分享：PLC技术在转炉炼钢中的应用

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器、及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统，但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间、消耗大量的电能，为保证控制系统的正常运行，还需要安排大量的电气技术人员进行维护。系统出现故障，排除故障非常困难，尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大，通用性和灵活性较差。到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们试图用小型计算机来实现工业控制的要求。1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可编程控制器（PDP-14），在通用汽车公司的生产线上试用后，效果显著；1971年，日本研制出第一台可编程控制器（DCS-8）；1973年，德国研制出第一台可编程控制器；1974年，我国开始研制可编程控制器；1977年，我国在工业应用领域推广PLC[1−3]（可编程控制器）。2004年本钢集团北营炼钢厂3座120 t转炉投产使用，每座转炉均采用德国西门子S7-400 PLC系统进行控制，PLC技术在转炉炼钢中的应用使得整体的炼钢工作效率大幅度提升[4]，保证企业日常管理工作水平有效提高。

1.   转炉炼钢控制系统的基本结构

1.1   转炉本体系统

     （1）转炉氧枪系统：

①氧气、氮气总管的压力、温度测量；

②氧气、氮气支总管的切断、压力测量及调节；

③支路氮气和氧枪回路氧气的切断、流量测量、自动调节及流量累积，支路氮气阀及氧枪回路阀后的压力测量；

④氧枪进出水压力、温度和流量的测量及进口流量调节；

⑤氧枪钢丝绳张力测量；

⑥单炉冶炼供氧时间的计算。

（2）转炉倾动系统：转炉倾动变频器，倾动电机电流、转矩及倾动角度。

（3）转炉设备冷却水系统：转炉冷却水压力，进、出水温度及流量测量。

（4）转炉钢水温度测量。

1.2   转炉汽化冷却系统

（1）汽包与除氧器水位自动调节，水位、水温和蒸汽压力测量；

（2）给水泵出口母管压力测量；

（3）氧枪口及左、右下料口冷却水回水温度测量；

（4）汽包给水管给水流量测量；

（5）软水流量测量；

（6）高、低压泵出口流量测量；

（7）活动烟罩氮气流量测量；

（8）分汽缸温度、压力测量，进分汽缸蒸汽压力调节。

1.3   转炉合金投料系统

（1）转炉合金投料系统称量斗的自动称量；

（2）转炉合金料仓料位显示。

1.4   转炉辅料投料系统

（1）氮封用氮气压力的测量；

（2）转炉辅料投料系统称量斗的自动称量；

（3）转炉辅原料料仓料位显示。

1.5   转炉副枪系统

转炉钢水过程，终点温度，氧含量测量。

2.   PLC控制系统的优点分析

2.1   可靠性高，故障率低

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[5]。部分PLC平均无故障时间高达30万h，一些使用冗余CPU的PLC平均无故障工作时间更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成的控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。由于运用了大量软继电器等抗干扰元件，可以对外界干扰及时隔离和阻断，而在整个工业设备出现异常时，PLC也可以通过外部设置的预警系统，对不正常信息进行识别和比对，并提示中央控制器及时进行故障处理和维护，使整个运行系统的失效率降低，实现长期可持续运行。

2.2   程序控制，性能良好

PLC控制技术是一种基于数据测量，以一定编程进行系统化操作及控制的操作应用系统。在炼钢厂转炉的自动控制系统中，原始数据状态是以信号传输的形式输入控制系统，通过控制系统内部的程序化操作实现自动控制，精确化数据保证程序运行的可靠性[6]。转炉是炼钢生产的主要设备，在生产过程中的诸多工艺参数和设备运行参数，例如氧气的压力、流量，氧枪冷却水的压力、流量、进水和回水温度，溅渣护炉的氮气压力等，是进行生产的重要参考依据，而氧枪和转炉倾动的电动机温升和电流等运行参数正常与否，直接关系设备能否安全运行。随着PLC技术的发展，人们把转炉炼钢的控制任务交给PLC系统成为现实。

2.3   简化过程，方便操作

PLC技术可以根据一定的程序进行自动化操作，在完整的控制系统的应用过程中，需要有开关量控制、模拟量控制、运动控制、数据处理等多个输入信号，也在综合性的应用过程中进行长期稳定的应用，这样就可以在系统化的操作过程中，实现整个控制系统的正常运行。尽管PLC技术在运行时可能会受到空间辐射和系统外调节变量的影响，但PLC所有输入信号在程序处理前统一读入，并在处理过程中不再变化，而程序处理的结果也是在扫描周期的最后时段统一输出。其工作特点是将一个连续的过程分解成若干静止的状态，PLC仅在扫描周期的起始时段读取外部输入状态，该时段相对较短，抗输入信号串入的干扰极为有利，并且按已编辑的标准程序执行，完成整个炼钢过程的整体运行，从而减少了以前手工操作造成的数据偏差，保证了整个炼钢控制从加废钢，加铁水，氧枪吹炼到出钢各数据的准确，可以说PLC技术能在简化流程的同时，还能完成系统化操作，使运维方便高效。

2.4   通信方式齐全，适应性强

PLC技术不断发展，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC还具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域，加上PLC通信能力的不断增强，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，PLC的通信任务就是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备等，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理，从而完成各PLC之间，PLC与变频器，PLC与编码器、触摸屏等现场设备的全面控制功能。

3.   PLC技术应用于转炉炼钢控制的内容

3.1   PLC开关量的逻辑连锁控制功能

开关量连锁控制是PLC系统传动控制的实现基础。将分布式设备本体各处的诸多检测开关器件信号采集到开关量输入模板，通过编程，由开关量输出模块输出，控制相关的继电器或变频器控制端子，实现设备转动。为保证氧枪升降和转炉前后倾动设备的安全运行，只有在转炉转入冶炼位后，即转炉处于零位时，方可允许氧枪下降操作，为防止误操作，氧枪降得过低，碰伤炉体损坏氧枪，设置下限位开关。氧枪的提升，由上限和超高限位两限位限制其提升行程。此外氧枪升降控制在PLC运行程序上相互间有互锁。为保障冶炼工作安全，防止设备损坏，氧枪设备对其他设备的传动控制系统还有一些连锁信号。

3.2   PLC技术在程序控制中的应用

PLC技术在转炉炼钢中的有效应用，进行单元式的顺序管理工作，也就在此过程中进行全面而精准的分析工作，保证自动化控制流程的合理性和操作的流畅性。例如，把PLC技术应用到顺序控制器中，转炉炼钢在副枪测量时，由操作人员发出操作指令，探头自动装卸机从探头储存箱中取出探头并将其连接到副枪枪头上，系统在确认探头连接无误后，控制副枪移动到测量位置。随后，系统根据钢水液面的高度，控制副枪的插入深度及测量时间，测量完成后，系统控制副枪提枪，移动到待机位置，由探头装卸机构将用过的探头拔除。测量数据传输给LCD，针对不同钢种所要求的终点成分，向其它PLC（如吹氧和底吹控制PLC）发送控制指令，由PLC完成出钢前的调整。副枪运行状况可在操作室的LCD上进行监视），保证了应用控制程序的基本有序性，避免了不良操作对整个运行过程的影响，提高了转炉炼钢自动化控制工作的整体效率。

3.3   PLC技术在闭环控制中的应用

转炉倾动控制系统主要结构为转炉倾动驱动电动机，4台电动机采用4点悬挂形式啮合在一个齿轮箱上驱动转炉倾动，四台电动机通过主从控制方式实现负荷平衡；传动装置与倾动电机采用1对1控制，即1台调速装置对应1台倾动电机，当其中1台电动机或装置发生故障时，其它3台电动机可以继续工作，当2台电动机出现故障时，其余2台也可以驱动转炉炼完本炉钢。4台倾动变频器通过FDCO-02通讯模块组成光纤环网，构成主从控制结构与数据通讯，与PLC通过FENA-11模块通讯（图1）。通过变频器自身实现主/从电流负荷平衡，同时具备主/从切换功能。当转炉正在出钢、出渣时，交流电源发生停电故障，此时可利用UPS（或EPS）不间断电源通过PLC程序控制将转炉4台液压电磁制动器打开，转炉依靠自重复位，使转炉处于安全位置。每台电动机随机械配装脉冲编码器一台，在转炉输出轴上装设一台绝对值编码器，脉冲编码器作为速度反馈信号，绝对值编码器信号反馈至PLC，作为转炉倾动角度显示信号。控制过程如下：正常情况下，1#装置为主，其余为从装置，主装置根据主电动机数据作速度闭环控制，从装置接收转矩给定，实行转矩控制。当某一台从装置或对应电动机故障时，在分闸前提下，可以从HMI画面选择该装置不投入，其余三台装置正常投入生产；当1#装置或对应电动机有故障时，在分闸前提下，可以通过HMI轻松切换到2#装置为主装置，1#装置不投入，维持正常生产。当2台电动机发生故障时，而转炉正处于吹炼状态，则可以重新选择主从结构，利用剩余2台电动机降速运行维持该炉钢炼完。

各装置共用主变频器的速度环，主从控制在控制单元内部实现，避免电磁干扰，通讯速度快，保证输出转矩一致，实现力矩平衡。控制单元与PLC间均通过Profibus网络连接，通过HMI实时监控传动装置状态。正常联动运行时倾动电机抱闸由PLC和变频器共同控制，最大程度保证转炉系统倾动安全。控制方式为带编码器的闭环控制，可保证转矩输出准确和速度控制精度。4台电动机均有抱闸机构，抱闸由PLC输出接点和变频输出点共同控制，当PLC或变频发生故障或死机时，另一方控制系统输出点动作，抱闸关闭，保证炉体安全，通过PLC的闭环控制设计，保证了转炉倾动控制的准确性与安全性。

3.4   PLC技术在通讯的数据处理控制中的应用

全PLC系统控制器在工作过程中，能够根据数据采集和整理的需要进行数据编号，并能根据编号的相应性质进行信号发送和接收。转炉在生产过程中，涉及的有氧枪、倾动本体系统，辅原料下料系统，合金下料系统，转炉汽化冷却系统，转炉副枪测量系统等多个PLC系统，PLC系统之间通过以太网通讯（图2），实现各种工艺控制功能，各系统连锁控制、协同作业，共同完成转炉冶炼工作。PLC通过Profibus网通讯实现编码器信号的采集和对变频器的控制，采集的脉冲通过PLC程序功能块转换成位置信号，实现氧枪高度的精确计算，通过变频器完成驱动氧枪电机、倾动电机和钢车电机等功能控制。

4.   结束语

通过对西门子S7-400 PLC系统在转炉炼钢自动化中的应用，尤其是实时检测生产工艺和电控系统两大参数群，综合判断处理，决策控制，并结合开关量逻辑控制功能和运行程序的顺序控制技术，闭环控制的应用，多种网络通信功能，丰富的报警显示及预警功能，使得炼钢自动化系统具备故障自检、智能控制和一定的故障应对能力，经实践运行，不仅实现转炉设备的零故障运行，而且转炉设备的使用寿命大幅提高，经济效益十分显著。可靠、简单、易用的PLC控制技术在转炉炼钢中得到充分的应用，全面提高转炉炼钢的自动化水平。

参考文献

[1]张国德, 李江. PLC原理及应用, 北京: 机械工业出版社, 2010

[2]左湘. PLC技术基础与应用, 广州: 华南理工大学出版社, 2017

[3]廖常初. S7-300/400 PLC应用技术. 北京: 机械工业出版社, 2008

[4]朱向阳,林杨,刘永岭,等. GE-9070 PLC与SIEMENS 6RA70传动装置组合控制模式在唐钢二钢轧厂的应用. 金属世界,2007(4):23

[5]李方圆. PLC控制技术（西门子S7-200）. 北京: 电子工业出版社, 2010

[6]温玉春, 刘刚, 张松宇. PLC控制技术及应用. 北京: 化学工业出版社, 2018

文章来源——金属世界