張豫川

（1、中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122 2、重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術研究中心有限公司，重慶 401122）

1 概述

電弧爐冶煉過程的主要技術要求是:高生產(chǎn)率、低電耗、較高且合理的功率因數(shù)。為了滿足上述技術要求，近代LF鋼包精煉爐煉鋼過程都立足于自動控制。為了降低電能消耗和達到合理的電網(wǎng)功率因數(shù)，首先要實現(xiàn)電極升降自動控制，這也是鋼包精煉爐煉鋼的關鍵所在。電極調(diào)節(jié)要求快速跟蹤電弧電流、電壓信號，要求存儲容量大，通訊能力強，需要單獨使用一套控制系統(tǒng)以滿足生產(chǎn)要求。鋼包精煉爐煉鋼是連續(xù)性熱線生產(chǎn)，要求較快的生產(chǎn)節(jié)奏，要求控制系統(tǒng)具有在線維護功能，即在不停止其他子系統(tǒng)正常運行的前提下，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)故障的部分進行更換。另外，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高次諧波和強大的磁場對控制系統(tǒng)的運行提出了嚴格的要求，因此，應該設置兩臺PLC共同完成對整個精煉爐生產(chǎn)線的控制。經(jīng)全面權衡、比較，精煉爐爐體自控系統(tǒng)選用Rockwell公司性能價格比優(yōu)秀的ControlLogix RSLogix5000系列 PLC;精煉爐電極控制由于要求反應迅速、控制點數(shù)較少選用Rockwell公司的RSLogix5000 PLC。這兩套系統(tǒng)通過DeviceNET控制總線聯(lián)接成車間控制級網(wǎng)絡。監(jiān)控軟件采用INTACH，它是一種具有生動用戶界面的先進系統(tǒng)，其功能可隨任務增加，它為用戶提供了安全保障，能保證數(shù)據(jù)的完整性,是全面開放的軟件。

2 鋼包精煉爐生產(chǎn)工藝概況

本文以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼120噸LF鋼包精煉爐為依據(jù)，LF-120t公稱容量120噸。變壓器的額定容量為2100kva，變壓器一次額定電壓35kV，變壓器二次電壓分11級:從360V-324V-240V。通過轉(zhuǎn)爐煉鋼初步調(diào)整鋼水的成分，溫度和成分滿足要求之后，把鋼水倒入鋼包，再把鋼包開到精煉位，開始精煉，精煉進一步調(diào)整鋼水的溫度和成分，使之符合所煉鋼號的成分。精煉完畢，把鋼包開到吊包位，吊往連鑄機。精煉過程中，在車間調(diào)度室集中進行調(diào)度管理。

它的工作過程可簡單概括為:主液壓泵啟動、變壓器油泵啟動，然后三電極提升,爐蓋上升，注入鋼水的鋼包就位。接著爐蓋下降、三電極下降，開始精煉。精煉過程中需測溫、取樣、化驗、添加合金。經(jīng)測溫和化驗，鋼水的溫度和成份合格后，爐子開關斷開，電極提升，爐蓋上升，由鋼包車將其運到吊包位。鋼包車開向吊包位的過程中，可停下來，通過喂絲機進一步微調(diào)成份，然后繼續(xù)開向吊包位。

生產(chǎn)工藝示意圖參見圖1:

3 LF爐精煉數(shù)?？刂萍夹g方案

圖1 120噸鋼包精煉爐生產(chǎn)工藝圖

3.1 LF爐精煉模型控制技術的初期設計

3.1.1 保證設計的升溫速度

一般設計的LF處理時間約45分鐘，這段時間是鋼包精煉爐-精煉-連鑄三聯(lián)環(huán)過程中的樞紐，如果因故延遲就會影響前后工序，輕者使全車間生產(chǎn)節(jié)奏放慢，加大了能耗，嚴重時會打亂全廠的生產(chǎn)秩序。為了確保上述的升溫速度，實際上就是要保證有相當大小的有功功率輸入，以及一個有一定靜動態(tài)指標的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)。基于快速性和冶煉初期控制精度要求相對較低，所以擬采用快速最優(yōu)方案-恒阻抗控制，實現(xiàn)電極升降控制系統(tǒng)能無超調(diào)的快速調(diào)整。

3.1.2 保證鋼包的壽命

精煉鋼包的使用次數(shù)是影響精煉鋼經(jīng)濟效益的關鍵環(huán)節(jié)。但是，在LF爐電弧加熱時并沒有向超高功率鋼包精煉爐那樣裝備有水冷爐壁，因而外露的電弧將對鋼包耐火材料產(chǎn)生直接的，強烈的輻射、燒損作用，如果不采取措施，將大大降低鋼包的壽命。由于第二相短網(wǎng)阻抗對于其它兩相為小，在同樣電壓下電弧功率就大，所以導致2號電極附近的鋼包耐火材料早期局部燒損，鋼包其他部位耐火材料仍完好，致使鋼包壽命大大降低。為了從根本上解決這一問題，需通過對三相電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的適當調(diào)整來改善功率不平衡問題。因而引入了恒功率及三相功率平衡控制的設計思想。

3.1.3 確保嚴格的LF爐處理時間

為了保證LF爐的全部處理時間為規(guī)定值，除了要有足夠的升溫速度之外，其它非升溫占用的處理時間也要在規(guī)定時間內(nèi)完成。因而LF爐處理過程的全部電氣設備必須滿足以下要求，配合整個冶煉生產(chǎn)線的快速節(jié)奏。鋼包車、爐蓋升降系統(tǒng)工作可靠，有一定的靜態(tài)工作速度;由于在加料、測溫等過程均需停電并手動升起電極，因而電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的手動升降速度必須滿足要求;測溫系統(tǒng)、風動送樣系統(tǒng)要求快速、準確。

3.1.4 現(xiàn)場采集經(jīng)驗，豐富完善軟件智能

在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集期間，與崗位操作人員及管理人員廣泛交談，聽取操作人員的工作經(jīng)驗和操作方法，結合實際反復對比、分析、驗證，收集整理后，吸取其精華，對軟件程序進一步修改完善，增設功能。如針對精煉期鋼液平穩(wěn)，電弧較穩(wěn)定，但起明弧，熱效率低，設計了恒弧長控制的方案。使電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式更靈活，具有更強的智能性、多段特性，獲得最佳調(diào)節(jié)效果。

3.2 控制策略確定及系統(tǒng)工作原理

鋼包精煉爐煉鋼是復雜的物理化學過程，冶煉過程各階段千變?nèi)f化，干擾不同，功能不同，對電極升降控制性能要求也不相同。因而國內(nèi)外學者對電極升降自動控制曾做了大量工作，以期能實現(xiàn)低能耗和高功率因數(shù)的目標。自1970年以來，先后提出了電極動態(tài)最優(yōu)控制、電極動態(tài)功率控制、電極阻抗在線控制、電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識方法、電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)辨識和自校正控制等。本方案是根據(jù)LF爐煉鋼過程特點，在深入分析其機理的基礎上，提出的LF爐精煉模型控制，是一種基于快速性和靈敏性相結合的智能復合控制方案。

電極升降智能復合控制框圖如圖2所示:

圖2 電極升降智能復合控制框圖

圖2 中Ih、Uh為弧壓、弧流實時采樣信號，ls為給定弧長，lp為根據(jù)實測值計算所得弧長。規(guī)則集根據(jù)弧長偏移量確定，組成簡單的規(guī)則集。伺服閥，控制電極上升或下降，從而實現(xiàn)對Z值的調(diào)節(jié)。

4 計算機系統(tǒng)硬件配置

4.1 系統(tǒng)硬件選型

從鋼廠的實際情況出發(fā)，針對工藝的繁雜性，考慮到備品備件的一致性，本著先進、可靠的原則，進行各種方案分析、對比，最后決定選用Rockwell公司的Logix5000系列PLC。監(jiān)控軟件采用Rockwell公司的INTACH,運行于windows nt平臺。通過INTACH,可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，并且可以對重要參數(shù)形成歷史記錄，以報表或曲線的形式顯示給操作人員。通過c語言腳本，可以把各種報警通過聲卡播放出來。

4.2 系統(tǒng)硬件配置

4.2.1 精煉爐電極調(diào)整PLC硬件配置

選用Logix5000L55M控制器,Logix5000的出色表現(xiàn)在于:極高的可靠性，豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模板，便捷的操作。其中，選用1756系數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊，DeviceNet接口模板用以完成和車間級控制總線網(wǎng)絡的連接，一套智能測溫取樣檢測儀，監(jiān)控站（和PLC通訊通過EtherNet/IP以太網(wǎng)控制協(xié)議）。

4.2.2 精煉爐本體控制PLC硬件配置

Logix5000L55M具有速度相應快，用戶內(nèi)存大，內(nèi)置RS-232通訊接口,而且可以選配EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、Data

Highway Plus、Universal Remote I/O、serial DH-485、SynchLink通訊卡間，滿足編程需要。它的數(shù)字量處理能力和模擬量處理能力完全能夠滿足實際I/O點數(shù)的需求，并且預留了將來的擴展能力。另外配置一塊DeviceNet通訊卡以完成和DeviceNet網(wǎng)絡的連接。

數(shù)字量輸入模板選用1756-IB系列,輸出模板選用1756-OB系列,它們均是24vdc,32點的數(shù)字量模板。所有的輸出通道通過24v繼電器和外部強電設備隔離，這樣保證了信號不受外部電磁干擾。

模擬量輸入模板采用1756-IF:它是16路模擬量輸入模板，除能夠接受標準信號外，還可以接受熱電阻，熱電偶等信號以及標準4～20ma和1～5v以及熱電偶等信號。

所選模板大都具有自診斷功能，能夠通過自身的狀態(tài)指示燈指示各種故障或?qū)⒐收闲畔l(fā)給CPU。這樣，維護人員可以盡快的查出故障原因，采取相應的措施。

所有的模板均可以帶電插拔，并且由于采用后聯(lián)接器連接，維護人員可以在不進行全系統(tǒng)停電的情況下迅速更換損壞的模板，保證生產(chǎn)的連續(xù)進行。

本工程自動化總體方案以“集散控制、分層結構”為主要特點，整個自動化系統(tǒng)可分為三層:第一層:現(xiàn)場參數(shù)檢測與終端執(zhí)行第二層:分散的數(shù)據(jù)處理、過程控制第三層:集中操作監(jiān)視

精煉爐生產(chǎn)線系統(tǒng)結構如圖3所示。

5 計算機系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

5.1 精煉爐電極自動調(diào)整控制

精煉爐電極升降自動控制系統(tǒng)，是一個PC+PLC+智能檢測儀表組成的分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)控制方案中所述控制思想，利用數(shù)學模型，通過定義規(guī)則集，復合恒阻抗控制、恒功率控制、三相功率平衡控制、恒弧長控制、自適應的PID控制多種控制方法，以實現(xiàn)電極升降的精確調(diào)節(jié)。

圖3 精煉爐自控系統(tǒng)結構圖

5.1.1 弧流、弧壓給定檢測:采用電壓變送器和電流變送器將弧流、弧壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴?～20mA信號，送入模擬量輸入模塊1756-IF，同時上位機將給定信號送入PLC，線路簡單，結構緊湊，減少了故障點，提高了可靠性。

5.1.2 精煉爐變壓器電參數(shù)測量:該系統(tǒng)使用一套智能表計，輸入標準的三相5A和100V電信號就可以檢測到精煉爐運行狀態(tài)的電參數(shù)，如三相或單相的電流有效值，電壓有效值，有功功率，無功功率等傳向PLC和上位機，從而對精煉爐的運行狀態(tài)進行分析，為優(yōu)化提供必要的依據(jù)。

5.1.3 調(diào)節(jié)器采用可組合多種控制方法的模型控制，具有多段特性、智能型，以適應爐內(nèi)的變化，獲得最佳效果調(diào)節(jié)。

5.1.4 系統(tǒng)具有最大電流限流保護、短路快速提升保護、單電極觸及物料自停保護、正常跳閘保護功能。

5.1.5 手動操作系統(tǒng):以保證在自動調(diào)節(jié)有故障時，不影響冶煉。

5.2 精煉爐本體控制功能

5.2.1 檢查故障、報警

包括:流量、溫度、變壓器瓦斯保護、高壓保護、液壓系統(tǒng)保護等共34項報警，進行聲光及畫面報警。

5.2.2 液壓泵與變壓器油泵

l液壓泵工作情況

兩臺液壓泵運行，一臺液壓泵為備用。當有液壓系統(tǒng)最高油溫、液壓系統(tǒng)過濾器污染、液壓系統(tǒng)最低油位故障信號時，自動切斷液壓泵。

l變壓器油泵

控制起動、關閉。設備本體機旁控制，集中監(jiān)視。

5.2.3 爐蓋上升/下降

爐蓋上升到上位后，自動停止上升;爐蓋下降為點動。

5.2.4 爐蓋上的門開/關

自動控制/機旁均能打開、關閉，以便于測溫、取樣、加合金。

5.2.5 爐子工作狀態(tài)及電極1-3逆止閥工作情況

實現(xiàn)爐子冶煉處于自動/手動狀態(tài)的控制。電極1-3逆止閥的自動動作用于配合電極智能升降調(diào)整的控制。

5.2.6 爐子高壓開關閉合/斷開

聯(lián)鎖所有高壓相關信號:位置、流量、溫度、過載保護、緊急切斷、電源、電極自動調(diào)節(jié)相關信號，安全可靠的實現(xiàn)了高壓開關合閘、緊急自動分閘、正常分閘。

5.2.7 分級開關控制電壓

實現(xiàn)方法:通過選擇開關輸入計算機當前所需電壓（對應調(diào)壓開關的檔位），與當前所用電壓比較來控制電壓的升降。

5.3 監(jiān)控畫面

我們繪制了一幅工藝監(jiān)控畫面，一幅電氣參數(shù)畫面，兩幅生產(chǎn)運行畫面，三幅儀表監(jiān)控畫面，四幅相應的報警畫面以及歷史趨勢畫面。

工藝監(jiān)控畫面分別是精煉爐煉鋼工藝畫面。在工藝畫面中形象的繪制了其工藝流程以及當前電壓檔位和電極、爐蓋、鋼包車的實時位置等。

電氣參數(shù)畫面顯示三相電極運行的各相電氣參數(shù)，有功功率，無功功率，視在功率，cosφ等。

生產(chǎn)運行畫面顯示日歷時間、爐號、班次、送電時間、出鋼時間、熱停工時間、電耗，電極各相運行的電弧電流、各相電壓。

儀表監(jiān)控畫面實時顯示冷卻水流量、溫度，爐身冷卻室溫度等重要工藝熱工參數(shù)。

程序中每個報警信號均在相應的畫面中顯示，同時伴有聲光報警。INTACH具有綜合報警管理功能，在報警總匯里顯示所有的報警信號，報警時間，報警值，報警優(yōu)先級，通過c語言腳本，可以把各種報警通過聲卡播放出來。

5.4 報表功能與歷史趨勢

生產(chǎn)中的一些參數(shù)，需要及時打印，可形成報表。報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可手動任意時間打印。一些重要參數(shù)，如高壓合閘、電極調(diào)節(jié)柜故障等，我們對其進行歷史數(shù)據(jù)存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進行查看。

結束語

LF爐精煉模型控制技術達到的效果:電極響應時間<0.15s，非靈敏區(qū)（死區(qū)）<2%，三相功率不平衡度≤3%;鋼水溫度準確控制在目標值±0.5℃內(nèi)，成分可準確控制在±0.02%內(nèi);噸鋼節(jié)電2%，每爐鋼縮短冶煉時間5-10分鐘;實現(xiàn)自動/手動無擾動切換;大大延長鋼包的使用壽命;畫面顯示工藝流程及工況參數(shù)，并且有報警、打印、歷史趨勢功能。鋼包精煉爐電極自動調(diào)整技術是當前研究的熱點和難點，一些先進的控制算法基本上還停留在理論和仿真研究中。煉鋼鋼廠的LF爐精煉模型控制技術創(chuàng)新性強，建立的精煉爐電極調(diào)節(jié)數(shù)學模型，控制靈活、穩(wěn)定，技術先進，大大提高了電極調(diào)節(jié)的自動化水平。系統(tǒng)自投入運行以來，運行穩(wěn)定、可靠，經(jīng)濟效益顯著。其操作控制參數(shù)可進一步優(yōu)化，節(jié)能降耗等方面的效益會更大。

[1]褚洪璋.鋼包精煉爐適用范圍及發(fā)展前景[J].大型鑄鍛件.1988-03.

[2]張東力.LF泡沫精煉渣研究及鋼包精煉爐數(shù)理模擬[J].東北大學.1997-07.