安钢第一炼轧厂1#精炼炉控制系统升级与改造

2020-10-21王岚潇刘宇飞王清云杨娟娟

河南冶金 2020年4期

王岚潇刘宇飞王清云杨娟娟

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

第一炼轧厂1#精炼炉前称为100 t 电炉LF炉，跟随100 t 电炉炼钢工程的配套主体设备之一，1999 年投产至今。1#精炼炉作为电炉炉外精炼设备外，还作为缓冲设备，起到调节炼钢和连铸生产节奏的作用，在生产流程中显得尤为重要。面对生产任务的加重，产品质量及工艺的更高要求，控制系统存在的问题逐渐显露出来。针对精炼炉存在的问题，不仅对设备硬件进行了多项升级改造，而且对软件也进行了优化控制，使得控制系统稳定性和实行性大大提高，设备控制和操作更加简单方便，降低了冶炼过程消耗，减少了设备事故，提高了生产率，为实现低能耗精品质的生产打下坚实的设备基础。

1 1#精炼炉工艺流程及功能

1.1 1#精炼炉工艺流程

1#精炼炉的钢水平均处理量100 t，最大处理量125 t，最小处理量70 t 的交流钢包炉，处理周期为 20 ～ 45 min，变压器容量为 18 MVA。对于来源于转炉和电炉的钢水，尽量做到无渣出钢，并在出钢过程中往钢包中加入一定数量的造渣剂和钢种所需要的合金料。出钢结束后，由吊车把钢包运至精炼炉钢包车上，接通钢包底部氩气吹氩，然后开车将钢水送至LF 炉冶炼位，开始下电极送电加热。在精炼过程中进行测温取样，根据分析结果，以适当的功率加热，加入造渣剂和所需合金。

通过约30 min 的精炼，成分和温度合格后，最后对钢水进行喂丝处理，以便进一步脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等，为连铸机生产无缺陷的钢坯提供高质量的钢水。

1.2 精炼炉的主要功能

投产以来，1#精炼炉发挥了重要的生产优势，完成了钢水脱硫、去夹杂、脱氧除气、成分与温度的精确调整等任务，既满足了对不同钢水的质量要求，又起到炼钢—连铸工艺缓冲。其主要功能是：（1）大气压下电弧炉加热升温、人工测温取样，最终温度控制精确，从而优化了浇注温度；（2）底吹氩气搅拌，使钢液温度均匀，成分均匀、纯净；（3）合金微调，使得成分控制精确，易于实现窄成分控制；（4）喂丝，使得钢液脱硫、脱氧，进行夹杂物的变性处理；（5）缓冲炼钢与连铸的衔接，实现连铸连浇。

2 原精炼炉控制系统的组成

2.1 主要控制系统设备组成

根据精炼炉生产的要求及其工艺流程特点，控制系统的主要作用是使用西门子S5-155U 系列PLC 控制器，对参与联锁和控制的生产设备进行集中监控。从系统总体结构的角度，考虑采用一体化的控制系统结构，以构成一个功能分担合理、层次清晰、生产管理、过程控制为一体的安全高效的控制系统，为生产提供必要的中心基础。原LF 炉控制系统组成如图1 所示。

图1 原LF 炉控制系统组成

该控制系统设2 台操作员站HMI，完成人机界面的监控操作，通过画面输入有关工艺操作数据，向PLC 下达控制命令。另外，HMI 通过PLC可采集生产过程中的各种检测数据，并以数据文件或生产流程图等形式在CRT 上显示。控制系统由两大（LF 本体和上投料）PLC 组成，均为SIMENS S5-155U，由于PLC 的I/O 点数较多，主机架都带有一个扩展机架。通过交换机使LF 炉系统连接到整个电炉系统的H1 网络上，从而实现通讯联网、数据的交换。

2.2 一级控制系统主要功能

（1）LF 炉本体主站PLC：完成电极升降调节、高压系统控制、钢包车驱动、液压站及喂丝机启停等。

（2）上投料PLC：完成皮带、除尘风机、加料称量、仪表设备的数据采集。

3 存在问题及分析

第一炼轧厂1#精炼炉是100 t 电炉工程的关键配套设备，然而随着转炉的投产，它不仅担负电炉钢水精炼，还担负转炉钢水精炼，是生产必不可少的重要环节。LF 炉设备能否正常使用非常关键，控制设备的不断升级导致备件组织困难，严重影响设备的正常运行，事故频繁发生；升级后的Controllogix 1756 系列自动化控制系统，网络结构容错率低，兼容性差，网络故障及掉站现象时有发生。生产过程中主要存在的问题及相应的分析如下：

（1）原LF 炉本体PLC 和上投料PLC 控制系统使用西门子S5 系统，现在已经不再生产，备品备件很难组织，故障率也明显增加。

（2）1#精炼炉电极调节系统为ArCOS 系统，老电极调节的硬件看门狗，数据异常，不能工作情况经常发生，需要升级系统。

（3）控制系统升级后，网络设计为树状结构网络，网络结构不清晰，干涉较多，且容错率极低，一旦发生网路故障将造成掉站情况的发生，而且不能自恢复。

（4）炉下双钢包车控制需要优化，缩短钢包车联动进站时间利于提高精炼效率。

（5）对原有系统进行升级改造后，新电极调节单元使用的是世界顶级水平的PRIMETALS 公司生产的MetltExpert 智能调节系统.由于该系统的封闭性、保密性导致了与升级后的LF 炉系统Controllogix 的Ethernet/IP 网络兼容性较差，如何建立有效通讯迫在眉睫。

4 系统升级与改造

4.1 LF 炉本体PLC 和上投料PLC 的控制系统升级

原LF 炉本体PLC 和上投料PLC 控制系统是当年主流的西门子S5-155U 集中控制系统。随着科技发展，西门子S5 系统备件已经停产，升级换代是解决问题的最好方法。控制系统升级为罗克韦尔公司现行最先进的Controllogix 1756 系列自动化控制系统，新系统具备高度的可靠性，抗干扰能力强。并且采用工业级芯片，支持热插拔与热备冗余，兼容性好可无限扩展，相互兼容通讯。支持多种协议，分层结构，也可以实现点对点的通讯。升级后的精炼炉本体PLC 为一个主站和一个从站；上投料PLC 为一个主站和四个从站，并且在原人工上料操作室内增加一个HMI，实现上料人机界面操作和监控。整个控制系统通过光纤环网、工业以太网、Ethernet/IP 以及Profibus 网络建立有效连接。升级后的LF 炉控制系统图如图2 所示。

4.2 电极调节控制系统的升级

在生产过程中，为了节约能源，减少吨钢的电耗和电极消耗，提高产品质量，需要在不同的冶炼阶段采用不同的弧功率值，并保持恒定，即要求电极调节器具有抗干扰性强，调节迅速、灵敏的特点。通过选择适当的电极控制策略可以达到此目的，并获得满意的效果。改造原电极控制系统，消除原系统存在的缺陷，主要是利用升级换代产品，采用世界顶级水平PRIMETALS 公司产品MetltExpert 控制中心对原有系统进行升级改造。改造中，现场线路尽量保持不动，除控制中心外大部分利用原来的设备，控制系统的现场信号电缆都进到原系统电极控制柜内，为降低重新敷设电缆的成本，保证系统的完好性，原系统电极控制柜不变，减少了额外的工作和成本。

图2 升级后的LF 炉控制系统

4.3 炉下双钢包车控制系统的优化

炉下南北两台钢包车，中间为冶炼位，原设计为一台车进站时另一台车必须在自己的停靠位，这样在冶炼周期中，这一炉次冶炼完毕必须开出到位后，另一台车方可启动进站，任何时间只有一台车运行，由PLC 程序内部连锁。经过现场确认，对另一台车的进站启动条件进行了修改，这样在实际运行时，工作位台车一移动离开，另一台车就开始开进来，工作位车到停靠位时，进站台车基本到位，节约流程进站时间1 min。

4.4 上投料控制系统升级后的网络优化改造

控制系统升级后，网络通讯为树状结构网络，网络结构不清晰、干涉较多，树状结构的容错率极低，一旦发生网路故障将造成掉站情况的发生。生产过程中出现掉站现象，而且不能自己恢复，需要机架重新上电才能恢复正常，问题非常棘手。为了消除故障，将网络结构改为环形网络结构，在上投料主PLC 机架上增加一块通讯模板来实现环网结构，这样就允许中间开路状态下正常运行，增强其容错性，且PLC 内网与交换机的外网进行物理隔离，减少其干涉。升级后的上投料系统网络改造如图3 所示。

4.5 新电极调节PRIMETALS 与新控制系统的兼容处理

图3 上投料升级后的网络控制系统改造

AB 的以太网通讯协议为EthernetIP，然而普锐特的MeltExpert 并不支持该协议，所以必须设立一个中转，增加一个S7-300 站，数据由MeltExpert发出，通过以太网将数据遵循S7COMM 协议与S7-300 进行通讯交换。数据存入S7-300 的CPU 后，通过ProfibusDP 与AB 系统中的ProSoft 模块进行数据交换。AB-1756 的CPU 就可以从自身机架上的ProSoft 进行数据交换了。

（1）采用S7-300 与RedlionControls 解决系统兼容性问题，建立有效的通讯连接。

（2）S7-300 与 RedlionControls 组合能够实现现行各电气系统的完美对接，建立有效通讯，解决了通讯问题。

5 应用效果

5.1 本体控制系统升级

控制系统升级为罗克韦尔公司现行最先进的Controllogix 1756 系列自动化控制系统，新系统具备高度的可靠性，抗干扰能力强，并且采用工业级芯片，支持热插拔与热备冗余，兼容性好，可无限扩展，相互兼容通讯，控制更加精确，信号传输速度快，解决了无备件的最大隐患问题，提升了自动化程度，故障率明显降低。在2018 年生产中没有因控制系统问题造成连铸断浇，工序衔接良好。

5.2 电极调节控制系统升级

新系统电极调节器具有电弧控制稳定、降低电耗、减少电极消耗、增加控制过程的平稳性等特点。电极调节系统更容易测量电气参数，可以清晰地通过调节电极向上或向下单个移动来确定其工作点，有效保护变压器不受过流的影响，实现电极在短路、断极、在非导体上触地状况下的自动保护；电极升降控制更加平稳，冶炼电耗及电极消耗明显降低，提高了精炼的各项指标。

5.3 钢包车控制系统优化

经过此次改造，实际运行时，两台钢包车为了实现联动控制，即工作位台车一移动离开，另一台车就开始开进来，工作位车到停靠位时，进站台车基本到位，节约流程进站时间1 min，显著提高了精炼效率。

5.4 控制系统升级后的网络优化

改造前，网络通讯为树状结构，网络结构不清晰、干涉较多，容错率极低，一旦发生网路故障将造成掉站情况的发生。改造后的环形网络结构允许中间开路状态下还能正常运行，增强了网络的容错性，且PLC 内网与交换机的外网进行物理隔离，减少网络物理干涉。改造后没有发生网络掉站问题，通讯非常稳定。

5.5 电极调节与AB-Controllogix 的兼容

主系统Controllogix 由EN2TR 模板通过Ethernet/IP 与RedlionControls 产生通讯，再由RedlionControls进行编程与协议转换通过Profinet 与电极调节系统建立连接，电极调节所需的重要数据如液压缸根部压力、二次电压电流以及Rexroth 液压比例调节阀精准控制，则采取相对独立的Profibus 进行通讯，主系统Controllogix 经过ProSoft 接入到Profibus 与之产生数据交换，同时也为物流、二级系统提供了通讯保证。