KR铁水预处理过程控制系统设计与应用

陈 峰，陆 程，陶 雷，原鹏斌，孟 旭，陈刚刚，郭名一

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京100071;2.江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214400）

1 引言

KR铁水预处理是炼钢的一道重要工序，在转炉冶炼前，铁水中的硫需要从铁水中除去，用低硫铁水进行炼钢。意义在于：降低转炉冶炼成本，缩短冶炼周期，延长炉龄，提高各钢种的内在质量［1］。

2 KR法铁水预处理工艺特点

图1 KR铁水预处理系统工艺图

KR搅拌脱硫法是日本某制铁厂于1963年开始研究，1965年应用于工业生产的一种铁水炉外脱硫技术［2］。脱硫方法是以外衬耐火材料的脱硫搅拌器侵入铁水罐内进行旋转搅动铁水，使铁水产生漩涡，将经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，并被漩涡卷入铁水中，与高温铁水混合、反应，达到脱硫目的。

如图1所示为KR铁水预处理工艺图。主要控制设备有铁水罐车、搅拌升降小车、搅拌头、活动烟罩、升降溜槽、氧化钙料仓、料斗以及喷吹阀等。

3 工艺控制系统要求

KR铁水预处理过程及动作顺序如下：①由吊车将装有铁水的铁水罐吊起，运至停在吊罐位的铁水车上；②开动铁水车，进入到处理工作位；③开动渣罐车到工作位；④铁水车倾翻，测温取样，扒渣处理；⑤升降搅拌小车液压系统启动，升降小车夹钳松开；⑥升降搅拌头小车下降到搅拌位，升降小车夹钳夹紧，液压系统停止；⑦活动烟罩下降，搅拌头低速旋转10s；⑧升降溜槽下降，搅拌头高速搅拌；⑨料斗给料机运行，料斗流化阀打开，喷吹阀打开；⑩料斗空信号达到时，延时3s关闭流化阀，延时10s关闭喷吹阀；11○搅拌时间到达时，停止搅拌，活动烟罩、升降溜槽、升降搅拌小车均回到待用位；12○铁水车倾翻，测温取样，扒渣处理；13○铁水车复位，开到吊装位，处理完毕。

4 系统硬件设计

4.1 供配电系统设计

根据该区域内所有设备工作过程、电机容量等相关因素，为每一个用电设备提供了供电控制回路。铁水车、渣罐车、搅拌头3个设备在动作工程中速度可以调整，设计时为该3个设备供电回路考虑了变频器控制。

电源柜进线短路器容量计算时，根据如下计算公式得出：

4.2 自动化系统设计

自动化部分设计方案：①PLC主站选用S7-400系列PLC（414-2DP CPU）；②分布式I/O选用了模块化的ET200M DP（153-1 DP接口模块）从站；③网络设备中主干网为以太网通讯，设备选用了具有2个光纤接口，6个RJ45接口的OSM光纤交换机。子网部分为PROFIBUS DP网络通讯；④设置操作员站（HMI）2台，工程师站1台；⑤为防止仪表与PLC之间距离过远导致信号不准确等问题，PLC柜的远程站均放置在现场操作平台上。如图2所示为KR铁水预处理网络拓扑图。

5 系统软件设计

系统软件设计可分为监控站（CRT）画面软件设计和PLC程序软件设计。

图2 KR铁水预处理网络拓扑图

5.1 监控站（CRT）画面软件设计

监控画面软件开发设计平台为WinCC 6.3软件。HMI画面监控软件开发过程，可分为以下几个步骤：①网络组态:为画面编制的第一过程，PLC与HMI之间的通讯是靠以太网实现的。首先选择通讯模式TCP/IP模式，然后选择计算机内部的通讯网卡（计算机内可能存在2个或以上的网卡，要选择与PLC通讯使用的网卡），然后输入PLC的IP地址；②TAG的建立:为HMI开发的基础，因为所有监控设备的动作或颜色变化均是靠TAG的值来显示的。TAG与下一节中的PLC编程使用的TAG，有着很大关系，一般来说，PLC和HMI的TAG同时建立；③画面编制及动画制作:要求完全显示工艺设备的运行状态，如有报警情况必须及时提示给操作人员，方便处理。

5.2 PLC程序软件设计

5.2.1 硬件设备组态

根据PLC所选硬件设备，进行了相应得硬件设备组态。包括：①S7-400主站1个，主站包括CPU模块、443-1以太网通讯模块；②ET200M远程站8个；③IO点地址分配：

检测方法包括标准方法和非标准方法．每个项目往往有多个方法，每个方法的灵敏度、适用范围及适用目的都有所不同．此系统将环境检测通用的标准方法以其使用条件、使用目的、灵敏度和检测范围等特性进行分类，形成检测方法信息数据模块．使每个项目检测方法的选择和使用规范化、标准化、快速化．

5.2.2 网络组态

双层网络设备，第一层PROFIBUS DP网络，第二层工业以太网。如图3所示为STEP 7网络组态画面。

图3 STEP 7网络组态画面

①新增以太网。CPU本身不具有TCP/IP通讯功能，实现以太网通讯功能的是模块6GK7 443-1EX11-0XE0。选择新增以太网Industrial Ethernet（1）；②为 CPU分配以太网 IP地址。IP:192.168.2.141,网关:192.168.2.1；③与其它 CPU 系统组成一个网段。将其它系统的CPU也加入到Industrial Etherne（1）网段，以便实现 CPU 之间以太网通讯；④新增PROFIBUS DP网。DP接口为了连接ET200M远程站使用，实现控制系统的完整性，S7-400处理器，S7-300模块的远程站。DP网络接口，是使用CPU处理器本身的DP接口（6ES7 416-3XR05-0AB0）。

5.2.3 程序结构分配

根据工艺要求，本次软件程序设计使用了OB组织块12个、FC功能块51个、DB数据块21个。如表1所示为主要FC功能块说明。

6 过程控制系统设计

6.1 主要设备控制程序

根据工艺需要和设备之间连锁关系，主要设备控制程序可分为现场手动控制程序和监控站(CRT)控制程序两部分。现场手动控制程序是指，在设备检修情况下或设备调试期间（非正常生产情况），由操作人员在现场对单体设备进行操作，不考虑设备之间的连锁。监控站（CRT）控制程序是指，操作人员在监控站上进行生产操作，现场无人值守，设备运行情况是依靠现场的限位开关和电机控制回路等条件进行判断，考虑设备之间连锁关系。

表1 主要FC功能块说明

6.2 铁水罐车行走、倾翻控制

铁水罐车行走、倾翻控制，设现场操作箱本地控制和监控站（CRT）集中控制两种方式，由设在现场操作箱上的选择开关进行切换。

行走连锁条件：①铁水罐车电机、变频器、液压泵、液压冷却器、液压加热器、电缆卷筒等无故障；②铁水罐车行走中，升降溜槽装置必须处于上限位；③升降搅拌装置必须处于检修位或待用位；④活动烟罩必须处于上限位；⑤铁水罐车行走中，铁水罐必须落位。

倾翻连锁条件：①铁水罐车已在工作位上；②扒渣烟罩下降到位；③搅拌提升小车在待用位；④渣罐车已在工作位；⑤铁水罐车液压泵已起动。

6.3 搅拌旋转系统控制

搅拌旋转系统，设现场操作箱本地控制和监控站（CRT）集中控制两种方式，由设在操作箱上的选择开关进行切换。

集中控制：在操作箱上选择集中操作模式，在监控站（CRT）画面上按（1）设定高速搅拌时间（单位min），低速搅拌时间（单位min），高速旋转速度（r/min），低速旋转速度（r/min）（高速、低速旋转速度可以在搅拌旋转装置运行过程中进行时时调整）；（2）是“旋转起动”按钮，变频器以低速搅拌速度起动，旋转2s后，进入高速搅拌，高速搅拌时间到达后，旋转进入低速搅拌，低速搅拌时间到达后，停止搅拌（如需要搅拌过程中停止搅拌，直接按“旋转停止”按钮即可）。

连锁条件：①旋转电机、变频器、冷却风扇、钢丝绳张力检测等无故障；②搅拌升降小车在工作位；③烟罩在工作位；④液压装置夹紧到位；⑤铁水罐车在工作位；⑥搅拌头冷却电磁阀无故障。

6.4 脱硫剂使用量设定

根据工艺条件和操作需要，脱硫剂使用量的设定采用手动设定和自动计算两种方式。

手动设定：在监控站（CRT）上选择数据输入页面，选择数据来源“手动设定、自动计算”为手动设定，在设定值输入框内直接输入脱硫剂使用量。

自动计算：在监控站（CRT）上选择数据输入页面，选择数据来源“手动设定、自动计算”为自动计算，PLC根据实验室传来的数据进行数据计算，程序将按下面的公式计算出脱硫剂的使用量：

式中，G为脱硫剂使用量，kg；R为脱硫剂活性度（常数，＜1）；T 为铁水温度，°C；N1为铁水含硫量，%；N2为目标含硫量，%；W 为铁水重量，t。

参数中，R为人工设定，T为处理前铁水温度，N1、N2参数经化验室通过L2数据网络传送到PLC，W为铁水罐车车载传感器重量数据（剪掉铁水车皮重）。

7 结束语

本套KR铁水预处理系统采用电仪一体化设计方案，从低压元件、现场检测设备、PLC系统都是先进的、可靠的、运行稳定的。实现了工艺控制要求，克服了KR区域工作粉尘浓度大、温度高等不利的环境因素，现场手动控制程序使得设备检修、维护服务方便简捷。该系统自2008年10月投运后，铁水脱硫效果明显，电控系统工作稳定、运行可靠，为企业创造了很高的生产效益。