自动控制技术在转炉炼钢过程中的应用

冶金工程概论论文1自动控制技术在转炉炼钢过程中的应用电子信息工程学院自普本08-1班郭振中学号：2008440943摘要：主要以转炉炼钢自动控制系统中的氧枪控制过程和转炉底吹控制为例，对转炉炼钢自动控制系统进行了系统介绍，并对目前国内及国际上转炉炼钢过程中全自动炼钢控制技术的概念、特点及其工作流程，控制系统的基本结构，以及在基础自动化层的实现等进行阐述，以揭示目前国内转炉炼钢过程中基于网络环境开发的先进的转炉全自动炼钢控制技术的基本面貌。关键词：自动控制转炉炼钢氧枪系统复合吹炼Abstract:TheautomaticcontrolsysteminBOFsteelmakingoxygenguncontrolprocessandcontrolofbottomblowingconverters,forexample,automaticcontrolsystemoftheBOFsteelmakingsystemintroduced,andthecurrentdomesticandinternationalBOFsteelmakingprocessofautomaticTheconceptofsteel-makingcontroltechnology,characteristics,andworkprocesses,thebasicstructureofcontrolsystems,aswellastherealizationofotherbasicautomationlayerelaboratedinordertorevealthecurrentdomesticBOFsteelmakingprocessweb-basedenvironmenttodevelopadvancedautomaticrefiningconverterSteelcontroltechnology'sbasicoutlook.Keywords:automaticcontrol,convertersteelmaking,oxygenlancesystem,compoundblowing.1引言转炉炼钢是炼钢过程中最重要且控制复杂的一环，其控制变量繁多且精度要求高。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。现代自动控制技术在转炉炼钢过程的应用不仅极大地减少了人的工作量，而且具有传统人工控制炼钢过程中所达不到的精确度。冶金工程概论论文22系统组成及硬件配置转炉炼钢控制系统配置要考虑数学模型不断完善的需要，在容量、系统速度和通讯接口方面均要考虑这一情况，还要充分顾及系统的运行速度以及将来扩展的方便。目前，大多数系统的硬件配置及各部分之间的关系如图2-1所示。现在转炉炼钢已基本采用DCS并与PLC组成了自动化级，包括副枪系统到转炉的计算机动态控制。根据转炉生产的工艺特点及各钢厂转录控制系统的要求不同，基础自动化的系统配置也有所不同，但基础自动化的硬件构成一般包括：可编程控制器PLC、DCS、现场总线远程I/O、人机超作界面HMI及合理的网络拓扑。图2-1转炉炼钢控制系统硬件框图2.1可编程控制器PLCPLC可编程控制器是以微处理机基础发展起来的新型工业控制装置。采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟是输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。基础自动化PLC系统的工作任务是，系统的逻辑顺序控制；PID调节回路冶金工程概论论文3控制；信号的采集过程数据处理；各工艺系统工艺协调；与工作站、上位计算机和其他PLC的通信。2.2集散型控制系统DCSDCS一般有五部分组成：控制器；I/O板；操作站；通讯网络；图形及编程软件。2.3人机操作界面HMI操作站的工作任务是，显示工艺过程模拟动画画面，显示过程控制状态、检测信息等；显示仪表测量值、过程数据的趋势曲线；输出操作名令、各显示事件、故障报警信息及故障诊断信息；输入设定值及控制参数等；与上位过程机及PLC进行通讯；通过键盘或鼠标响应HMI显示的过程信息，完成各种设备的操作。基础自动化的HMI设计，一般由用户和编程方共同选择操作站和工业监控软件。3转炉炼钢控制基础自动化的控制范围基础自动化级，是转炉炼钢是哪集自动化控制的基础，通过完善的控制软件，应用计算机通讯、优化的静态模型和动态模型、顶底复吹、快速复枪测试和溅渣补炉技术，实现转炉炼钢从吹炼条件、吹炼过程控制，直至终点前动态预测和调整，吹制设定的终点目标自动提枪的全程计算机控制，实现转炉炼钢终点成分和温度达到双命中，做到快速出钢，提高钢水质量，提高劳动生产率，降低成本。其工艺流程图如图3-1。冶金工程概论论文4图3-1转炉基础自动化控制范围工艺流程图3.1转炉氧枪系统转炉氧枪系统包括：氧枪供氧系统、氧枪冷却水系统、氧枪氮封阀、氧枪升降位置控制和主备枪换枪的横移控制。其实现过程是接收二级计算机计算静态模型所得的枪位、氧气流量、氧气流量累计的氧步设定值，结合吹炼方案，将以表格形式存于特定的存储区中，且可随时查看并根据此表所形成的曲线进行参数的曲线执行。如果冶炼过程中枪位需临时微调，可按动操作台上升、下降按钮进行调整，然后程序按氧步继续执行。3.1.1转炉氧枪控制水系统氧枪供水系统程序，对氧枪进水压力，流量检测、显示报警；对氧枪出水压力，流量检测、显示报警；对氧枪进水温度的检测，流量检测、显示报警；对氧枪进出水流量差压力，流量检测、显示报警。氧枪水系统的核心是氧枪水监控系统，它具有如下功能：1）氧枪漏水自动监测，轻度漏水预警提示。2）氧枪漏水重度报警并对漏水事故进行处理，事故处理完毕后下达恢复生冶金工程概论论文5产命令。3）氧枪冷却水、回水压力检测，低于报警设定值时，报警显示、氧枪自动提到等候点。4）氧枪出水温度检测高于报警设定值时，报警显示、氧枪自动提到等候点。6）氧枪冷却水进入水流量差（进水流量-出水流量）检测，高于报警设定值时报警显示、氧枪自动提到等候点。3.2.2转炉氧枪供氧系统其实现过程是各信号参数传送至PLC，通过程序来调节发的开度、氧枪的升降等动作。以氧压调节为例，氧压一次调节，是将阀后氧压力信号经压力变送器送至PLC，通过程序PI模拟调节器来调节阀的开度，使阀后压力稳定在工艺要求的范围内为减少在开吹时阀门开度突然开大造成的扰动，程序中采用了无干扰切换控制，即在开吹后先将调节阀设定在规定的开度，开阀稳定后再投入压力自动调节。计算的规定开度根据氧量设定值和氧气罐压力等参数来计算的。氧气流量控制是流量调节阀的开度实施PID调节。氧流量检测通常采用孔板和差压变送器。氧气切断阀门分三层，总管两个O型切断阀、支管O型切断阀。O型切断阀门是双电控电磁阀，动作较慢但运行稳定可靠，断电后仍保持断电前开关状态。双电控阀的控制程序框图如图3-2所示。接近氧枪喷头的两个支管切断阀是单电控阀，这个法的特点是动作灵活迅速，该阀是气动阀，在断电后立即恢复到开（或关）的原始状态。单电控阀的程序框图如图3-3所示。冶金工程概论论文6图3-2总管氧气切断阀控制程序框图图3-3氧枪氧气切断阀控制程序框图冶金工程概论论文73.3.3氧枪位置控制系统该系统可将速度控制电压分成200单位控制增量，对应相应的输出电压，200对应最大输出电压+/-10v，理论情况下，增量为0控制输出为0v，整个控制曲线为11级，其数据分组存于特定的数据区内。在控制距离1.5m外，给定最大速度，进入控制距离泽按曲线减速停车。氧枪位置控制的程序流程如图3-4所示。图3-4氧枪位置控制程序框图值得提出的是，氧枪定位是转炉氧枪系统的控制过程中的难点，而莱钢银前1#80t转炉自动控制系统的氧枪系统设计为此提供了一个好的方案并得到了实践的检验。冶金工程概论论文8莱钢银前1#80t转炉自动控制系统中的氧枪系统氧枪系统为双小车双卷扬系统装置，一套工作，一套备用。氧枪升降是采用交流电机驱动、变频调速。氧枪升降速度为快速40m/min，慢速５m/min。断电时，用气动马达提枪。CRT可显示氧枪实际枪位，可通过计算机键盘控制枪位。氧枪枪位控制分自动和手动两种方式，自动方式为PLC，自动按设定枪位自动进行，手动方式，在自动方式出故障时，使用设在操作台上的指令转换开关进行操作。氧枪接到下枪指令后由等待位（+16.00m）快速下枪，下至开氧点（+14.20m）氧气快速切断阀自动打开供氧。下降至变速点（+12.20m）变为低速，直至下降至吹炼点止.30~10.00m）。氧枪接到提枪指令后，快速提枪，提至关闭氧点（+12.20m）氧气切断阀自动关闭，停止供氧，快速提升到变速点（+15.30m）、慢速提升至等待位（+16.00m）停止提升。氧枪接到更换上升指令由等待位（+16.00m）快速提枪至变速点（+21.00m），变慢速至换枪位（+24.9m），氧枪自动更换后，按下枪指令由换枪位慢速下降至变速点（+21.00m）、快速下降至变速点（+16.50m）慢速下降至等待位（+16.00m），停止下枪。氧枪单支卷扬钢丝绳张力≥6吨时，自动联锁停枪。飞枪后，氧枪升降和炉体倾动均被锁定，需转为检修状态或手动定位，才可动枪，炉倾需解除联锁方可动炉。待飞枪条件消失后，可点击飞枪解锁按钮恢复联动操作。实践证明，该系统具有很强的稳定性和精确控制性，提高了转炉系统的性能。3.2转炉底吹系统控制根据工艺要求，除全自动炼钢由上位机选择外，人工可以通过图4—20底吹方案选择画面来选择底吹控制方案。底吹方案确定后，转炉吹炼周期内底吹系统化按照固定的自动步骤执行，图3—5给出了低吹方案自动步骤程序框图。底吹方案分为如下几个循环阶段：冶金工程概论论文9图3-5底吹自动步程序框图（1）空炉待料阶段；（2）对铁水（加废钢）；（3）开始吹炼；（4）中后起强吹阶段；（5）N2/Ar切换阶段；（6）终点倒炉测温阶段(含多次倒炉测量)；(7)出钢阶段。然后回到空炉阶段。出钢后，空炉待料阶段，有N2旁路管吹入小流量N2.。下面以武钢第三炼钢厂3#转炉自动炼钢控制系统为例，介绍一下目前主流系统对吹炼顺序的控制过程。冶金工程概论论文103#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