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PLC 控製在轉爐上的應用案例研究與分析

2015-12-24 來源：山東勞動職業技（jì）術學院作者：李國偉

摘要：隨（suí）著我（wǒ）國（guó）鋼鐵事業的發展，越來越多的新技術逐漸（jiàn）被運用（yòng）到了煉鋼領域中。其中，PLC 自動控製技術在（zài）煉（liàn）鋼（gāng）廠轉爐係統的應（yīng）用就是其中最具代表性的技術項目。由於轉爐工（gōng）藝具有檢測參數多、設備動（dòng）作頻繁以及工藝複（fù）雜（zá）等特點，PLC 技術在轉爐工藝中的應用（yòng），能夠在自動（dòng）控製的基礎上（shàng）獲得更為（wéi）穩定、高效的生產（chǎn）效率。在本文中（zhōng），將以某鋼鐵企（qǐ）業 PLC 控製在轉爐上的應用案例進行（háng）一定的（de）研究（jiū）與分析。

關鍵（jiàn）詞： PLC 控製；轉爐；應（yīng）用案例

0 引言

近年來，隨著 PLC 在工業控製中的應用（yòng）麵越來越廣，其對工業企業的影響也越來越（yuè）大，必須保證 PLC 控製係統的可靠（kào）性。煉軋廠新建轉爐（lú）係統在運行初（chū）期，技術部就麵（miàn）臨六個常見技術問題：①通訊網絡的高速、高效（xiào）數據傳（chuán）遞；②方坯（pī）拉矯機的平衡出力； ③板坯（pī）夾送輥電機的負荷平衡；④氧槍（qiāng）提升時的鋼繩鬆弛與抖動；⑤四（sì）台轉爐傾動電機的（de）負荷平衡；⑥諧（xié）波幹（gàn）擾。本文將根據 PLC 控（kòng）製技術的特（tè）點，針對這六項技術問題（tí）研究有效的應對策略，以確保（bǎo）係統穩定運（yùn）行，同時提高係統的運行效（xiào）率。

1 自動控製係統組成

在該鋼（gāng）鐵企業中，其轉爐自控係統為 2 台 S7-300PLC以及 1 台 S7-400 主站，在兩者之間（jiān）通過光纖組網架設實現數據的通信功能，而在主站下也設有一定（dìng）數量的遠程從站，以開放工作總線的模式來設計主站、從站之間的通信功能。同（tóng）時，該企業互聯網通過針對性係統軟件的設計（jì）與調試，針對 3 個操作站的生產過程進行全方位監控。圖 1表示自（zì）控係統構成。

2 自動控製係統功能

在該轉爐自控係統中，其一（yī）級自動化使用了 S7-400PLC 作為該係統的中心，二級自動化則使用了 WINCC6.2 與 STEP7 5.4 作為（wéi）該係統（tǒng）的檢測與編程軟件。上位機方麵，其通過互聯（lián）網的應用同 S7-400PLC 實現連接，以此在實現對順序邏輯控（kòng）製的基（jī）礎上，增（zēng）加信（xìn）號傳（chuán）輸、數據采集、報警以及聯動聯鎖控製等功（gōng）能。

2.1 工程師與操作站

係統工程師站主要通過（guò） STEP 7 軟件（jiàn）進行操控，具體負責本係統中 3 台 PLC 站點係統的地址分（fèn）配、硬（yìng）件組（zǔ）態以及程（chéng）序設計開發等（děng）工作。結構化編程方麵，首先將不同功能模塊整合成一套完整的控製係統，在軟（ruǎn）件方麵（miàn）針對係統幹擾性設置相應的抗幹（gàn）擾措施。而在操作員（yuán）站中（zhōng），則通過 WINCC 6.2 以及 WINDOWS 係統的（de）應用作（zuò）為本係（xì）統的（de）人機界（jiè）麵，並通過監控軟（ruǎn）件的應用實現整個係統的正（zhèng）常有（yǒu）序運行，並且除了上述功能（néng）外，其還具（jù）有報警、報表打印和信息歸檔（dàng）等功能。

2.2 轉爐本體 PLC 主站

主站的功能是實現氧（yǎng）槍升降（jiàng）、散裝料膠料以及轉爐傾動等的自（zì）動化控製，它可以對不（bú）同元素如氮氣、氧氣、水壓力實施聯鎖控（kòng）製，並且能檢測係統流量。在水冷係統以及氧槍（qiāng）冷（lěng）卻係統中，其通（tōng）過監（jiān）控相關材料溫（wēn）度變（biàn）化（huà）情況自動生（shēng）成變化曲線，一旦係統操作過程異常，可及時發（fā）送報警信（xìn）息，通過以太網將這部分監控所獲得的數據在操作站與PLC 之（zhī）間進（jìn）行傳送，整個轉爐生產過程由係（xì）統人機界麵進行有效監控。

2.2.1 氧槍升降控製

係統有兩處位置可以實現該項操（cāo）作，即氧槍機操作箱以及爐前主控室這兩處無論是（shì）在哪一區域進行操作，都能使氧槍自動升降（jiàng）。由於轉爐 PLC 中的數字量模板可實現對各項數（shù）據的采集、處（chù）理和（hé）傳輸等，變頻器隻要接收到相（xiàng）關（guān）的信（xìn）號就會自動進行氧（yǎng）槍（qiāng）升降控製，這就是係統的（de）開關信號（hào）。氧（yǎng）槍減速機軸上一般都裝有增量編碼器，用以（yǐ）定位氧槍升降高度，且（qiě）在氧槍開、閉氧時也能調控風機的運轉速（sù）度。將編碼器脈衝信號傳輸到變頻器中、與目標信號進行比較處理後，將此信號反饋到 PLC 中，經 PLC 通過該信號對氧槍高度進行定位。工作人員隻需操作（zuò）主站計算機（jī）即可完成畫（huà）麵操控任務。

2.2.2 轉爐傾（qīng）動控製

轉（zhuǎn）爐傾動控製主要由操作員在爐後操作室以及主控室手動操作完成。為了完成操作任務，操作（zuò）員可以在主操作台對爐後操（cāo）作室和主控室（shì）這兩個操作地點進（jìn）行適當的切換。爐後操作室和主控室一般都（dōu）裝有主令開關，當操作員選定相關操作點後，主令開關就會根據操作員的選擇情（qíng）況自動前（qián）搖或（huò）後（hòu）搖，然（rán）後（hòu）這個結果會以硬線應用（yòng）的方法傳遞給變頻（pín）器，之後（hòu）變頻（pín）器根據接（jiē）收到的信息。指令電機進行（háng）有效（xiào）的操作。另外，在減速機軸（zhóu）上也裝有具備零位（wèi）聯鎖功能的主令控製（zhì）器，鋼溫度和爐傾角溫度也能夠在計算（suàn）機畫麵上顯示出來。

2.2.3 安全限位與（yǔ）聯鎖

在係統的整個運行過程中，要想確（què）保轉爐一直處（chù）於正常運行的狀態，必須設（shè）置現場設備的聯鎖回路，同時（shí）保證相關設備可以識別傳（chuán）輸（shū）和處理後的聯鎖（suǒ）信號。為了最大程度的減少人員和設備損失，應在主操作台和爐後操（cāo）作台兩處都設置緊急停（tíng）止按鈕，這樣即使出現意外情況，也能夠在最短的時（shí）間內（nèi）使設備停止運行，等到設備恢複正常狀態（tài）時，再按下按鈕複位即可。

在爐體施工方麵，需要保證煙罩、氧槍在（zài）上升（shēng）到設計高度（dù）、且整個裝置沒有發生油路故障時（shí）才能夠進行傾動，以此（cǐ）最大程度的避免可能對設備造成的損壞。氧槍必須在爐體歸於零位後才可以升降，如果爐（lú）體沒有處於零位，會使氧槍出現鋼絲繩（shéng）卷反甚至被折斷（duàn）的情況。如果氧（yǎng）槍中氧氣壓力、氧槍冷卻水及其流量所具有的溫（wēn）差同設定值之間（jiān）的偏差超出預定值，則能夠在係統控（kòng）製下自動提搶，避免事故出現，且在氧槍達到開氧點時能夠提高風機轉速，並在停（tíng）吹時自動轉為低速。此外，為了保證在實（shí）際冶煉過程中氧槍不出現亂繩或斷繩現象，氧槍左、右兩側的鋼絲繩應該安裝張（zhāng）力檢測係統（tǒng），在實際（jì）張力嚴重偏離設定值時自動停止氧（yǎng）槍的升降，同時為規避氧槍斷電事故，係統中還裝配了事故啟（qǐ）動馬達，以確保在問題出現（xiàn）時能（néng）夠自動提槍，避免發（fā）生安全（quán）事故。

2.2.4 散裝料下料

由主控室（shì）操作站完成散裝料（liào）的（de）稱量和配料工（gōng）作。操作（zuò）員通（tōng）過操控相關計（jì）算機係統進行稱量和配料。自動下料時，首（shǒu）先稱量下料量，然後是振搗，若提前量和實際稱量值同稱量設定值之（zhī）間（jiān）的差值是一樣的，那麽振料機就會停止振料，直（zhí）到稱量（liàng）鬥關到位（wèi）後，才會進行下一步的（de）操作，稱（chēng）量完畢後將稱量鬥（dòu）匯（huì）總料下到鋼水（shuǐ）內完成加料任務。可以說（shuō），PLC 自動控製技術在該項操作中的應用，不僅能確保各項工（gōng）作按（àn）預定順序（xù）依次完成，同時可（kě）以有（yǒu）效提高係統運行的穩定性以（yǐ）及（jí）稱量配料的精確性。

3 轉爐煉鋼 PLC 控製室配置及（jí）控（kòng）製流程具體配置情況及控（kòng）製流程詳見圖 2 和圖 3。

4 轉爐 PLC 控製（zhì）係統常見技術問題係統運行中（zhōng），運行部門常常要麵臨六項技術問題：

①通訊網絡（luò）的高速、高效數據傳遞；

②方坯拉矯機的平衡出（chū）力；

③板坯夾送輥電機的負（fù）荷平衡；

④氧（yǎng）槍提升（shēng）時的鋼繩鬆弛與抖動；

⑤四台轉爐傾（qīng）動電機的負荷平衡；

⑥諧波幹擾。

5 針對六項常見技術問題的應對策略

5.1 針對（duì） ①~ ⑤ 技術問題的控製策略

煉軋廠（chǎng）新建轉爐工程選用（yòng）的工藝裝備都是在世界範圍內都非常先進的，該工程的周期是十八個月，總投資達5.02 億元，設計（jì）能力為年（nián）產鋼二（èr）百萬噸。針對係統控製中有可能出現的①~⑤技（jì）術（shù）問題，我們改進了傳統的控製係統，選用了當今世界（jiè）最先進的德國西門子公司的控製係統，該係統包括該公司的 PLC、通訊、工控軟件及傳動控製產品，通（tōng）過利用該控製係統可實現對整個項目的過程及拖（tuō）動控製任務（wù）。

該項目中采（cǎi）用（yòng）的控製係統具有采集過程數（shù）據、控製係統設（shè）備、監視運行狀態等功能，這（zhè）些功能是由上位監控係統實（shí）現的，除此之外，上位監控係統還具有其他工業數據的采集、打印、報表生成和數（shù）據備份等工作。PLC 係統與傳動控製係統間采用的是 PROFIBUS-DP 總線通訊方式，該方式是由西門子公司首先提出的，不僅能有效控製信號，還能夠實（shí）現數據的高速傳遞和交換（huàn）。另外，該係統中（zhōng）各個子係統 PLC 與其係統設備之間有充（chōng）分的信號線連接，如（rú）此一來，即使某（mǒu）個子係統出現意外情況，也不至於全軍覆沒，未被波及的係統依然可以正常運行（háng）。

該項目中最大的難點在於四台轉爐傾動電機的負荷平衡，要求其必須滿足（zú）高速響（xiǎng）應、高控製精度、高安全可靠性能。傳統的控製裝（zhuāng）置很難滿足（zú）上述要求，但是（shì）由於本課題選用的（de）是（shì）西門子公司的全交流 MASTERDRIVE 6SE70係列變頻器產品，再加上其（qí）配合西門子公司的 PLC、PROFIBUS-DP 通訊網（wǎng）絡構建起高性（xìng）能的傳動係統，有效的解決了傳統（tǒng）控製裝置中存在的弊端，滿足了上（shàng）述該項（xiàng）目中的（de）技術要求。不僅如此，它還大大提高了控製的響應速度和控製精度，效果明顯。

5.2 抗幹擾措施

供（gòng）電係統（tǒng）中（zhōng）一般都存在大量的高次諧波（bō），這會嚴重威脅本轉爐係統的正常運行，對此，我們針對本（běn）係統特點設計了（le）以下抗幹（gàn）擾措施：

5.2.1 接地

在（zài）接地方（fāng）麵，我們將計算機以單獨的方（fāng）式進（jìn）行接（jiē）地，保證接地電阻控製在 1.0Ω 以內，並保持電氣接地的獨立性，避免因為接地環在接地（dì）線位置上產生接（jiē）地電流引發不（bú）必要的誤操作。

5.2.2 通信電纜輻射

我們以鋼管敷設的方式對 DP 網線以及以太網光纜進行敷設，並保證電力電纜間能（néng）夠以（yǐ）分開的（de）方式進行敷設。全部信號線走單獨的電纜橋架，且對進入到 PLC 中的信號電纜都選擇了具有屏（píng）蔽功能的電纜設備，以此起（qǐ）到消除耦合幹擾以及輻射幹擾的作用（yòng）。

5.2.3 模擬量（liàng）輸入信號濾波

對於進入到 PLC 係統中的模擬（nǐ）量，我們在保證（zhèng）這部分輸入信號實際進入到模擬（nǐ）量（liàng）通道之前就通過光電隔離器的（de）應用（yòng）對可能存在的串模幹擾進行了消除，以此起到了提升通道信噪比的效（xiào）果（guǒ）。

5.2.4 電源隔離

對於實現係統完成自動控製的電源，我們專門為其安排了獨立、具有屏蔽的隔離變壓器供電，並保證該隔離變壓器外殼（ké）能（néng）夠以單獨（dú）的形式接地，以此在同強電（diàn）設（shè）備電位以及 PLC 進行良好隔離的基礎上有效降低來自供電（diàn）線（xiàn）路的（de）幹擾，同時，其還能夠有效避（bì）免 PLC 係統出現誤動作。

5.2.5 程序設計

在控製係（xì）統程（chéng）序方麵（miàn），為了避免模擬量（liàng）瞬時幹擾現象，應用了數字濾波技術，在（zài）輸入信號方麵，為了盡量避免出現誤信號，應用了鎖存（cún）和指令對比技術。

6 應用效果

經過一係列的改造，現場控製站在與設備自帶 PLC通訊係統實現了 Profibus_FMS 控製，其通（tōng）訊介質為屏蔽雙絞線，通訊（xùn）速率最大可達 1.5Mbit/s；10KV 及（jí）各變電所的相關信號，通過智能繼電保（bǎo）護（hù）裝置及智能空氣（qì）斷路器、用PROFIBUS－DP 的通訊方（fāng）式與現場控製站交換數據，每個間隔保護及測量（liàng）裝置均作為（wéi）現場控製站的從站；現場控製站采用西門子 S7 400 PLC，CPU 采用 4163DP 高（gāo）檔 CPU，不僅有效降低了人工勞動強度，也大大提高了運算效率（lǜ）和生產效率。且由於操作畫麵可以實時的傳播出來，相（xiàng）關人（rén）員的係統（tǒng）操作（zuò）難度（dù）有效（xiào）降低了，係統設計更為人性化，對底吹及氮封係（xì）統的改進大大節約了氮氣，提高了各鋼種（zhǒng）冶煉質量，同（tóng）時進一步降低可冶煉成本。事實證明，采用西門子自控係統控製整個項（xiàng）目（mù）的實施是可行的，在采用該控（kòng）製裝置的過（guò）程中不僅整個係統運行比較穩定，而且使用效果良好，不僅事故的發生率大大（dà）降低了，而且取得了良好的經濟效益。西門子自動係統不僅體現了其生產公司的智慧，屬於國際先進的控製體係，同時該自控係統也是（shì）完全符合相關國際組（zǔ）織的規範（fàn）標準（zhǔn）的。

7 結論

可以說（shuō），轉爐是（shì）煉鋼生產過程中非常重要的一個環節，通過 PLC 在轉爐上的（de）應用，對於轉爐工作的穩定、高效開（kāi）展具有十分（fèn）積極的意義。在上文中，我（wǒ）們對（duì） PLC 控製（zhì）在轉爐上（shàng）的應用案例（lì）進行了一（yī）定的研究，具有較好的研究與應用（yòng）價值，建議將本文所述控（kòng）製係統進一步推廣應（yīng）用到更多工業（yè）領域，通過（guò）提升設備自動化控製水平來（lái）提（tí）高生產效率（lǜ）和（hé）經濟效益。

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