李明 （1982-）

男，河南安阳人，工业自动化专业，学士学位，安阳钢铁集团公司第一炼轧厂电气工程师，从事电气设备维护、维修工作。

摘要：本文介绍了安钢100吨转炉自动控制系统的设计方案，阐述了一级自动控制系统的配置和功能，并对系统运行中出现的问题提出了改进方案。

关键词：S7-400转炉；自控系统

Abstract: The paper introduces the design scheme of  automatic control system of 100t OWF
 in AnYang , and explains the configuration and functions of this system in detail. 
Furthermore, some improvements of this system have been put forward and implemented.

Key words: S7-400 OWF; Automatic System

1 引言

    安钢第一炼轧厂增建100ｔ转炉炼钢工程是安钢三步走战略的第一步，于2004年3月26日投产，年设计生产能力120万吨，生产工艺流程为：65t铁水罐——900ｔ混铁炉——100ｔ转炉——100ｔLF炉——板坯连铸机——中板轧机，主要设备包括：100ｔ顶底复吹转炉、炉外精炼、辅助部分包括上料系统、一次烟气除尘系统、二次除尘系统等。

    系统配备了先进的自动化控制系统（一、二级计算机控制系统），对炼钢生产进行自动控制和过程控制，同时对冶炼和精炼过程进行检测，实现各个钢种的最佳工艺控制。

2 系统组成

    转炉自动控制系统基础自动化采用了以PLC+PC为基础、仪控电控为一体（即仪表、电气控制共用PLC和监控站）的分散型控制系统，主要完成对设备的控制、计算、联锁等功能，同时在各个控制站设有人机界面（MMI）显示器，集中显示设备的各种状态和钢水温度、重量、成分等各种工艺参数。

    主要设备包括：

    （1）转炉系统由6台S7-400 PLC组成主干环网，使用CP443-1模板、四台OSM、光纤与双绞线等设备，建立工业以太网网络；六台PLC分别为复吹、氧枪倾动、汽化系统、上料系统、投料系统和二次除尘系统。

    （2）操作员站、工程师站、OPC服务器等计算机通过以太网卡、CP1613等连接至OSM上，安装有STEP7、WINCC等软件。

    （3）现场总线为PROFIBUS-DP网络，由PLC Dp口（CPU 416-2 DP）、CP443-5 Ext、图尔克远程站模板构建；六个系统有各自的DP网络，远程站为各现场操作箱、接线箱、变频器等。远程站数目少的为两处；最多的为氧枪倾动系统，有三路PROFIBUS-DP总线，共计三十余处远程站。

                                          图1   控制系统示意图

3 自动化系统

3.1 一级自动化主要功能

    （1）氧枪倾动系统。炉体倾动功能完成，是由PLC控制四台变频器驱动四台75kw交流笼型电机，通过减速机，使转炉可以360度旋转；电动机端部均装有测速编码器，反馈转速给变频器，构成闭环控制；为保证四台电机转矩同步，四台变频器组成SIMOLINK环，由一号或二号为主；四台电机平时全部投用，但允许使用三台工作，这样当一台设备有故障时，生产不受影响；四台抱闸液压推杆装置由变频器控制打开，保证制动功能可靠；转炉耳轴处装有角度编码器，实时给出炉体角度，其值可通过0度机械限位来校正，编码器使用图尔克的终端设备，作为一个远程站在DP网上。

    氧枪有横移和升降运动功能；氧枪的高度检测与控制是转炉设备的核心，有三套装置：编码器、凸轮开关和机械限位；凸轮开关使用不便，每次换绳都需调整，而调整过程又比较繁杂，所以通常使用编码器控制，它不仅可靠、使用方便，还能给出连续量变化的高度值；氧枪编码器使用图尔克的终端设备，作为一个远程站在DP网上，在STEP7程序中设计，可使用机械限位对其进行校正；氧枪升降电机为一台75kw交流电机，由一台西门子变频器驱动，同样装有测速编码器；氧枪升降电机的抱闸控制更严格，必须给出预转矩后才能打开。

    电气连锁，首先是炉体倾动与氧枪高度的连锁，氧枪在炉内绝对是禁止摇炉的；同样炉体是否垂直也限制氧枪是否可以下降。氧枪下降至开氧点，氧气阀门即自动打开，选择溅渣模式时氧枪到达开氮点，氮气阀门就自动打开；当生产条件不满足时，氧枪不能下降。条件包括电气条件和工艺条件：电气条件是设备本身是否上电是否正常等；工艺条件就比较多，如气体压力、流量，烟道、氧枪的冷却水是否正常，钢丝绳是否正常，烟气风机等；在冶炼过程中如果出现异常情况，PLC程序内有紧急提枪功能，保证人身及设备安全。

    （2）顶底复吹系统。此系统PLC（远程站）有大量模拟量模板，检测各气体、液体流量压力等，给出正常信号；收到倾动PLC给出的生产指令后，打开相应阀门。顶吹即氧枪的气体阀门、水阀门等的控制，底吹是指炉底接有六个支管，吹出氩气或氮气保证冶炼时充分搅拌。

    （3）汽化系统、除尘系统。转炉冶炼时产生大量烟气，由汽化除尘系统设备除去。有一文、二文、汽包、除氧器，电气主要是六台供水泵和循环泵使用有两台西门子变频器、四台软启动设备，其它为众多阀门如等处阀门，阀门使用常规电气控制；终端为6kv一次风机两台一用一备。二次除尘系统与汽化系统不同的是，它主要除去来自上料、投料、炉口等处的灰尘，没有有害气体，有一台2000kw风机，有布袋除尘器设备。

3.2 网络构建

    交换机使用西门子产品OSM TP62，可以连接六个以太网口，两个光纤口，光纤连接可达3000米，多个OSM最远距离150公里，可以监视网络状态并可输出报警。根据技术资料，含有50个OSM的以太环网，当冗余管理器检测到两侧网络断线时，它重建网络结构的时间不大于0.3秒；使用交换机的port7和port8两个光纤口，连接成环网，同时把某一个OSM设置为冗余管理器，实现了冗余控制。

    PLC机架上使用CP443-1模板。CP443-1模板是siemens s7-400 PLC 连接工业以太网的模板，支持多种协议的通讯，工作稳定可靠，根据技术资料可最多连接48个s7连接或最多64个TCP连接等。

    在各个Profibus-DP网络，PLC为主站，从站为远程IO站操作箱、变频器、编码器等。设计原则是充分利用分布式现场总线网络灵活、方便、节约资金的优点，同时尽量避免其缺点，那就是在网络中出现通讯故障易导致相当多一部分设备不能工作。

3.3 MMI（人机界面）系统与OPC服务器

    一级自动化级的MMI为五台工业PC机，工控机上使用CP1613或普通以太网卡，安装WINCC监控软件。操作人员通过画面输入有关工艺操作数据，向PLC下达控制命令。另外，MMI通过PLC可采集生产过程中的各种检测数据，并以数据文件或生产流程图等形式在CRT上显示，用于监视生产过程和设备运行状态，还可对生产过程中的数据进行报表打印和事故报警打印，存储主要工艺参数的历史趋势图等功能。

    Opc服务器安装simatic net软件，通过网络读取PLC中变量信息，再用VC做成第三方软件实现监控和报表功能的功能，完成物流跟踪。可同时安装另一块网卡连接办公网，实现生产信息的发布与交换。

4 系统改进

    安钢100吨转炉自控系统技术先进，达到了国际90年代先进水平，但有部分设计不合理，运行不平稳，电气设备故障时有发生。为此经过摸索实践，进行了改进。主要有：

    （1）现场总线通讯系统改造。由于现场环境恶劣，而设计现场总线过长，容易造成现场总线系统的通讯故障。通过增加CP443-5模板,优化、分散所带通讯节点，或把关键站点如摇炉操作台、倾动变频器、编码器等单独列出，以达到保证关键设备可靠使用的目的；对个别操作箱由于设计安装位置不合理，环境温度高，粉尘大，容易造成图尔克模板损坏的问题，根据实际情况进行了移位整改。改造完成以后，现场总线减少了长度，布局也更合理，同时加强了线路的防护，大大减少了故障率。

    （2）完善张力控制功能，改造提升系统抱闸。

    当氧枪运行时，如钢丝绳张力≥4.2吨或张力≤0.8吨时,氧枪自动停止，检查氧枪系统没有问题并且进行复位后，氧枪才能操作运行。但复位后如果张力仍未恢复正常，只能运行10秒时间；而且张力异常时，我们采取的是自动封锁氧枪变频器输出而不是断电保护。

    转炉氧枪提升系统抱闸原设计为单个液压抱闸，在使用过程中易出现因液压抱闸磨损或调整不到位等因素而发生下滑溜枪现象，改造方案是增加一套液压抱闸，但控制系统仍由原来一套控制系统完成，这样可以动作同步并且安全可靠。

    （3）其他。经过一段时间运行，根据需要，我们对系统监控画面主要是WINCC项目进行了完善，增加了一些监控画面和趋势画面，方便了生产和维护人员；另外根据生产管理的需要，进行了氧枪吹炼耗氧、耗氮、底吹氩、散装料等的计量功能完善，为目标成本管理提供了准确的数据。

5 结束语

    该自动控制系统投运以后，提高了生产效率，大大降低了工人劳动强度，提高了产品实物质量，特别是我们针对其运行中的缺陷进行改造以后，更加提高了设备作业率，降低了热停时间，为年产150万吨奠定了良好的设备基础。 

    其它作者：

    王岚潇（1975-），安阳钢铁集团公司第一炼轧厂电气工程师，从事电气设备维护、维修工作。