浦振寶,施曉峰

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,上海 200940)

鐵包和鋼包是煉鋼廠處理、輸送和澆鑄鐵鋼水的主要容器,是常見且重要的生產(chǎn)設(shè)備[1]。在現(xiàn)代化的鋼鐵企業(yè)中,生產(chǎn)節(jié)奏快,并且對制造效率和成本控制有更高的要求,因此,對鐵鋼包和行車的統(tǒng)一信息管理和智能調(diào)度亦提出了更高的要求。目前,新日鐵、浦項均已通過增加檢測設(shè)備,在煉鋼單元基本實現(xiàn)了行車的精確定位、鐵鋼包臺車的精確定位,并結(jié)合自身煉鋼單元物流特點,建立了鐵鋼包使用周轉(zhuǎn)跟蹤管理系統(tǒng),使轉(zhuǎn)爐出鋼溫度要求得到有效控制。近幾年國內(nèi)諸多鋼鐵企業(yè)同樣針對鋼鐵包的智能化管理進行了適應性改造,其中,首鋼遷安煉鋼廠、重慶鋼鐵煉鋼廠等國內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)陸續(xù)建立了鐵鋼包一體化管理系統(tǒng),并投入了實際使用,對煉鋼產(chǎn)線物料周轉(zhuǎn)效率的提升起到了一定的作用[2-3]。

寶鋼股份一煉鋼投產(chǎn)后經(jīng)過多年的升級改造,從鐵水預處理至連鑄已建立比較完整的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、制造管理系統(tǒng)、產(chǎn)銷管理系統(tǒng),工序的自動化水平較高。但是,煉鋼過程是一個有離散特征的連續(xù)系統(tǒng),制造效率與制造精度的提高,不僅依賴于自動化和高效率的裝備,更依賴于高效的鐵鋼水物流管理。如何科學協(xié)調(diào)物流資源、提升資源整合價值、降低資源持續(xù)投入成本,是探索煉鋼廠智慧制造的必要過程。

目前,寶鋼股份一煉鋼區(qū)域?qū)﹁F鋼包的使用安排、行車的吊運安排都是通過人工作業(yè),憑借崗位經(jīng)驗結(jié)合現(xiàn)場各工位處理情況,以電話溝通、手持對講機下達指令來完成。近年來工況環(huán)境隨著鋼種多樣化而變得越來越復雜,人員經(jīng)驗水平亦存在差異,這便導致了作業(yè)效率無法有效提高。另外,鐵鋼包缺少有效的定位及狀態(tài)監(jiān)控,一旦出現(xiàn)問題無法進行有效的定量分析。因此,從滿足一煉鋼生產(chǎn)要求、提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本等方面考慮,在一煉鋼區(qū)域新增面向智能制造的鐵鋼包一體化管理系統(tǒng)是非常必要的。

1 鐵鋼包一體化智能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 煉鋼工藝概述

寶鋼股份一煉鋼區(qū)域工藝流程如圖1所示。

圖1 寶鋼股份一煉鋼區(qū)域工藝流程圖

煉鋼過程主要分為以下三部分:

(1)鐵水預處理。高爐鐵水通過魚雷罐車運輸?shù)綗掍撹F水倒罐區(qū)域進行兌鐵處理;鐵水稱重臺車在倒罐位完成兌鐵后,走行至鐵水包起吊位置,通過原料跨行車將鐵水包吊運至KR鐵水預處理區(qū)域進行脫硫處理;脫硫結(jié)束后再通過原料跨行車將脫硫鐵水吊運至轉(zhuǎn)爐區(qū)域進行脫碳煉鋼處理,而后空鐵水包通過原料跨行車返回至鐵水倒罐區(qū)域。

(2)轉(zhuǎn)爐煉鋼。轉(zhuǎn)爐單元在接受了來自鐵水包的鐵水后,進行轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè),轉(zhuǎn)爐吹煉完成后將鋼水裝入空鋼包,由鋼包臺車運送到鋼包起吊位置,通過行車將鋼水吊運至不同的精煉作業(yè)工位。各精煉作業(yè)工位都配有鋼包臺車對鋼水進行接收。

(3)鋼包精煉。各精煉工位對鋼水處理完成后,可直接由鋼包臺車或經(jīng)過過跨臺車,通過行車將鋼水吊運至連鑄作業(yè)區(qū)域。

1.2 功能設(shè)計

1.2.1 行車和臺車定位系統(tǒng)

為實現(xiàn)行車系統(tǒng)的跟蹤定位、作業(yè)實績信息的準確收集,實現(xiàn)通過行車作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)提高行車作業(yè)效率,需對9臺行車進行三維定位。行車的三維定位指大車在廠房軌道上走行準確位置X、小車在行車軌道上走行準確位置Y、主吊具在作業(yè)時準確高度位置Z。

一煉鋼廠房內(nèi)的工況具有以下特點:

(1)行車大車走行距離長,最長的跨長度近500 m;

(2)原料跨、一跨、二跨內(nèi)均有2臺或3臺行車并行作業(yè);

(3)廠房內(nèi)行車作業(yè)區(qū)域環(huán)境相對惡劣,長期暴露在粉塵高溫下;

(4)行車走行定位屬于精度要求高(5 mm以內(nèi))的連續(xù)定位。

格雷母線定位技術(shù)是一種非接觸式的定位技術(shù),優(yōu)點是無滑脫和磨損等故障;能連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址;通訊適用范圍廣,通過電磁耦合實現(xiàn)通訊,不受環(huán)境條件限制,接收靈敏度高;抗干擾能力強,不受環(huán)境噪音及接收信號電平波動的影響[4-5]?；趶S房內(nèi)工況條件,9臺行車的大車和小車定位擬統(tǒng)一采用格雷母線技術(shù)。

每套格雷母線系統(tǒng)設(shè)備的組成包括地面電氣柜、車載電氣柜、刻度標尺以及游尺指針等。其中刻度標尺是由扁平狀的PVC合成材質(zhì)外殼材料和按照格雷碼規(guī)律編制的芯線構(gòu)成,類似一把有刻度的標尺,安裝于天車一側(cè)的欄桿立柱上。每跨行車行駛軌道均安裝鋪設(shè)標尺,游尺指針安裝在機車上,用于設(shè)備所裝機車所在的位置。游尺指針相對于刻度標尺平行非接觸式移動,游尺指針指向的刻度即是當前位置值。大車格雷母線安裝于行車軌道欄桿處,用于定位位置X;小車軌道安裝于行車梁上部,用于定位位置Y。

通過在主提升電動機馬達連軸器或減速機軸上安裝絕對值編碼器實現(xiàn)主吊具高度測量,用于定位位置Z。將編碼器信號接入現(xiàn)有行車PLC系統(tǒng)。

至此,行車三維位置信息已獲得,每臺行車的車上采集的信號包括大小車定位信號和主吊具高度信號。各類車上設(shè)備信號通過信號轉(zhuǎn)換,通過RS232/485接口接入車載終端。如圖2所示,各個車載終端通過車上無線模塊,經(jīng)由各跨AP基站形成的無線局域網(wǎng)絡(luò),與鐵鋼包行車一體化管理系統(tǒng)進行通訊。車載終端的主要功能包括各類作業(yè)指令下達、行車位置顯示、作業(yè)任務(wù)指導和作業(yè)實績處理功能。

圖2 行車無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對臺車位置的定位跟蹤控制統(tǒng)一采用激光定位的方式,激光定位信號通過各主工藝設(shè)備PLC控制系統(tǒng),并以O(shè)PC通訊方式上傳現(xiàn)有過程計算機系統(tǒng)。

1.2.2 鐵鋼包定位系統(tǒng)

通過行車、臺車位置跟蹤結(jié)合生產(chǎn)物流計劃及各處理單元的狀態(tài)信息,可以較為準確地推定基于包號的鐵鋼包具體位置。但系統(tǒng)會受到人為因素或檢測設(shè)備因素的干擾,而出現(xiàn)跟蹤偏差,并且無法及時糾正,這必然給生產(chǎn)物流造成影響。因此,需新增鐵鋼包定位識別裝置,在關(guān)鍵路徑對鐵鋼包包號信息進行驗證確認,確保關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)包號的準確性。

煉鋼區(qū)域鐵鋼包的工作環(huán)境多為高溫、多煙氣環(huán)境,工況條件相對惡劣。耐高溫SAW-RFID標簽技術(shù)具有數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、無源無線、抗干擾性強、可動態(tài)修改、易于維護、讀取距離遠且可工作于惡劣環(huán)境等特點,因此被廣泛應用于各種領(lǐng)域[6]。

鑒于此,采用耐高溫SAW-RFID技術(shù)實現(xiàn)對鐵鋼包包號的跟蹤。即在烘烤裝置區(qū)域完成上線鐵鋼包包號的初始標記,一旦鐵鋼包投入生產(chǎn)物流的周轉(zhuǎn)流程,在鐵包和鋼包每個周轉(zhuǎn)周期進行1次必要的信息驗證,從而對鐵鋼包包號邏輯跟蹤識別進行修正,提高跟蹤系統(tǒng)的準確性,為鐵鋼包一體化管理系統(tǒng)提供必要條件。

耐高溫SAW-RFID鐵鋼包跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計方案如下:

在每座鐵包和鋼包兩側(cè)各安裝一個耐高溫SAW-RFID標簽,安裝位置為吊耳下部空格內(nèi),這樣可有效保護標簽設(shè)備。標簽為無源設(shè)備,通過焊接方式固定于鋼包外壁,共104件。

在7臺烘烤器位置的烘烤器支架上配置SAW-RFID標簽讀寫器設(shè)備,讀寫器與標簽距離約3～4 m,用于上線鐵鋼包包號信息的獲取。在鐵水倒罐兩個工位的鐵水包起吊點分別配置SAW-RFID標簽讀寫器設(shè)備,讀寫器與標簽距離約2～3 m,用于鐵包周轉(zhuǎn)過程中的鐵包號信息驗證。在4臺鋼包傾翻臺裝置分別配置SAW-RFID標簽讀寫器,讀寫器安裝于傾翻牌坊混凝土平臺處,讀寫器與標簽距離約2～3 m,用于鋼包周轉(zhuǎn)過程中的鐵包號信息驗證,鋼包從連鑄大包平臺下線后必須回到該區(qū)域?qū)︿摪M行熱檢,且該區(qū)域環(huán)境溫度相對主作業(yè)線低,有利于設(shè)備的使用維護。

2號傾翻臺裝置處新增配置1套西門子S7-300PLC,用于4個傾翻工位耐高溫SAW-RFID讀寫器的信號采集。讀寫器輸出串口RS232信號,通過配置通訊模塊,將串口信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Profibus-DP,就近接入相關(guān)系統(tǒng)的控PLC系統(tǒng),鐵鋼包包號信息通過PLC通訊發(fā)送至鐵鋼包行車一體化管理系統(tǒng)。鐵鋼包SAW-RFID信息讀取系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 鐵鋼包SAW-RFID信息讀取系統(tǒng)圖

1.2.3 鐵鋼包烘烤系統(tǒng)

一煉鋼范圍內(nèi)共7臺鐵鋼包烘烤裝置,為實現(xiàn)一鍵按需烘烤,實現(xiàn)鐵鋼包信息的全程跟蹤與控制,實現(xiàn)鐵鋼包溫度自動補償,需升級烘烤器MCC單元、完善現(xiàn)場檢測設(shè)備、實現(xiàn)烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機系統(tǒng)間的信息交換并新增溫度管控及鋼包耐材使用預警模型。具體設(shè)計方案如下:

(1)升級MCC單元。對每個烘烤器包蓋升降電動機、鼓風機和引風機的MCC回路分別進行改造,將設(shè)備狀態(tài)信號、控制指令信號以及限位開關(guān)等部分現(xiàn)場一次檢測元件的信號統(tǒng)一接入對應的PLC內(nèi)。升級之后,通過現(xiàn)場電控柜上選擇開關(guān)進行操作地和操作模式的選擇,使烘烤器具備在各設(shè)備狀態(tài)、安全連鎖狀態(tài)確認后可遠程一鍵操作、遠程緊急停止的功能。

(2)完善現(xiàn)場檢測設(shè)備。通過增加鋼包就位傳感器、燒嘴嘴前煤氣和空氣管路壓力傳感器、燒嘴煙道壓力傳感器、煙道流量傳感器等現(xiàn)場檢測設(shè)備,使烘烤器能滿足按需烘烤的匹配要求。

(3)實現(xiàn)烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機系統(tǒng)間的信息交換。通過對現(xiàn)有PLC系統(tǒng)進行適應性改造,增加西門子ET200M模塊采集MCC的設(shè)備狀態(tài)信號和控制信號,增加CP343以太網(wǎng)通訊模塊通過電文方式實現(xiàn)7臺鋼鐵包烘烤裝置與鋼鐵包一體化管理主機系統(tǒng)間相關(guān)信息的交換。主要信息如下:鐵鋼包包號信息、鐵鋼包烘烤能介信息、鐵鋼包烘烤設(shè)定信息、鐵鋼包烘烤實績信息和烘烤設(shè)備狀態(tài)信息。烘烤裝置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 烘烤裝置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

(4)鋼包溫度管控模型。模型結(jié)構(gòu)如圖5所示,從圖中可看出,鋼包溫度管控模型可通過獲取各工序段鋼水溫度推算信息,及在線周轉(zhuǎn)鋼包的熱狀態(tài),指導鋼包的預熱,進行精確的鋼水溫度補償,降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度,為轉(zhuǎn)爐工序溫度的窄窗口控制提供依據(jù)。

圖5 鋼水溫度管控模型結(jié)構(gòu)圖

鋼包耐材使用預警模型。通過紅外熱像儀可以快速方便地獲取鋼包外壁的二維熱像圖,即外壁表面溫度場。由于外層的金屬與內(nèi)層的非金屬材料的導熱有明顯的差異,內(nèi)襯耐材損傷的程度、類型和分布狀況是造成設(shè)備外壁表面溫度場不同分布的直接原因。因此,利用紅外熱像,通過對高溫儲運設(shè)備表面溫度場的在線非接觸的紅外熱像信息采集,進行建模分析和判斷,即可推定其內(nèi)部襯里工作狀態(tài),對保證設(shè)備長周期安全運行提供切實可行的依據(jù)。

在4個鋼包傾翻工位和2套LF工位共配置6套在線熱成像安全預警裝置。傾翻工位在線監(jiān)測承接鋼水前鋼包底部和外部耐材侵蝕情況,LF工位在線監(jiān)測鋼包包沿部位耐材侵蝕情況。每個工位配置2臺掃描式紅外熱像儀,傾翻工位的2臺熱像儀分別安裝在傾翻操作區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)廠房柱或平臺位置,LF工位的兩臺熱像儀安裝于LF廠房柱兩側(cè)。2臺設(shè)備分別從兩側(cè)對鋼包進行表面掃描,并將掃描數(shù)據(jù)實時傳送到模型服務(wù)器,通過模型對圖像進行鋼包耐材使用狀態(tài)分析。最后,結(jié)合鋼鐵包一體化管理系統(tǒng)所記錄的鋼包號和鋼包運轉(zhuǎn)中的各類基礎(chǔ)信息,給出安全預警提示信息。

2 結(jié)語

(1)通過鐵鋼包一體化智能管理系統(tǒng)的應用,實現(xiàn)了鐵鋼包信息和行車信息的統(tǒng)一管理與智能調(diào)度,提高了鐵鋼包及行車調(diào)度的自動化程度及使用效率,進一步提高了生產(chǎn)效率。

(2)鋼包溫度管控模型進行精確的鋼水溫度補償,能控制轉(zhuǎn)爐出鋼溫度,有效降低能耗,實現(xiàn)降本增效。