吳改枝，張玉霞，張慶敏

（1.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鐵廠，天津 300301；2.天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司棒線廠，河北涉縣 056404）

3 200 m3高爐開口機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳改枝1，張玉霞1，張慶敏2

（1.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鐵廠，天津 300301；2.天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司棒線廠，河北涉縣 056404）

為實(shí)現(xiàn)3 200 m3高爐開口機(jī)自動(dòng)開鐵口控制功能，對(duì)開口機(jī)原有控制系統(tǒng)的控制難點(diǎn)、存在不足和生產(chǎn)過程進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套適合天鋼3 200 m3高爐開口機(jī)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)控制效果良好，性能穩(wěn)定、可靠，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

高爐 開口機(jī) 自動(dòng)控制 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

1 引言

高爐開口機(jī)是打開鐵口的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其控制的優(yōu)劣直接影響到高爐出鐵效率。自動(dòng)化程度的高低是控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)志，開口機(jī)是高爐生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作效率的高低和控制系統(tǒng)的優(yōu)劣是高爐煉鐵控制水平高低的重要評(píng)價(jià)之一。決定開口機(jī)工作效率的主要因素是開口機(jī)的自動(dòng)化程度，其高低直接影響高爐出鐵的效率和高爐爐況穩(wěn)定，并對(duì)開鐵口成本以及能耗的高低起著決定性作用。因此，提高開口機(jī)的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)一套開口機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在高爐煉鐵行業(yè)尤為必要。本文對(duì)影響開口機(jī)自動(dòng)控制的因素進(jìn)行了分析，完成了開口機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)工藝概述

高爐在一次出鐵之后，用泥炮在高壓下把耐火炮泥打入鐵口通道，直至將鐵口封?。划?dāng)下一次出鐵時(shí)，在出鐵通道使用開口機(jī)將炮泥鉆一個(gè)孔，放出爐缸內(nèi)鐵水及爐渣，這就是開口機(jī)的作用。開口機(jī)由三大部分組成：機(jī)身大臂旋轉(zhuǎn)部分，其作用是把開口機(jī)本體旋轉(zhuǎn)到鐵口的工作位置并且對(duì)準(zhǔn)鐵口；小車進(jìn)給部分，其作用是通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)開口機(jī)前進(jìn)小車向鐵口方向進(jìn)給，從而將開口機(jī)鉆桿推入鐵口通道，同時(shí)使鉆桿對(duì)鐵口通道內(nèi)的炮泥產(chǎn)生壓力；鉆桿的旋轉(zhuǎn)和錘擊部分，其作用是在鉆桿對(duì)炮泥發(fā)生向前進(jìn)給壓力的同時(shí)，鉆桿不斷旋轉(zhuǎn)和錘擊，在共同作用下將鐵口打開。一般情況下采用旋轉(zhuǎn)方式開鐵口，只有在鐵口炮泥硬度很大，即遇到硬點(diǎn)，也就是在進(jìn)給力不能促使小車前進(jìn)時(shí)，可根據(jù)鐵口情況切入錘擊動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)改造前的工作狀況和存在不足

3.1 開鐵口操作通過人工干預(yù)完成

開口機(jī)控制系統(tǒng)在改造前主要以手動(dòng)或半自動(dòng)控制進(jìn)行開鐵口工作。手動(dòng)開鐵口是指操作人員在爐前操作室（鐵口附近）按照工藝順序手動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備控制開關(guān)和按鈕來驅(qū)動(dòng)設(shè)備的作業(yè)。半自動(dòng)控制是指在開鐵口操作過程中仍然由人工干預(yù)來進(jìn)行開口作業(yè)，只是在開口過程中，有部分順序操作在PLC中有一定的聯(lián)鎖判斷來幫助操作員減少操作失誤。由于這兩種作業(yè)都存在人工干預(yù)，所以不同操作員的思想、技術(shù)等差異會(huì)產(chǎn)生不同的操作結(jié)果，為高爐的爐況以及出鐵狀況埋下不穩(wěn)定隱患；而且操作員在鐵口附近工作，其安全也得不到保障，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程可視化控制開鐵口是提高開口機(jī)工作效率和自動(dòng)化程度的最優(yōu)選擇。

3.2 旋轉(zhuǎn)速度控制不精確

目前的旋轉(zhuǎn)速度控制依靠旋轉(zhuǎn)過程中的4個(gè)定點(diǎn)限位開關(guān)來調(diào)節(jié)開口機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的高低。4個(gè)限位開關(guān)分為停止位、高速位、減速位和工作位。三段速度分別是低速-高速-低速，限位開關(guān)的高速位為加速點(diǎn)，減速位為減速點(diǎn)。由于開口機(jī)旋轉(zhuǎn)向前與鐵口接觸時(shí)盡可能不對(duì)鐵口、冷卻水管道以及高爐本體產(chǎn)生撞擊，而且還必須使開口機(jī)的本體部分與高爐本體充分接觸，這就要求開口機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中的速度控制必須精確。目前僅靠4個(gè)點(diǎn)來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，過于粗略，由于操作員的經(jīng)驗(yàn)缺乏或者操作失誤經(jīng)常造成開口機(jī)與高爐的巨大撞擊，降低高爐壽命并對(duì)爐體周圍的冷卻系統(tǒng)等造成損傷。

3.3 錘擊速度測(cè)量不準(zhǔn)確

目前開口機(jī)的錘擊系統(tǒng)的控制狀態(tài)為：只要進(jìn)行開口作業(yè)，且當(dāng)開口機(jī)進(jìn)給小車前進(jìn)的行程超過鐵口設(shè)定鐵口深度的一半時(shí)，操作員馬上發(fā)出錘擊命令投入錘擊動(dòng)作，并且為最大等級(jí)。因此，如果鐵口通道內(nèi)的炮泥阻力沒有達(dá)到硬點(diǎn)，不會(huì)對(duì)開口機(jī)產(chǎn)生太大損傷，否則，開口機(jī)的錘擊系統(tǒng)以及進(jìn)給本體會(huì)因?yàn)檫^大的錘擊力而被損壞。

3.4 鐵口深度測(cè)量不準(zhǔn)確

目前鐵口深度檢測(cè)只通過開口機(jī)進(jìn)給小車的行程來測(cè)量，鐵口的深度測(cè)量誤差太大。國內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)對(duì)鐵口深度的檢測(cè)是通過小車進(jìn)給速度的變化、進(jìn)給壓力變化和鉆孔速度等幾個(gè)參數(shù)來綜合判斷鐵口的深度。

針對(duì)上述不足，本文對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行了控制策略和控制方法的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套適應(yīng)我廠開口機(jī)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4 全自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)（也稱操作員站）和PLC（也稱下位機(jī)）兩級(jí)，網(wǎng)絡(luò)分為上層管理網(wǎng)和下層控制網(wǎng)兩層，如圖1所示。上層管理網(wǎng)連接工程師站和操作員站，符合TCP/IP協(xié)議，通信速率為100 MB/s。下層PLC控制站通過140NOE-77101以太網(wǎng)適配器與交換機(jī)連接，操作員站為西門子工控機(jī)，通過網(wǎng)卡與交換機(jī)連接。下層PLC控制站由2個(gè)主站和3個(gè)遠(yuǎn)程站組成，其中1#PLC主站帶2個(gè)遠(yuǎn)程站，2#PLC主站帶1個(gè)遠(yuǎn)程站。主站和遠(yuǎn)程站之間通過交換機(jī)連接，主機(jī)架和分機(jī)架之間通過RIO處理器接口、RIO分支器以及F接頭進(jìn)行連接。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式具有安裝靈活、性價(jià)比高的特點(diǎn)。開口機(jī)控制系統(tǒng)配備2臺(tái)操作員站，互為備用，接收PLC控制站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示開口機(jī)生產(chǎn)過程的流程圖、設(shè)備運(yùn)行狀況和過程參數(shù)值；提供過程量設(shè)定值和控制參數(shù)的設(shè)定、顯示設(shè)備故障的報(bào)警畫面；顯示實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)并形成歷史數(shù)據(jù)庫。主控制室內(nèi)設(shè)電站電源和不間斷電源（UPS）各1臺(tái)，市電首先經(jīng)過電站電源穩(wěn)定后，再經(jīng)過UPS，然后為系統(tǒng)供電。1#PLC與2#PLC安裝在控制室的配電柜中，以滿足系統(tǒng)在斷電的情況下進(jìn)行緊急處理的需要。

圖1 開口機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

操作員站主要完成生產(chǎn)任務(wù)管理、生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程手動(dòng)操作、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與1#PLC和2#PLC之間進(jìn)行通信等功能。下位機(jī)1#PLC主要完成與上位機(jī)間的通信，向遠(yuǎn)程站發(fā)送動(dòng)作命令及運(yùn)行參數(shù)，接收來自遠(yuǎn)程站的相關(guān)數(shù)據(jù)，并發(fā)給上位機(jī)。下位機(jī)2#執(zhí)行來自1#PLC的命令，并且發(fā)送命令給其遠(yuǎn)程站，完成數(shù)據(jù)的采集及處理。

5 全自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

5.1 旋轉(zhuǎn)速度控制

針對(duì)旋轉(zhuǎn)速度，本系統(tǒng)采用在維修模式和緊急模式下給出一個(gè)固定的速度，保證設(shè)備和人身安全的情況下開口機(jī)勻速轉(zhuǎn)向鐵口；在遠(yuǎn)程手動(dòng)模式和自動(dòng)模式下，旋轉(zhuǎn)向前過程設(shè)計(jì)為3個(gè)階段，通過PLC自動(dòng)控制其速度，三段速度控制點(diǎn)的切換通過四個(gè)定點(diǎn)限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。4個(gè)限位開關(guān)分為停止位、高速位、減速位、工作位。三段速度分別是低速-高速-低速，限位開關(guān)的高速位為加速點(diǎn)，減速位為減速點(diǎn)。控制旋轉(zhuǎn)速度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為比例閥，調(diào)節(jié)過程是通過PLC編程自定義速度調(diào)節(jié)模塊對(duì)旋轉(zhuǎn)速度比例閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度的控制，具體調(diào)節(jié)過程如下：

（1）從基本位置到高速位置過程的速度是從0增加到25 mm/s，這個(gè)過程在PLC程序中采用均勻遞增的方法來實(shí)現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)，將旋轉(zhuǎn)速度平均分為10等份，在加速過程時(shí)間內(nèi)均勻增加，加速過程時(shí)間基本穩(wěn)定在（10±2）s，把速度從基本位置以2.5 mm/s的大小進(jìn)行遞增。旋轉(zhuǎn)到高速位置，經(jīng)過1 s，將速度從25 mm/s增加到35 mm/s。

（2）高速階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)以35 mm/s勻速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到達(dá)減速點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過1 s，將速度從35 mm/s降低到20 mm/s，之后整個(gè)減速過程在PLC程序中采用均勻遞減的方法來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。將旋轉(zhuǎn)速度平均分為20等份，在減速過程時(shí)間內(nèi)均勻遞減，減速過程時(shí)間基本穩(wěn)定在（8±2）s，把速度從高速位置以每次減少2.5 mm/s的大小進(jìn)行遞減，到達(dá)工作位時(shí)以0速度與高爐本體“軟接觸”。

5.2 進(jìn)給和鉆孔速度控制

針對(duì)開口機(jī)進(jìn)給速度和鉆孔機(jī)構(gòu)速度的控制復(fù)雜性，采用了常規(guī)PID控制方法，通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試，工程整定法進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)整定，實(shí)現(xiàn)開口機(jī)的全自動(dòng)化控制，使控制系統(tǒng)達(dá)到較高的控制品質(zhì)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，上述兩個(gè)速度采用PID控制方式進(jìn)行模擬量輸出，執(zhí)行元件為比例調(diào)節(jié)閥。按照檢測(cè)的進(jìn)給與設(shè)定目標(biāo)值的偏差量，通過PID控制輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來減小偏差，達(dá)到所設(shè)定的速度目標(biāo)值。其中進(jìn)給速度設(shè)定值為進(jìn)給比例閥PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)，進(jìn)給小車上安裝的編碼器測(cè)得的進(jìn)給速度為進(jìn)給比例閥PID控制器負(fù)反饋信號(hào)；設(shè)定鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為旋轉(zhuǎn)PID控制器輸入信號(hào)，鉆桿上安裝的角位移檢測(cè)信號(hào)作為PID控制器負(fù)反饋信號(hào)輸入，在常規(guī)的PID控制器模塊，我們只要在編程時(shí)調(diào)用PID的模塊，設(shè)定合理的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。

5.3 鐵口深度控制

鐵口打開條件判斷程序?qū)崿F(xiàn)：當(dāng)進(jìn)給速度瞬間大于80 mm/s，進(jìn)給壓力瞬間小于30 kg，且保持1 500 ms，同時(shí)進(jìn)給位移（小車前進(jìn)位移）大于3.4 m，小車全部行程大于4.4 m或者到達(dá)極限行程時(shí)，PLC程序判斷認(rèn)為鐵口已經(jīng)打開，并迅速退回鉆桿，開鐵口機(jī)以最大速度旋轉(zhuǎn)回停止位置。

6 全自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果

本系統(tǒng)投入運(yùn)行后，通過對(duì)開口機(jī)鉆頭、鉆桿的氣霧和冷卻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)開口機(jī)小車機(jī)構(gòu)的錘擊強(qiáng)度、旋鉆速度、進(jìn)給速度的各級(jí)檔位之間比例閥開度結(jié)合液壓壓力、流量實(shí)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，鐵口深度的合理管理，使得爐前作業(yè)自動(dòng)控制開鐵口一次開口成功率達(dá)到95%以上，同時(shí)降低了開口機(jī)鉆頭和鉆桿的消耗。通過系統(tǒng)運(yùn)行前后鉆桿和鉆頭單耗對(duì)比系統(tǒng)改造的主要經(jīng)濟(jì)效果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可以計(jì)算出自動(dòng)控制系統(tǒng)投入前后開鐵口成本消耗節(jié)約費(fèi)用，數(shù)目非常可觀，經(jīng)濟(jì)效益可以通過此方法統(tǒng)計(jì)：如年同比節(jié)約成本或耗材費(fèi)用約為：（16.7×3000+22×800+6.8×2800）×12=104.088萬元/年。

表1 鉆頭、鉆桿同比消耗對(duì)比表

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高爐開鐵口機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，通過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明：該系統(tǒng)控制效果良好；系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)操作簡便，易于維護(hù)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化水平明顯提高，降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

[1]韓德林.包鋼煉鐵廠近幾年?duì)t前技術(shù)的進(jìn)步[J].包鋼科技，1993（3）：64-100.

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Design of F ully Automatic Control System of 3 200 m3BF Taphole Drill

WU Gai-zhi1,ZHANG Yu-xia1and ZHANG Qing-min2
1)Iron-making Plant,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,Tianjin 300301,China；2)Bar Mill,Tianjin Tiantie MetallurgyGroupCompanyLimited,SheCounty,Hebei Province 056404,China

In order to realize the automatic control functions of 3 200 m3BF taphole drill,the control difficulties,existing shortcomings and production process of original system were studied and a fully automatic control system suitable for taphole drill was designed.The system gives good control effect with stable and reliable performance,increases productivity with lower cost and achieves anticipated design goal.

BF;taphole drill;automatic control;system;design

吳改枝，女，碩士，工程師，主要從事高爐PLC系統(tǒng)、高爐報(bào)表系統(tǒng)和專家系統(tǒng)維護(hù)方面的工作，Email：wugaizhi@tom.com。

（收稿 2012-05-27 編輯 潘娜）