（2）監(jiān)控站上畫面操作系統(tǒng)的編制和工藝控制模型的開發(fā)：主要利用工業(yè)自動化應(yīng)用軟件FIX系列軟件，針對被控對象進(jìn)行監(jiān)控站工藝流程監(jiān)控畫面的開發(fā)；利用微軟公司SQL7.0數(shù)據(jù)庫和VB編程語言開發(fā)過程控制模型。
3.3.1 氧槍系統(tǒng)的軟件設(shè)計 以“自動、手動”兩種控制方式對監(jiān)控站、本體PLC、傳動PLC進(jìn)行編程。
傳動PLC主要任務(wù)是：接收監(jiān)控站的槍位設(shè)定值或手動速度給定，接收來自現(xiàn)場的特殊點信號、氧槍傳動裝置信號及本體PLC傳送的氧槍水、氣、張力等聯(lián)鎖信號，在滿足所有動槍條件的前提下，給氧槍變頻器發(fā)送上升、下降或停止及開啟氧槍抱閘的命令。動槍程序的功能是：在自動控制方式下，接收槍位給定值，并存于內(nèi)部寄存器中，再與由編碼器輸入的實際槍位相比較，從而確定升降及升降速度并將控制信號輸?shù)阶冾l器控制端子。同時與相應(yīng)的抱閘動作結(jié)合，氧槍在升降過程中隨著實際槍位的變化而不斷地改變給定升降速度，以確保槍位的準(zhǔn)確。在手動控制下則完全由操作員根據(jù)槍位顯示，手動控制升、降、停及升降速度。
本體PLC主要任務(wù)是：采集氧槍系統(tǒng)的所有模擬量，并根據(jù)工藝要求對部分模擬量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，給傳動PLC發(fā)送聯(lián)鎖信號并接收傳動PLC的槍位信號。對氧氣的流量調(diào)節(jié)由接收設(shè)定值槍位及采集的氧氣溫度、壓力、流量信號及音頻化渣信號，按標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行運算，運算的流量值作為PID調(diào)節(jié)的實際輸入值。同樣對于冷卻水的調(diào)節(jié)也根據(jù)進(jìn)出水溫度、流量設(shè)定值、壓力等進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。并根據(jù)出鋼信號和槍位信號自動完成氧、氮切換，控制濺渣護(hù)爐。
監(jiān)控站的功能是：接收、顯示本體PLC和傳動PLC發(fā)來的氧槍聯(lián)鎖條件。在自動、手動方式下向傳動PLC發(fā)送槍位設(shè)定值或手動給定速度，并接收顯示實際槍位，對吹煉過程的各工藝參數(shù)進(jìn)行動態(tài)顯示。并根據(jù)工藝要求，在監(jiān)控工控機中存入多種氧槍自動方案數(shù)據(jù)表。在自動方式下，根據(jù)吹煉要求選定一個方案后，整個冶煉過程中槍位的設(shè)置及氧流量的設(shè)定和調(diào)節(jié)就可自動進(jìn)行。
3.3.2 散狀料系統(tǒng)軟件設(shè)計 以“自動、手動”兩種方式對本體PLC和監(jiān)控站進(jìn)行編程，其功能是按工藝要求對8個振動給料器、4個稱量斗、4個氣插閥進(jìn)行操作和控制。在自動方式下，在監(jiān)控站工控機中建立由工藝提出的多種下料方案，選定方案后，在吹煉過程中，根據(jù)吹煉時間，將下料量傳到本體PLC，由PLC根據(jù)設(shè)定值自動下料和稱量，并在監(jiān)控站對整個下料動態(tài)過程進(jìn)行顯示。在手動方式下，由監(jiān)控站根據(jù)下料動態(tài)畫面，采用鍵盤操作，操作信息傳到本體PLC后，再由PLC控制下料。
轉(zhuǎn)爐應(yīng)用軟件還有轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)軟件、汽化凈化系統(tǒng)軟件、轉(zhuǎn)爐煤氣回收軟件、高壓風(fēng)機系統(tǒng)軟件、故障診斷系統(tǒng)軟件等。
4 結(jié)語
濟(jì)鋼25t轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)任務(wù)非常緊，對轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)的改造只能利用每年的幾次整體檢修時間進(jìn)行。由于轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)采用多層網(wǎng)多PLC控制，因此整套系統(tǒng)改造非常適合分多次逐漸完成，并根據(jù)運行情況分系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。目前已有煤氣回收、汽化凈化控制、底吹系統(tǒng)、高壓風(fēng)機系統(tǒng)等完全實現(xiàn)了自動控制，并正對氧槍、下料等系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，進(jìn)一步完善開發(fā)智能化煉鋼模型，一旦時機成熟就將實現(xiàn)智能化煉鋼。
（轉(zhuǎn)載）
