100t转炉自动控制系统的改造

一、工艺及主要设备介绍

安钢第一炼轧厂１００ｔ转炉于２００４年

３月２６日投产，年设计生产能力１２０万吨。采用顶底复吹工艺，底吹惰性气体；转炉设置两套氧枪提升及横移装置，互为备用可远程换枪作业；设置专用氮气供应系统，采用溅渣护炉技术；采用强制循环及汽化冷却相结合的烟道系统及新一代一次烟气除尘系统。

二、自动化系统的特点

１）１００吨转炉整体控制系统选用西门子ＰＬＣ　Ｓ７－４００系列产品组成工业以太网，工业监控软件选用西门子ＷＩＮＣＣ５．０版本，远程Ｉ／Ｏ现场总线及远程站选用图尔克系列产品

２）转炉倾动、氧枪升降、汽化供水泵、副原料装入、辅助车辆驱动控制采用西门子变频器系列产品，其中转炉倾动驱动控制采用闭环控制保证四台电机同步运行。

三、转炉本体电气自动化系统功能描述

电气自动化系统设计正是按上述工艺要求进行的，电气自动化系统由计算机控制、基础自动化控制、仪表控制、电气控制组成。

１）计算机通过通讯装置采集生产过程数据、对数据进行加工处理、输出控制命令，并与精炼和连铸计算机通讯。

２）基础自动化控制ＰＬＣ－１　复吹系统

ＰＬＣ－２　转炉倾动，氧枪系统ＰＬＣ－３　汽化系统ＰＬＣ－４　二次除尘系统ＰＬＣ－５　副原料上料系统ＰＬＣ－６　副原料投入系统

３）仪表系统主要功能是对各种参数（压力、温度、流量、物位、成分等）

１００ｔ转炉自动控制系统的改造

王慧强　安阳钢铁集团公司第一炼轧厂

进行检测与控制；主、副原料、铁合金等物理量的称量。

４）电气系统主要功能是用于转炉倾动、氧枪升降控制；各种泵站阀站控制；皮带输送控制；副原料装入控制；辅助车辆控制等。

四、转炉本体电气自动化系统改造与完善

１．氧枪系统存在问题与改造措施１）转炉氧枪控制功能完善

转炉氧枪控制与氧枪钢丝绳张力联锁的完善与否，对于转炉能否安全生产，避免恶性事故的发生，起着举足轻重的作用。在我厂１００吨转炉氧枪张力检测单元存在无法克服的缺陷：氧枪张力随着转炉氧枪的升降出现大幅度的变化，虽经多次安装调整，氧枪张力检测仍然无法达到理想状态。实施的改进方案是：

ａ）根据氧枪升降过程中钢丝绳张力变化的规律，制定了氧枪控制与氧枪钢丝绳张力联锁保护的氧枪钢丝绳张力上限为４．２吨，下限为０．８吨（氧枪钢丝绳张力量程为０～４．５吨）。

ｂ）当氧枪正常运行氧枪钢丝绳张力≥４．２吨时，氧枪自动停止提枪，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。但此时复位后如果氧枪钢丝绳张力仍未恢复正常，　氧枪运行只有１０秒时间，且只能下枪而不能提枪。

ｃ）当氧枪正常运行氧枪钢丝绳张力≤０．８吨时，氧枪自动停止下枪，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。但此时复位后如果氧枪钢丝绳张力仍未恢复正常，　氧枪运行只有１０秒时间，且只能提枪而不能下枪。

ｄ）氧枪钢丝绳张力异常时，我们采取的是自动封锁氧枪变频器输出而不是断电保护，更有利于氧枪系统的操作安全保护。

经过上述转炉氧枪控制与氧枪钢丝绳张力联锁功能的改进和完善后，有效地解决了氧枪升降过程中氧枪小车卡轨等可能造成严重后果的异常问题，防止恶性事故的发生，取得了良好的运行效果。

２）氧枪的自动调节系统改造（１）、工作原理：氧枪下到吹炼位或溅渣位时ＰＬＣ给出４～２０ｍＡ，控制阀的气缸进气使阀打开。

（２）、氧枪自动调节系统出现的故障：

首先，溅渣时氮气阀不能打开，或是提枪后氮气阀不能关闭。其次，调节阀不能调节。其后果是：

①影响生产时间，直接降低产量。②不能溅渣，降低炉衬的使用寿命，直接增加成本的消耗。

③由于阀门开关不好使用，使职工要在５０多米的高空来回上下，大大地增加了职工的劳动强度，同时增加了不安全因素（煤气浓度大）。

（３）、故障原因及解决办法

①当时设计气缸为３０００Ｎ扭矩气动球阀，而实际气体压力在２０ＭＰａ左右，与实际相差太大，是气动切断阀开关不好使用的一个原因，仪表压缩空气杂质太多，是阀门不好用的另一原因。

②解决办法：与仪表厂家相关技术人员进行研讨，把气动球阀改为气动直行程快切阀，在仪表气缸前进气管加过滤器。经过改造，目前系统运行正常。

３）转炉氧枪提升系统抱闸改造

转炉氧枪提升系统抱闸原先设计为单个液压抱闸，在使用过程中出现因液压抱闸磨损或调整不到位等因素而发生氧枪下滑溜枪现象，为了消除事故隐患，增加设备运行的可靠性，保证安全生产，我们对之进行改造完善。为了保证液压抱闸动作的同步，防止出现异常情况，我们采取的改造方案是使用同套液压抱闸控制系统同时控制两套液压抱闸，这样可以有效地实现液压抱闸动作的同步，保证设备的正常可靠运行。实施改造以后，设备运行良好，从未出现氧枪下滑溜枪的异常情况。

４）转炉氧枪控制与汽化系统联锁完善根据现场实际生产情况，对其影响安全生产的地方进行了以下功能联锁完善：

正常下枪条件联锁：

在生产过程中随着氧枪的升降汽包水位波动幅度很大，在下枪冶炼以及二次下枪吹炼过程中，尤其是在吹炼过程中的二次下枪吹炼，因汽包水位波动超出正常下枪条件导致无法自动下枪吹炼，必须等到液位恢复正常才能自动下枪吹炼，严重影响生产时间。由于这个联锁条件在转炉安全生产过程中必不可少，我们对其联锁进行了完善。根据现场跟踪观察，正常下枪汽包水位由原先设定的０～＋３００ｍｍ更改为－３００ｍｍ～＋３００ｍｍ，能够满足正常安全生产的需要。经过完善以后，使用情况良好，

从根本上解决了氧枪因汽包水位波动而造成的无法自动下枪吹炼的问题。

汽包水位异常紧急提枪条件联锁：

为了保证转炉的安全生产，根据实际情况，我们在汽包水位以下几个点位设定了报警点（汽包液位低报警—３５０ｍｍ；汽包液位高报警＋４５０ｍｍ）和紧急提枪点（汽包液位低低报警—６５０ｍｍ；汽包液位高高报警＋６００ｍｍ）。汽包液位一旦达到报警点就在操作画面上出现报警，但不参与氧枪控制；汽包液位一旦达到紧急提枪点氧枪就自动紧急提枪到氧枪等待位。

５）转炉氧枪控制功能优化

根据安全生产需要，我们在转炉控制程序上进行了多方位的功能优化完善：转炉氧枪开闭氧点、开闭氮点根据生产情况而进行了多次优化设定，使其能够更好地服务于生产需要。

转炉氧枪升降速度在原先的慢速（变频器输出１０ＨＺ）和快速（变频器输出４０ＨＺ）的基础上增加了中速（变频器输出３０ＨＺ）。氧枪中速只在氧枪等待位以下才起作用，这是为了氧枪在吹炼点的准确定位。

根据转炉倾动摇炉需要，五挡倾动速度又进一步进行功能优化完善，五挡倾动速度分别为：一挡倾动变频器输出为７ＨＺ，二挡倾动变频器输出为１４ＨＺ，三挡倾动变频器输出为２１ＨＺ，四挡倾动变频器输出为２８ＨＺ，五挡倾动变频器输出为３５ＨＺ

２、转炉现场总线改造

１００吨转炉投产后，根据实际生产需要，对铁水车进行了改造，以前的铁水车现场总线及操作箱不再使用，同时由于当初的现场总线过长，串联的分站比较多，再加上现场环境恶劣，经常造成通讯故障，排除故障的时间过长，严重影响制约生产，现对下面现场总线进行了改造。改造完成以后，现场总线不但减少了长度，而且布局更为合理，同时加强线路的防护，大大减少了故障率，运行情况良好，

有力地保障了正常生产。

氧枪倾动ＰＬＣ：在原来的两路通讯回路基础上增加一块通讯板，将２路改为３路。

改造前：１路：ＰＬＣ　ＣＰＵ　ＤＰ口→出钢摇炉操作台→炉后门操作箱→出渣摇炉操作台→主控室操作台→卷帘门操作箱→炉前门操作箱→兑铁摇炉操作台→１＃氧枪操作箱→氧枪横移操作箱→氧枪锁定缸操作箱→２＃氧枪操作箱→２＃氧枪编码器→１＃氧枪编码器

２路：ＰＬＣ ＣＰ４４３－５模板→倾动变频器１＃→倾动变频器２＃→倾动变频器３＃→倾动变频器４＃→氧枪变频器１＃→氧枪变频器２＃→钢包车变频器→倾动编

Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ＜＝＂０１００００００＂；

ｌｅｄ＜＝＂１００００１００＂；

ＥＬＳＩＦ　Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ（３　ＤＯＷＮＴＯ　０）＝０ＴＨＥＮ

Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ＜＝Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ－７；

Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ＜＝Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ－１；

ＥＬＳＩＦ　Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ（３　ＤＯＷＮＴＯ　０）＝０　ＴＨＥＮ

Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ＜＝Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ－１；

Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ＜＝Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ－７；

ＥＬＳＥ

Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ＜＝Ｅａｓｔ＿Ｗｅｓｔ－１；

Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ＜＝Ｓｏｕｔｈ＿Ｎｏｒｔｈ－１；

ＥＮＤ　ＩＦ；

ＥＮＤ　ＩＦ；

ＥＮＤ　ＰＲＯＣＥＳＳ；

ＥＮＤ　ｒｔｌ；

四、仿真及ＦＰＧＡ的硬件实现

运行ＭＡＸ＋ｐｌｕａＩＩ软件，将设计文件分别编译／保存，建立对应的符号文件，将相应文件引入控制器，显示译码器，动态扫描电路，用导线连接，编译／保存，验证电路的逻辑功能和设计的正确性，图１为控制器的仿真波形。

最后硬件采用ＭＡＸ７０００ＡＥ系列ＥＰＭ７０３２ＡＥＬＣ４４＿４芯片，通过专用下载电缆将程序代码下载到器件中，开启电源后，交通灯即可正常运行。

五、结束语

目前ＦＰＧＡ　广泛应用于通信、自动控制、信息处理等诸多领域。作为电子领域的工程技术员，掌握ＦＰＧＡ　技术已势在必行。电子专业设计性、综合性实践教学应根据这一要求，将ＦＰＧＡ　技术引入实践教学，向学生提供必要的实践条件，根据相应的理论课程，开设相应的设计性、综合性实践内容，锻炼学生软件和硬件动手能力，使学生学会应用先进的编程技术设计专用集成电路芯片的方法，提高了学习的积极性。