PLC 控制在轉爐上的應用案例研究與分析
2015-12-24 來源：山東勞動職業技術學院 作者：李國偉
摘要：隨著我國鋼鐵事業的發展，越來越多的新技術逐漸被運用到了煉鋼領域中。其中，PLC 自動控制技術在煉鋼廠轉爐系統的應用就是其中最具代表性的技術項目。由于轉爐工藝具有檢測參數多、設備動作頻繁以及工藝復雜等特點，PLC 技術在轉爐工藝中的應用，能夠在自動控制的基礎上獲得更為穩定、高效的生產效率。在本文中，將以某鋼鐵企業 PLC 控制在轉爐上的應用案例進行一定的研究與分析。
關鍵詞： PLC 控制； 轉爐； 應用案例
0 引言
近年來，隨著 PLC 在工業控制中的應用面越來越廣，其對工業企業的影響也越來越大，必須保證 PLC 控制系統的可靠性。煉軋廠新建轉爐系統在運行初期，技術部就面臨六個常見技術問題：①通訊網絡的高速、高效數據傳遞；②方坯拉矯機的平衡出力； ③板坯夾送輥電機的負荷平衡；④氧槍提升時的鋼繩松弛與抖動；⑤四臺轉爐傾動電機的負荷平衡；⑥諧波干擾。本文將根據 PLC 控制技術的特點，針對這六項技術問題研究有效的應對策略，以確保系統穩定運行，同時提高系統的運行效率。
1 自動控制系統組成
在該鋼鐵企業中，其轉爐自控系統為 2 臺 S7-300PLC以及 1 臺 S7-400 主站，在兩者之間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。同時，該企業互聯網通過針對性系統軟件的設計與調試，針對 3 個操作站的生產過程進行全方位監控。圖 1表示自控系統構成。
2 自動控制系統功能
在該轉爐自控系統中，其一級自動化使用了 S7-400PLC 作為該系統的中心，二級自動化則使用了 WINCC6.2 與 STEP7 5.4 作為該系統的檢測與編程軟件。上位機方面，其通過互聯網的應用同 S7-400PLC 實現連接，以此在實現對順序邏輯控制的基礎上，增加信號傳輸、數據采集、報警以及聯動聯鎖控制等功能。
2.1 工程師與操作站
系統工程師站主要通過 STEP 7 軟件進行操控，具體負責本系統中 3 臺 PLC 站點系統的地址分配、硬件組態以及程序設計開發等工作。結構化編程方面，首先將不同功能模塊整合成一套完整的控制系統，在軟件方面針對系統干擾性設置相應的抗干擾措施。而在操作員站中，則通過 WINCC 6.2 以及 WINDOWS 系統的應用作為本系統的人機界面，并通過監控軟件的應用實現整個系統的正常有序運行，并且除了上述功能外，其還具有報警、報表打印和信息歸檔等功能。
2.2 轉爐本體 PLC 主站
主站的功能是實現氧槍升降、散裝料膠料以及轉爐傾動等的自動化控制，它可以對不同元素如氮氣、氧氣、水壓力實施聯鎖控制，并且能檢測系統流量。在水冷系統以及氧槍冷卻系統中，其通過監控相關材料溫度變化情況自動生成變化曲線，一旦系統操作過程異常，可及時發送報警信息，通過以太網將這部分監控所獲得的數據在操作站與PLC 之間進行傳送，整個轉爐生產過程由系統人機界面進行有效監控。
2.2.1 氧槍升降控制
系統有兩處位置可以實現該項操作，即氧槍機操作箱以及爐前主控室這兩處無論是在哪一區域進行操作，都能使氧槍自動升降。由于轉爐 PLC 中的數字量模板可實現對各項數據的采集、處理和傳輸等，變頻器只要接收到相關的信號就會自動進行氧槍升降控制，這就是系統的開關信號。氧槍減速機軸上一般都裝有增量編碼器，用以定位氧槍升降高度，且在氧槍開、閉氧時也能調控風機的運轉速度。將編碼器脈沖信號傳輸到變頻器中、與目標信號進行比較處理后，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。工作人員只需操作主站計算機即可完成畫面操控任務。
2.2.2 轉爐傾動控制
轉爐傾動控制主要由操作員在爐后操作室以及主控室手動操作完成。為了完成操作任務，操作員可以在主操作臺對爐后操作室和主控室這兩個操作地點進行適當的切換。爐后操作室和主控室一般都裝有主令開關，當操作員選定相關操作點后，主令開關就會根據操作員的選擇情況自動前搖或后搖，然后這個結果會以硬線應用的方法傳遞給變頻器，之后變頻器根據接收到的信息。指令電機進行有效的操作。另外，在減速機軸上也裝有具備零位聯鎖功能的主令控制器，鋼溫度和爐傾角溫度也能夠在計算機畫面上顯示出來。
2.2.3 安全限位與聯鎖
在系統的整個運行過程中，要想確保轉爐一直處于正常運行的狀態，必須設置現場設備的聯鎖回路，同時保證相關設備可以識別傳輸和處理后的聯鎖信號。為了最大程度的減少人員和設備損失，應在主操作臺和爐后操作臺兩處都設置緊急停止按鈕，這樣即使出現意外情況，也能夠在最短的時間內使設備停止運行，等到設備恢復正常狀態時，再按下按鈕復位即可。
在爐體施工方面，需要保證煙罩、氧槍在上升到設計高度、且整個裝置沒有發生油路故障時才能夠進行傾動，以此最大程度的避免可能對設備造成的損壞。氧槍必須在爐體歸于零位后才可以升降，如果爐體沒有處于零位，會使氧槍出現鋼絲繩卷反甚至被折斷的情況。如果氧槍中氧氣壓力、氧槍冷卻水及其流量所具有的溫差同設定值之間的偏差超出預定值，則能夠在系統控制下自動提搶，避免事故出現，且在氧槍達到開氧點時能夠提高風機轉速，并在停吹時自動轉為低速。此外，為了保證在實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力檢測系統，在實際張力嚴重偏離設定值時自動停止氧槍的升降，同時為規避氧槍斷電事故，系統中還裝配了事故啟動馬達，以確保在問題出現時能夠自動提槍，避免發生安全事故。
2.2.4 散裝料下料
由主控室操作站完成散裝料的稱量和配料工作。操作員通過操控相關計算機系統進行稱量和配料。自動下料時，首先稱量下料量，然后是振搗，若提前量和實際稱量值同稱量設定值之間的差值是一樣的，那么振料機就會停止振料，直到稱量斗關到位后，才會進行下一步的操作，稱量完畢后將稱量斗匯總料下到鋼水內完成加料任務。可以說，PLC 自動控制技術在該項操作中的應用，不僅能確保各項工作按預定順序依次完成，同時可以有效提高系統運行的穩定性以及稱量配料的精確性。
3 轉爐煉鋼 PLC 控制室配置及控制流程具體配置情況及控制流程詳見圖 2 和圖 3。
4 轉爐 PLC 控制系統常見技術問題系統運行中，運行部門常常要面臨六項技術問題：
①通訊網絡的高速、高效數據傳遞；
②方坯拉矯機的平衡出力；
③板坯夾送輥電機的負荷平衡；
④氧槍提升時的鋼繩松弛與抖動；
⑤四臺轉爐傾動電機的負荷平衡；
⑥諧波干擾。
5 針對六項常見技術問題的應對策略
5.1 針對 ①~ ⑤ 技術問題的控制策略
煉軋廠新建轉爐工程選用的工藝裝備都是在世界范圍內都非常先進的，該工程的周期是十八個月，總投資達5.02 億元，設計能力為年產鋼二百萬噸。針對系統控制中有可能出現的①~⑤技術問題，我們改進了傳統的控制系統，選用了當今世界最先進的德國西門子公司的控制系統，該系統包括該公司的 PLC、通訊、工控軟件及傳動控制產品，通過利用該控制系統可實現對整個項目的過程及拖動控制任務。
該項目中采用的控制系統具有采集過程數據、控制系統設備、監視運行狀態等功能，這些功能是由上位監控系統實現的，除此之外，上位監控系統還具有其他工業數據的采集、打印、報表生成和數據備份等工作。PLC 系統與傳動控制系統間采用的是 PROFIBUS-DP 總線通訊方式，該方式是由西門子公司首先提出的，不僅能有效控制信號，還能夠實現數據的高速傳遞和交換。另外，該系統中各個子系統 PLC 與其系統設備之間有充分的信號線連接，如此一來，即使某個子系統出現意外情況，也不至于全軍覆沒，未被波及的系統依然可以正常運行。
該項目中最大的難點在于四臺轉爐傾動電機的負荷平衡，要求其必須滿足高速響應、高控制精度、高安全可靠性能。傳統的控制裝置很難滿足上述要求，但是由于本課題選用的是西門子公司的全交流 MASTERDRIVE 6SE70系列變頻器產品，再加上其配合西門子公司的 PLC、PROFIBUS-DP 通訊網絡構建起高性能的傳動系統，有效的解決了傳統控制裝置中存在的弊端，滿足了上述該項目中的技術要求。不僅如此，它還大大提高了控制的響應速度和控制精度，效果明顯。
5.2 抗干擾措施
供電系統中一般都存在大量的高次諧波，這會嚴重威脅本轉爐系統的正常運行，對此，我們針對本系統特點設計了以下抗干擾措施：
5.2.1 接地
在接地方面，我們將計算機以單獨的方式進行接地，保證接地電阻控制在 1.0Ω 以內，并保持電氣接地的獨立性，避免因為接地環在接地線位置上產生接地電流引發不必要的誤操作。
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，并保證電力電纜間能夠以分開的方式進行敷設。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蔽功能的電纜設備，以此起到消除耦合干擾以及輻射干擾的作用。
5.2.3 模擬量輸入信號濾波
對于進入到 PLC 系統中的模擬量，我們在保證這部分輸入信號實際進入到模擬量通道之前就通過光電隔離器的應用對可能存在的串模干擾進行了消除，以此起到了提升通道信噪比的效果。
5.2.4 電源隔離
對于實現系統完成自動控制的電源，我們專門為其安排了獨立、具有屏蔽的隔離變壓器供電，并保證該隔離變壓器外殼能夠以單獨的形式接地，以此在同強電設備電位以及 PLC 進行良好隔離的基礎上有效降低來自供電線路的干擾，同時，其還能夠有效避免 PLC 系統出現誤動作。
5.2.5 程序設計
在控制系統程序方面，為了避免模擬量瞬時干擾現象，應用了數字濾波技術，在輸入信號方面，為了盡量避免出現誤信號，應用了鎖存和指令對比技術。
6 應用效果
經過一系列的改造，現場控制站在與設備自帶 PLC通訊系統實現了 Profibus_FMS 控制，其通訊介質為屏蔽雙絞線，通訊速率最大可達 1.5Mbit/s；10KV 及各變電所的相關信號，通過智能繼電保護裝置及智能空氣斷路器、用PROFIBUS－DP 的通訊方式與現場控制站交換數據，每個間隔保護及測量裝置均作為現場控制站的從站；現場控制站采用西門子 S7 400 PLC，CPU 采用 4163DP 高檔 CPU，不僅有效降低了人工勞動強度，也大大提高了運算效率和生產效率。且由于操作畫面可以實時的傳播出來，相關人員的系統操作難度有效降低了，系統設計更為人性化，對底吹及氮封系統的改進大大節約了氮氣，提高了各鋼種冶煉質量，同時進一步降低可冶煉成本。事實證明，采用西門子自控系統控制整個項目的實施是可行的，在采用該控制裝置的過程中不僅整個系統運行比較穩定，而且使用效果良好，不僅事故的發生率大大降低了，而且取得了良好的經濟效益。西門子自動系統不僅體現了其生產公司的智慧，屬于國際先進的控制體系，同時該自控系統也是完全符合相關國際組織的規范標準的。
7 結論
可以說，轉爐是煉鋼生產過程中非常重要的一個環節，通過 PLC 在轉爐上的應用，對于轉爐工作的穩定、高效開展具有十分積極的意義。在上文中，我們對 PLC 控制在轉爐上的應用案例進行了一定的研究，具有較好的研究與應用價值，建議將本文所述控制系統進一步推廣應用到更多工業領域，通過提升設備自動化控制水平來提高生產效率和經濟效益。
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