| 0 引言 转炉全自动炼钢控制技术是伴随着计算机网络技术和计算机信息技术，以及工业控制技术和工业控制网络的发展而逐步发展起来的，是通过炼钢模型控制为主，操作工实时监控为辅的炼钢控制技术。可以说，转炉全自动炼钢技术是理论计算、专家经验和先进检测手段相结合的采用计算机以及PLC进行控制的科学炼钢方法，是转炉炼钢技术上又一次重大的革命性进步 此项技术，目前在国外大部分钢厂得到广泛的使用，而在我国，由于种种原因，目前还未得到很好的应用。 2004年，为实现武钢年产钢100万t的战略规划，武钢决定在三炼钢厂扩建3#转炉。武汉钢铁工程技术集团有限公司计控公司承接厂3#转炉自动化系统的设计和调试工作，其核心的PLC控制程序和HMI操作界面接口程序，是完全拥有计算机控制自主知识产权的新技术。 1 系统总貌 总体上说3#转炉个自动炼钢控制系统分成两大部分，即二级机系统和基础自动化系统、级机系统完成对生产过程的控制和模型的自学习，基础自动化则根据二级机的要求，控制本系统中的设备按指令顺序动作，同时将生产过程中的相关数据按二级机的要求传到二级机 3#转炉全自动炼钢过程的流程如图1所示。控制网络拓扑图如图2所示。 3#转炉各PLC的控制功能如下： （1）PLC3-1 吹氧设定值，底吹氮、氩设定值模式认控制；氧量时钟的计算；全自动炼钢方式下的吹炼顺序控制；氧气顶吹控制；溅渣护炉控制；氮、氩底吹及氮氩自动切换控制。 （2）PLC3-2 副枪测量控制。 （3）PLC3-3 一次除尘控制；烟气冷却控制；煤气回收控制。 （4）PLC3-4 氧枪吹炼高度设定值模式确认控制；吹炼模式控制单元；氧枪升降控制；转炉倾动控制。 （5）PLC3-5 熔剂加料设定值模式确认控制；熔剂称量及加料控制。 （6）PLC3-6 钢包氮、氩、底、顶吹及氮氩切换控制；炉后合金称量及加料控制；吹氩站合金微调称量及加料控制。 公共部分的PLC控制功能如下： （1）PLC-A 熔剂上料控制。 （2）PLC-B 蒸汽、废气处理控制。 （3）PLC-C 合金上料控制。 （4）PLC-D 铁水添加及废钢添加控制。 2 自动炼钢技术在基础自动化上的实现 3#转炉自动炼钢在基础自动化级的上要控制环节是吹炼模式确认和转炉顺序控制。 2．1 吹炼模式确认 转炉系统主控PLC中，有一个吹炼模式控制单元，此单元在HMI上：实现了可视化，方便了操作工的操作。控制单元主要有三大功能：一是数据存储，控制单元中有若干个历史数据库，用于存放常用的吹炼控制模式；二是吹炼模式的选择，操作工可以根据当时的实际情况选择是采用二级机算计控制方式还是从历史数据库中调用模式的PLC控制方式；三是无论采用哪种控制方式，吹炼模式都会从二级机或PLC中传递到一个专为执行吹炼控制而设计的吹炼模式工作数据库中，然后再由操作工对工作数据库中的内容进行模式确认。 吹炼模式工作数据库中主要有氧量时钟、氧气流量设定值、氮气流量设定值、氩气流量设定值、氧枪高度设定值、熔剂材料名、熔剂加入量、副枪测量降氧量等。而模式确认的实质就是由PLC辅助操作工根据生产工艺要求对上述内容进行逐一确认，在确认无误后，通过网络传递到相关PLC（如将氧、氮、氩的流量设定值给PLC3-1；氧枪高度设定值给PLC3-4；熔剂设定值给PLC3-5等），以便执行一步炼钢过程。 在模式确认完成后，操作工可以选择是否将确认好的内容存入历史数据库以备今后冶炼同钢种时使用。 2．2 吹炼顺序控制 3#转炉的吹炼顺序控制分成15个阶段。在主操作HMI上有个吹炼顺序控制菜单，将这15个阶段按功能设计成纯监视的和既带监视又可控制的两种类型，供操作工监控吹炼顺序控制的全过程。各阶段大致流程如下。 （1）熔剂预处理。转炉吹炼模式确认后，如果有零阶段料，则PLC3-5开始自动称料，完成称料过程后，自动添加到汇总斗中，完成零阶段称重过程、如果吹炼模式中没有添加零阶段料的要求，PLC3-5收到模式确认的信号后，自接生成“零阶段称重结束信号”发给PLC3-1，而PLC3-1则在收到PLC3-5的信号后，直接产生“熔剂处理已完成”信号 （2）转炉添加开始。进入“转炉添加开始”阶段后，PLC3-1将给PL3-3发送ID风机升速命令，而PLC-3在自动完成ID风机升速的工作后，将“风机在指定转速”的信号返回给PLC3-1，完成“转炉添加开始”，系统可以执行下一步工作。 （3）废钢添加完成。操作工确认现场已完成向转炉中添加废钢的工作后，需要在HMI上点击“废钢添加完成”键，使顺控进入下一阶段。 （4）铁水添加完成。操作工确认现场已完成向转炉中兑铁水的工作后，需要在HMI上按下“铁水添加完成”键。 （5）转炉添加完成。当系统正常完成“转炉添加开始”、“废钢添加完成”和“铁水添加完成”这3个阶段后，“转炉添加完成”阶段即实现。当实现“转炉添加完成”后，“转炉添加”开始指令将被屏蔽， （6）吹炼开始。在转炉添加阶段完成后，PLC3-1，PLC3-3，PLC3-4，PLC3-5都处于吹炼准备状态，氧气系统正常，模式确认信号，正常。这时，HMI上弹出“吹炼开始”键，由操作工确认执行。 在“吹炼开始”以前的各阶段顺控是可逆的，即一旦操作工认为有问题，可以重新进行模式确认，必要时可重新执行顺控的前5个阶段，因为此时的“炉次结束”信号并没有取消，而操作工按下“吹炼开始”键后，“炉次结束”信号随即消失，此时系统的顺控进入到了不可逆的阶段。 PLC3-1在收到山HMI上传来操作工要求“吹炼开始”的指令后，立即向PLC3-4发出下枪指令，PLC3-4在收到PLC3-1的下枪命令后，执行下枪命令，到达开氧点后，PLC3-1自动发出开氧命令，打开氧气阀。在下枪过程以及后续吹炼的过程中，只要系统不具备吹炼条件，都会山PLC3-1给PL3C-4发出紧急提枪指令。 （7）点火。当氧枪到达指定高度并且氧气阀已经打开后，HMI上弹出“点火”按钮，操作工必须在规定时间内按下“点火”按钮，否则系统即会认为出现了故障，从而紧急提枪。 “点火”的作用主要是启动氧量时钟，进而启动整个炼钢进程。在氧量时钟启动后，PLC3-1中的氧气系统开始对吹氧量进行累计，以得到每个吹炼阶段的吹氧量、吹炼间歇期的耗氧量、每炉的总吹氧量和一个炉役的累计吹氧量等7项指标。PLC3-1中的底吹系统根据吹炼模式中的设定，依据氧量时钟的变化自动进行底吹氮氩切换及氮氩流量设定值的修正。另外，PLC3-1将根据吹炼模式，依据氧气时钟动态调整氧枪的吹炼设定高度，并通过通信发给PLC3-4。同时，PLC3-1还将通过通信将氧量时钟传递给PLC3-3和PLC3-5。 PLC3-3在收到氧量时钟后，将用来控制自动煤气回收的全部过程；PLC3-4收到变化着的氧枪高度设定值后，及时对氧枪高度进行调整；而PLC3-5将根据氧量时钟，自动将不同的熔剂料按吹炼模式中的规定加入转炉中。 在吹炼后期，当吹氧量接近进行副枪测量的没定值时，系统自动进行降氧、抬升氧枪位操作，在完成这两项工作后，通过通信发送给PLC3-2，允许副枪执行测量工作。在副枪测量完成后，系统自动进人动态炼钢进程。 （8）吹炼停止。在氧量时钟达到系统动态修正后的总氧量值时，系统自动提枪，当氧枪到达工作停放位后，将会产生“吹炼停止”事件。 （9）吹炼结束。有“出钢开始”并且有“吹炼停止”信号，则生成“吹炼结束”信号。 （10）出钢开始。前面的10个吹炼顺控信号以及后面的溅渣和炉次信号都是由PLC3-1生成，两个出钢信号以及出渣信号，则是在PLC3-4中产生的。当转炉开始出钢，并且角度编码器检测到转炉已转至出钢位时，在PLC3-4中生成“出钢开始”信号，并发给PLC3-1。 （11）出钢结束。在出钢结束，转炉转回零位后，PLC3-4生成“出钢结束”信号，并发给PLC3-1。 （12）溅渣护炉。在出钢结束后，如果操作工需要进行溅渣护炉，则将转炉工作模式从吹炼方式切换到维护方式，并且溅渣系统处于准备状态后，即可进行溅渣护炉。 溅渣护炉的控制过程类似厂转炉顺控，也分子动和自动两种。在自动方式下，由PLC实现自动下枪，自动开氮，自动提枪，自动关氮以及紧急提枪和紧急关氮等控制。 （13）出渣开始，当转炉开始出渣，并旺角度编码器检测到转炉已转至出渣位时，在PLC3-4中生成“出渣开始”信号，并发给PLC3-1。 （14）出渣结束。在出渣结束，转炉转回零位后，PLC3-4生成“出渣结束”信号，并发给PLC3-1接*版 （15）炉次结束。在出渣事件已产生，并且“出渣结束”已生成的情况下，产生“炉次结束”信号。 在各PLC系统的工艺过程控制上，均采用了以下4种控制策略，即手动控制方式、半自动控制方式、自动控制方式和计算机控制方式，这4种控制方式的优先级别是由高到低，自动化程度则是由低到高。在正常情况下，操作工总是选择自动化程度高但优先级低的计算机操作方式，但在生产过程中，操作工可以根据实际情况转换操作方式，原则是只能从优先级低的操作方式向优先级高的操作方式转换。 对于如此复杂的全自动炼钢技术而言，PLC的控制程序必须采用结构化的程序设计思想来编写。首先，针对整个转炉系统所选用的设备，统一编制模拟量处理标准功能块和各种设备的控制标准功能块。然后，各PLC根据自己的设备控制情况选择相应的标准功能块进行使用并完成单体设备的调试，之后，各PLC按照转炉自动炼钢的总体控制要求，编制各自的自动炼钢顺序控制程序。zui后，再在工业以入网的架构下，编制和调试通信程序和转炉自动炼钢总体顺序控制程序。这种编程形式，zui大限度地降低了因编程人员的个体差异而给各PLC带来的系统差异，杜绝了同一类现场设备的控制因位于不同的PLC而出现不同控制方法的现象发生，真正使转炉控制系统有机地融合为一个整体，也方便了维护人员对各控制系统的掌握。 另外，各PLC的程序按照树状结构编写，以增强程序的可阅读性和方便故障分析。在程序的zui上层是组织块，组织块中按照每个PLC所对应的工艺控制顺序和设备种类，存放工艺控制功能和设备控制功能，再在各功能中，调用执行各个工艺或设备控制过程的功能块以及数据块。并且，除了一些特殊情况外，统一用数据块存放各种工艺以及设备控制数据，这样做的好处是即使在出现故障导致PLC死机时，也能根据数据块中记录的在PLC死机前的系统运行状况，方便地查找造成系统死机的故障点。 3#转炉PLC程序结构还有一个显著特点是所有的程序都是采用语句表（STL）的形式编写，而且大量运用了数据矩阵和指针，频繁使用了间接寻址和变量寻址等计算机语言的控制策略。虽然这样编写的程序不如用梯形图（LAD）或功能块框图（FBD）那样自观易懂，但对于转炉门动炼钢这样一个复杂的控制系统而言，使用梯形彭图或功能块框图无法满足需求。而且使用数据矩阵和指针进行间接或变量寻址，虽然在编程和调试过程中比较困难，但实践证明，这样的程序较简单，比使用逻辑指令完成的程序具有更高的运行稳定性和控制性，不容易出现一些随机的小故障。 3 结束语 武钢三炼钢厂3#转炉于2005年4月投产，投产的第1炉钢就使用了自动炼钢控制技术，并且连续炼钢11炉，创造厂投产当班即达产的新水平。从投产至今，3#转炉每天保持30炉左右的生产能力，计算机的投运率在95％以上，副枪双命中率也超过90％，完全达到了设计要求，确保了武钢年产钢能力过千万吨目标的实现。 3#转炉投产，年多来，自动控制系统运行稳定，没有出现过因自动炼钢程序异常而给生产带来的不良影响。另外，2006年以来，武钢为了应对激烈的市场形势，在三炼钢厂安排了大量具有高附加值的品种钢的生产，3#转炉依靠先进的全自动炼钢控制技术，顺利完成了公司下达的各项计划，钢水合格率一直控制在三炼钢厂内控指标以内。 实践证明，3#转炉全自动炼钢控制技术是一项成熟而稳定的炼钢技术，它的成功使用，说明我们已经完全掌握了自动炼钢控制技术，相信它一定会有更广泛的使用前景。 |
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