RH精炼炉系统的自动控

RH精炼炉系统的自动控制研究

郭凯 王宾

(山东莱钢永锋钢铁有限公司炼铁厂,德州，250100)

摘要：伴随日益发展加快的生产节奏，对炼钢生产线的成本提出了更高的控制要求，同时对钢水品质、钢水温度变化和含碳量的技术控制带来严格考验。本文以RH(Ruhrstahl Heraeus)系统设备为对象，研究RH系统，阐述基于PLC的自动控制系统的设计实现。测试并且验证了该系统的可行性和有效性。

关键词：RH；精炼炉；自动控制；PLC

0 引言

纵观钢铁发展历程，钢铁炉外精炼技术已成为炼钢生产过程中的一项重要技术。而现代炼钢的最佳工艺流程包括钢水的预处理、转炉复合吹炼、RH精炼(炉外精炼)和连铸。其中RH精炼技术能够显著提高炼钢产量和改善出钢品质，并且有效降低生产成本，已逐渐成为炼钢生产工艺中的一种重要手段。

从德国最初使用RH精炼技术以来，至今全世界已有100余台RH精炼炉。并且西方一些国家炼钢企业已经开始普遍使用RH精炼技术，而在所有亚洲国家中仅日本就已有40余台RH精炼炉，并且也开始全部引进RH真空精炼炉[1]。我国从1965年才开始从原西德引进70t的RH精炼真空精炼炉[2]，随后逐渐得到各大钢铁企业的认可。

本文以RH精炼炉系统为研究目标，分析基于PLC的RH精炼炉控制系统的工作原理及生产需求。设计实现基于PLC的RH精炼炉综合自动化控制系统其系统架构、子系统的基础自动化、子系统的计算机过程控制和PID控制真空槽环流气体等功能模块。最后测试验证并分析了该系统的可行性和有效性。

1.RH精炼炉生产设计分析

1.1基本工艺概述

RH系统装置是一种二次精炼生产装置，可以生产优质的钢水，需在生产装置真空槽内内置耐火材料[3][4[5]，防止高温钢水流过时烧穿真空槽，如图1所示。真空槽两侧下浸渍管内壁同样附着耐火材料，用于浸没于钢水中，真空槽上部安装有一个热弯管，用于将真空槽炉内抽掉的高温气体排出。

图1 RH生产过程图例

该装置工作原理如下：处理钢水时，将浸渍管浸入钢水包中，随后用真空泵持续抽走真空槽内的气体，用于减小槽内钢水表面的大气压，造成真空槽装置内外气压差，从而趋使钢水由浸渍管流入到真空槽内。真空槽下部浸渍管分为上升管和下降管，前者用于将氩气不断的吹入到真空环流系统中正在处理的钢水，造成与下降管相比较高的静压差，使得外界钢水可以不断的由真空槽上升管进入然后在重力作用下从下降管流出，完成一次钢水的循环流动。

1.2 RH真空槽环流气体控制

真空槽环流气体控制分为脱气处理和非脱气处理两种：前一种通过浸渍管不断送入氩气(或氮气)等不活跃气体驱动钢水在真空槽内环形流动；后一种将氮气作为保护气体来使用。对于不同的钢种冶炼种类中的不同生产工艺流程阶段会选用不同的环流气体流量作用于真空槽内。对钢水循环脱气处理时，真空槽内环流气体的流动平稳度直接决定钢水真空处理后的质量。

真空槽环流系统的设备主要有：氩气、氮气压力检测总管；真空槽环流气体流量总管1、2、3和4；氩气、氮气管切断阀；真空槽环流气体流量支管1、2、3和4。

位于真空槽上输送气体(包括氩气和氮气等)的环流气体总管会配备1个量程为0~2MPa的气体压力检测变送器，用于检测气压状况。同时，在装置上会装有相应气动切割阀做为总开关，控制不同气体的切换。真空槽中环流气体的实时流量可以由具备单只气体流量调节阀和单只孔板流量检测装置支管来完成。这种支管又分多路支管，每一路有一个流量检测开关，PLC系统对超出流量限制的支路支管做报警响应。

对钢水进行RH处理时，系统会根据所需的不同处理过程有选择性的打开氩

气或氮气开关来加以利用，另一方面，需要实时对各支路支管的环流气体流量进行控制与总的环流气体流量平衡。

2.控制系统设计与实现

2.1 RH系统总体架构

采用两级控制方式是RH控制系统的典型特征，分为基础自动化控制(L1)系统和过程计算机控制(L2)系统两部分。一级控制系统主要承担系统的一些基本控制功能，包括现场电气元件的逻辑顺序控制、现场设备的运转、过程回路控制等；二级系统比较独立，主要管理和优化RH系统的整个生产过程，为高级计算机管理信息系统预留接口，设备之间通过以太网通信。RH网络结构如图2所示。

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图2 RH网络系统结构

2.2 L1子系统的设计与实现

考虑系统实际应用需求，使得布置分散、传输距离远的各设备能够相互通信，提高系统的抗干扰能力及数据交互稳定性[6][7]。依据设计系统的控制结构(本地I/O控制和分布式I/O控制)，对于分布式I/O控制系统，选用抗干扰性能好的ProfiBus电缆连接，抑制杂波干扰。系统选用工业级透明冗余控制器，利用冗余技术和多总线技术实现各模块冗余连接，提高可靠性和稳定性，采用PROFIBUS总线连接交流传动系统和控制系统，实现通讯协议栈之间的数据交换，保证数据快速准确到达。

按照工业工艺和实际生产要求，设计控制系统时，选用2套PLC，并且在上位机设计2台HMI服务器作为彼此之间的热冗余备用，避免其中一台出现故障，导致整个系统的瘫痪，另外系统中设置了2台PC客户机连接到L2交换机上，

对生产过程控制。工程师站主要完成对L1级系统的软件开发和维护工作，上位机采用高速以太网与PLC通信。

厂房中设置控制柜，用于安装电气和仪表设备，方便引出的信号线连接到系统过程控制单元中的I/O模块。所有电磁阀和电机控制都由PLC继电器输出端或辅助继电器控制。在RH基础自动化控制系统中，控制系统接入信号主要包括数字信号和模拟信号两种类型，分别分为输入和输出端口：数字信号输入/输出端、模拟信号输入/输出端。

RH基础级控制系统主要负责对现场设备的实时控制、数据信号采集、信息处理和设备逻辑状态判断等功能。本系统PLC控制软件选用西门子公司Step7 V5.4编程软件完成。PC机监控画面选用VC++6.0或WinCC6.2完成，实时监测和控制生产过程。

2.3 L2子系统的设计与实现

设计L2级过程自动化系统主要依靠基于PC的标准软件包完成。在对系统进行控制时，首先设计RH的工艺模型，使得炼炉与炼炉之间保持均匀的真空通气环境，提高钢水质量。一般情况下，服务器与各个客户PC机之间选择以太网通信，服务器采用RS232串口的方式与控制系统中子传输系统通讯，而与L1级自动化系统之间的通信则以高速工业以太网的方式为优，与各个终端之间以OPS方式进行通信。

开发出的软件系统要求操作界面简单，通过人工简单的点击鼠标即可完成控制设备的目的，通过选择菜单下拉选项、弹出子窗口的显示及进入信息、各操作界面之间的切换完成自动控制系统中各个子系统的功能。

L2系统模型包括各个子功能模块模型：

对温度的预报：采用预测机制，依据生产过程中采集的历史钢铁水的温度、含氧量、生产过程中的耗氧量、生产过程中的铝消耗量及其他合金的消耗量等数据预测目前的钢水温度。

对碳的静态推定：采用合适的预测手段，依据冶钢过程中采集的历史钢水起始数据关系，预测当前生产钢水中的含碳量。

对碳的动态推定：同上，也需要根据历史钢水起始含碳量及排放气体的含碳量，预测当前钢水中的碳的含量。

合金计算函数：需要测试钢水中的成分含量，然后根据测出的当前值和预期值，计算所加各类合金成本值达到最低的成分重量。

产品成分检测：根据经验值，利用最初钢水中各种成分及所需添加的合金量等数据信息，计算出当前生产钢水中的成分。

3.测试与验证

3.1测试环境

L1子系统有2套西门子PLC控制站，2台HMI服务器和2套公用客户PC机且装有WinCC监控软件。1套装有Step7编程软件的工程师站，L1子系统的控制站分为主战与分站，由PROFIBUS网络方式进行通讯，而控制站与HMI服务器及HMI服务器与客户PC机之间则以以太网的方式进行通信。

3.2软件模块测试

1) 系统软件测试

在测试环境中选用装有Windows XP操作系统的HMI服务器、客户PC机及工程师站，所有设备配备齐全，并且装完所需系列软件后，工作人员对各种实验操作进行相应测试，检查其工作状态。

2) CPU冗余切换测试

为达到系统冗余控制的要求，并且减少系统停机的时间，需要检查系统正常运行的CPU出现故障时，系统是否能够切换到另一CPU。

3) 通讯功能测试

PC上位机与PLC之间通信由上位机监控界面观测设备状态变化及工作情况判断，通过上位机界面操作控制判断工程师站与PC上位机之间的通讯，而判断控制系统中主战点与次站点则是由各工作部分指示灯来判断。

4) 测试模拟信号输入

由信号发生器从输入端送入模拟信号量，然后利用Step7软件的参数变量监测各输入端的输入信号是否正常，或通过监测界面中显示的各终端的模拟信号显示值来判断输入模拟信号的正确与否。

5) 测试模拟信号输出

由手动控制监测界面中开关阀门的开关度，观察开关阀门的反馈值是否与预先设定的数值相一致，利用这种方式判断模拟信号的输出和相应的系统控制回路是否正确，简化了操作。

6) 测试数字信号输入

人工操作系统现场设备箱上的控制开关或现场设备，通过观察设备箱上相应的状态指示灯、上位机监控界面中的操作方式及工作状态等信息，判断整个设备及输入回路的工作状态。

7) 测试数字信号输出

通过Step7软件控制各输出端口，并观察相应状态指示灯，进而由继电器控制现场设备，判断继电器当前开关状态，确认设备当前工作状态是否正常，从而判断数字信号的输出端和现场设备之间的连线是否工作正常。

8) 测试PLC操作程序

根据流程工艺及对设备的要求，由操作人员通过现场放置的操作装置或WinCC监测界面完成相应操作，可以通过Step7编程软件对控制程序进行监控检查判断是否满足控制功能。 3.3测试结果及分析

对于测试部分，本文只针对几个重要测试内容的测试结果进行分析。 1) CPU冗余切换功能

人为为系统某一正常运行的CPU制造故障，如果系统工作正常且并无信息丢失或报警/冲突信息丢失，则表明系统已经迅速及时的切换到另一CPU。测试结果表明，添加冗余的PLC控制系统能够降低系统故障概率，提高系统可靠性。

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