浅谈电气自动化技术在冶金行业中的应用

赖友钊

0 引言

随着我国冶金工业的迅速发展，尤其是近几年大型钢铁联合企业中链式生产工艺的兴起及设备智能化程度的不断提高，对冶金企业供电能力和供电质量提出了更新、更高的要求。为了适应冶金行业电气自动化发展的需要，冶金电气自动化系统越来越重要。冶金自动化的发展日新月异，各种仪器仪表和自动化设备提高了冶金工业的效率和质量，客户对钢材的品种、规格等需求越来越多样化，对产品的质量和交货期要求也越来越苛刻。冶金生产过程的自动控制包括对采矿、选矿、冶炼、浇铸、轧材等主体生产过程和供水、电、热、氧、气等辅助生产过程的控制。冶金企业应按自动化要求进行设计并具体实施，考虑人体的特点、能力和限度，采用星型网络拓扑结构代替总线型结构，用交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞，降低了所有网段和主干网的网络负荷。下面就谈谈自动化技术在冶金行业中的应用。

1 冶金行业电气自动化技术的内涵

冶金行业电气自动化技术专业是培养具有一定的电子技术、微机控制技术和计算机网络技术的基础知识，熟悉并掌握常用电气设备的工作原理，掌握应用计算机技术实现电气控制的基本原理和方法的应用型高级职业技术人才，用机械、电气及电子设备，按预定程序使冶金行业生产过程的操作、控制和监视，能够在无人（或少人）直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行运转。它担负着自动检测设备的状态、发出拟定的报警信号、执行自动操作等任务［1］。

2 工业以太网在冶金自动化系统中的应用

工业以太网是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性甚至本质安全等方面能满足工业现场的需要。目前，可视化技术以及监控系统的发展为冶金行业提供了更多的便利。由于高炉的封闭性，仪表检测的重要性就尤为突出。测试技术、计算技术、图像处理技术、模型化的发展、多媒体虚拟技术把本来模糊的过程变得更加透明与可视化，方便了工作人员的实际操作过程。按功能层次，冶金自动化系统可分为基础自动化系统、过程控制系统、生产管理控制系统、企业信息化系统4个层面。主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可以采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。

2.1 冶金基础自动化系统

基础自动化系统的计算机控制以PLC、DCS、工业控制计算机为代表，是对现场冶金自动化设备的控制。PLC加强了回路控制功能，DCS也在顺序控制功能方面得到很大改善。在冶金流程中，PLC控制仍占主要地位，是最基础的自动化控制系统。

2.2 冶金生产管理控制系统

工业以太网中的网络结构和网络通讯是自动化控制系统中的核心部分，冶金流程的全息集成。冶金企业逐步认识到MES（制造执行系统）的重要性，在综合应用运筹学、专家系统和流程仿真等技术，协调生产线各工序作业，进行全线物流跟踪、质量跟踪控制、成本在线控制、设备预测维护等方面取得了初步成果。每一级的工业以太网都可以采用不同的结构，如环形结构、树形结构等。实现铁—钢—轧横向数据集成和相互传递，以及管理—计划—生产—控制纵向信息集成。

2.3 PLC和HMI之间的以太网通讯

上位机监控软件种类比较多，PLC与HMI之间的通讯比重也比较多。上位机监控不同的产品导致与PLC的通讯协议也不尽相同。大多数上位机监控软件都有一个共同的标准OPC接口，PLC和HMI之间的以太网通讯都可以采用OPC进行通讯。通信速率从10M、100M增大到如今的1 000M、10G，使用VC、VB等编程软件开发监控界面和西门子PLC直接进行TCP通讯，降低了所有网段和主干网的网络负荷。

工业以太网技术展示出来“一网到底”的工业控制信息化美景，它可以一直延伸到企业现场设备控制层，工业以太网已成为现场总线中的主流前沿技术［2］。

3 继电保护在冶金自动化系统中的应用

随着冶金企业生产规模的不断扩大，设备自动化程度逐步提高，微机继电保护将得到更加广泛的应用。微机继电保护是指以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它实质上是一种依靠单片机智能地实现保护功能的工业控制装置。冶金供电系统的低压短线路中，对时限的要求可以适当放宽，但造价应该低廉。采用的新型导引线方向纵联保护，由于仅向对侧传输高压（AC220 V或DC220 V）数字闭锁信号，只需在两侧间铺设一条普通的四芯屏蔽电缆，以保证接触良好。钢铁冶金企业属一类负荷，其电气系统需要与工艺系统或DCS系统相配合，对产品的灵活性要求也很高。保护测控产品采用RCS-9600CS系列的装置，按面向对象的思路进行配置，包含适用于110 kV的变压器保护。

4 传感器在冶金自动化系统中的应用

传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的一种检测装置，简单说传感器就是将外界信号转换为电信号的装置。传感器由敏感组件和转换组件组成，能够满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现冶金工业自动检测和自动控制的首要环节。

4.1 压力传感器

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。根据压力的变化转变为电流或电压的变化，在煤的装运和高炉的上煤处都用到压力传感器，实现对用煤的统计和上煤的测量和控制。

4.2 温度传感器

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，用来检测和控制锅炉炉体的温度和高炉炉体的温度。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。在自动化生产中常常利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如在冶金中钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度以及各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。

4.3 流量传感器

流量传感器是指能感受流体流量并转换成可用输出信号的传感器。通常在保护流量值不要求精确的地方使用，即用于水管内的水流突然中断的断流保护。流量传感器主要应用于锅炉中送风管道、蒸汽管道、给水管道等，以测量流体在管道中的流量和流速。在流量传感器中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的2个电磁线圈产生恒定磁场，有导电介质通过时，就能够产生感应电压。传感器应避免在架空非常长的管道上安装，因为长时间使用后，传感器的下垂作用易造成传感器与法兰间的密封泄漏，若不得已要安装时，必须在传感器的上下游2D处分别设置管道紧固装置。流量传感器常与流量显示仪、压力变送器、温度变送器等配套合成为流量计。流量传感器是高精度、高可靠性和使用寿命长的流量仪表，便于检测和控制，管道内无可动部件和阻流部件，测量中几乎没有附加压力损失。流量传感器把钢铁在冶炼环节当中所需要采集的信号较为完美的结合在一起，实现了在冶金自动化的顺序控制、过程控制、传动控制以及运动控制，提高了冶金自动化系统的性能。

5 结语

总之，自动化技术迅猛发展，各种仪器仪表、自动化设备提高了冶金工业的效率和质量，也提高了钢铁冶金生产的安全性。将“无人工厂”或“准无人工厂”的概念引入冶金行业，实现全车间无人化，节省了大量的人力，降低了成本，提高了经济效益。数学模型和人工智能相结合，轧钢工艺控制和管理相结合，实现了生产过程的优化和高品质化，从而提高了我国冶金工业的经济效益和综合竞争力。

［1］陈洪峰.国内电气自动化发展状况与趋势［J］.科技创新导报，2009（1）

［2］李宝诚，高巍，陈飞.谈钢铁冶金自动化系统的现状和发展方向［J］.科技促进发展：应用版，2010（12）