安钢100t转炉LF炉控制系统的改进

杨伏林 王岚潇 刘宇飞 郭 颖 刘文平

( 安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

第一炼轧厂100 t 转炉LF 炉是转炉工程配套的主要设备，工艺流程是转炉出钢结束后，将来至转炉的钢水经钢包由天车吊运至LF 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，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，主要功能是使钢液温度均匀，成份均匀、纯净，使得钢液脱硫、脱氧，改变夹杂物形态和分布及准确控制合金元素，为后道工序提供高质量的钢水。

1 LF 炉控制系统组成

1．1 控制系统基本结构

根据LF 炉生产的要求与工艺流程的特点，控制系统的配置使用PLC 控制系统，对参与联锁和控制的生产设备的工艺过程进行集中监控。从系统总体结构上，考虑以一体化的控制系统结构，构成一个功能分担合理、层次清晰，集生产管理、过程控制为一体，安全、高效、开放的控制系统，为生产采用新工艺改造、新技术及提高劳动生产率等方面提供必要的基础。设1 个集中控制室，内设1 台工程师站HMI、1 台操作员站HMI，负责硬件下载、软件编制、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，并以数据文件及生产流程图等形式在CRT 上显示。

系统主要由两台PLC 控制，均为SIMENS S7 －400，构成PROFIBUS－DP 主从网络结构;主PLC 完成电极调节、高压系统功能，从PLC 完成加料称量、液压系统、钢包车等功能，从PLC 的I/O 点数较多，设有一个扩展机架。交换机使用西门子产品OSM TP62，可以监视网络状态并可输出报警。根据技术资料，含有50 个OSM 的以太环网，当冗余管理器检测到两侧网络断线时，它重建网络结构的时间不大于0．3 s;使用交换机的port7 和port8 两个光纤口，连接成环网，同时把某一个OSM 设置为冗余管理器，实现了冗余控制。除了CPU 外，在主机架上还有CP443 通讯模块，这个模块的作用是负责与交换机的连接，从而实现与OPC 服务器之间的通讯［1］，实现数据的交换。原网络系统如图1 所示。

图1 原通讯网络系统示意图

除尘风机由S7 －300PLC 单独控制，带一个操作面板TP170，没有与LF 炉主PLC 进行通讯。

1．2 一级自动化系统主要功能描述

主站控制系统:完成电极调节及升降、高压系统功能。

从站控制系统: 完成加料称量、液压系统、钢包车、氩气搅拌及仪表设备数据采集等功能。

除尘控制系统: 完成LF 炉烟气除尘及高压风机的数据检测。

2 存在问题及分析

安钢转炉LF 炉于2004年6月投产，是100 t 转炉工程的关键配套设施，当时为节约投资，公司采用低价中标，虽然自控系统技术先进，达到上世纪90年代国际先进水平，但有部分设计仍不合理，运行不平稳，另外，核心技术设备没有在LF 炉上使用，不能很好的发挥LF 炉的作用。存在的主要问题有以下几点:

2．1 电极控制精度低

原系统采用西门子S7PLC 通过PID 调节来控制电极的运动，控制方式为电流控制。电极控制的软件功能简单，不能完全满足生产工艺要求，维护比较困难。根据现场了解的情况，炼钢时电极波动大，控制精度不高，系统稳定性不够，冶炼电耗较高。由于弧流控制精度低，响应时间晚，致使转炉LF 炉电极消耗高( 吨钢高0．1 kg，电极每吨10500 元) ，由于弧流控制的滞后性，还导致电极抖动，经常发生断电极现象(月平均2 根) ，电耗偏高。其原因如下:

1) 冶炼电耗与电炉精炼炉( 弧阻控制) 相比明显偏高，电炉LF 炉每分钟电耗200 kW·h 左右，而转炉LF 炉每分钟电耗250 kW·h 左右，并且热量不能被有效的吸收，电炉LF 炉每分钟钢水升温在4 ℃～5℃，而转炉LF 炉每分钟钢水升温在3 ℃～4 ℃。正常情况下，电炉LF 炉每班可冶炼13 炉左右，而转炉LF 炉每班可冶炼只有11 炉，不仅浪费电能( 每炉冶炼时间在13 min ～14 min，吨钢高出5 kW·h ～6 kW·h) ，还影响生产节奏。

2) 针对转炉LF 炉的高耗电情况，采用电炉LF炉进行冶炼，需启动电炉除尘风机( 1400 kW) 。如果采用转炉LF 炉，则利用转炉二次除尘即可，所以又增加了动力电耗( 动力电耗吨钢增加2 ℃左右) ，造成严重的电能浪费; 由于转炉混铁炉的除尘环保要求，在转炉LF 炉不冶炼的情况下，也必须开转炉LF 炉除尘风机，又造成电能浪费( 吨钢1． 5 ℃左右) 。

3) 由于电炉LF 炉是电炉配套设备，距转炉有80 m 远，在转炉钢水吊运过程中，温降达10 ℃，而转炉LF 炉是专为转炉配备，位于转炉出钢对面，天车吊运至转炉LF 炉时温降小，所以使用电炉LF 炉冶炼又会增加精炼电耗。

2．2 LF 炉除尘风机不能实时控制

LF 炉除尘风机控制系统属独立单元，没有实现LF 炉整个系统的通讯，原转炉LF 炉系统和除尘系统分别为两套PLC，承担各自功能，导致的后果是操作人员不能及时的调节风机转速，炉前冶炼情况与风机的运行状况不能很好的配合。本体与风机运行无通讯，无法建立数据联系，导致风机在冶炼状态全程高速，风机不能实时控制升降速，造成电能浪费，增加炼钢成本。

2．3 钢包底吹氩流量线性度差

原LF 炉底吹氩控制系统采用传统的底吹流量PID 控制技术，它具有结构简单、可靠、稳定等特点，但在生产过程中，由于被控对象的非线性、数学模型的不确定性及系统工作点的剧烈变化等因素，底吹氩系统在使用过程中经常出现流量变化大，线性度差的现象，不能有效克服负载、模型参数的大范围变化及其非线性因素的影响，难以实现准确控制系统的要求。生产过程中遇到的具体问题如下:

1) 使用工程整定的参数，在一定流量要求时控制效果较好，但在另一流量要求下效果变差。

2) 工况变化时无法适应。例如换钢种( 造渣要求不同) 、换包( 钢包尺寸变化) 、透气砖厚度与疏密程度的变化等，即使是很小的差异，对控制系统来说，其参数是有很大的改变，导致控制效果差异很大。

3) 抗干扰能力比较差。例如氩气压力的变化、传感器受到外界温度和电磁干扰等引起的误差等等，对系统来说，控制参数是一成不变的，因此对于不同的干扰不能快速有效的响应。

3 改进措施

3．1 更新电极调节控制系统

对电极调节的控制的改造主要是新增一套基于人工神经元网络技术( ANN) 的智能调节器，此智能调节器结合了神经元网络技术与PID 控制的优点，智能调节器系统软件由系统软件、开发工具及应用软件构成。智能调节器中神经元网络调节包括ANN 炉况仿真器和ANN 调节器，所谓ANN 仿真，就是用ANN 来模拟实际的LF 炉的动态响应，即根据时间片N 的输入信号和LF 炉的输出( 时间片N+1 的炉况) 来训练ANN，使得ANN 的输出逼近LF炉的需要输出。对大量样本的分析得出LF 炉的特性，从而在控制过程中可以提前预测控制信号对LF炉的控制效果，控制器根据ANN 仿真器的预测信息来优化控制信号及控制参数( 权值) 。具体实施如下:

1) 增加电极调节控制系统。根据现场电气控制室内控制柜的布局增设一台电极调节控制柜，保留原电极控制柜，原电极控制柜不但控制电极升降，而且还控制炉体高压系统，原系统即采集了电极控制信号点，又采集了高压系统信号、变压器保护信号。目前只是改造电极控制系统，若废除原系统电极控制柜，高压系统就无法控制。电极控制系统的现场信号电缆都进到原系统电极控制柜内，为了现场减少施工量，降低重新敷设电缆成本，保证系统的完好性，有必要保留原系统电极控制柜，以新增系统与原系统之间通过数据通讯的方式传送现场控制信号，即简单又保证了系统的完整性，不增加额外的工作和成本。

2) 增加变压器副边电流采集线圈。原系统是从高压系统一次侧电流互感器采集一次电流，经过PLC 程序转换成副边电流信号，这样的电流信号不能真实反应电流有效值，给电极控制带来不稳定性。采用英国生产的ROCOIL 的罗氏线圈直接从变压器副边采集电流信号，可以真实反应炼钢时电流畸变情况下电流有效值。

3) 增加二次电压匹配箱。在变压器旁安装一台二次电压匹配箱，用于二次电压的滤波、检测及二次大电流检测信号的转接。

4) 通讯。为了从原系统获得电极控制系统的信号，在原电极控制系统和新系统之间建立数据通讯，通讯方式采用工业以太网。改进后的转炉LF炉通讯控制系统示意图如图2 所示。

图2 改进后的通讯网络示意图

5) HMI 操作画面完善。原系统HMI 画面软件采用的是WINCC5．1 版，为了与原系统保持一致性，在原有的HMI 画面系统上增加新系统控制参数及状态显示画面。如显示实际二次电压、电流;显示设定二次电压、电流;显示实际阻抗计算值;显示设定阻抗计算值;显示有功、无功、功率因数及电耗等参数。

3．2 改进除尘风机控制系统

使用工控网络PROFIBUS － DP 将二者的PLC控制系统建立连接，使风机操作工了解LF 炉生产信息。原来主PLC 为西门子S7 －400，型号414 －2DP，主控室有两台工控机进行操作;风机房PLC 为S7 －300，将此作为从站，所以需要添加接口通讯板，模板型号CP342 －5。硬件建立后就可以通过软件编程实现丰富的应用功能，即可以一方面在风机房控制界面上显示精炼炉信息，同时可以对LF 炉主控室画面进行改进，在LF 炉主控室完成风机的直接操作。优化步骤如下:

1) 硬件连接。敷设通讯电缆，两边安装DP 接头，连接好终端电阻两边都需要打至“ON”位置。

2) 精炼炉主PLC 侧硬件配置。首先要在项目中添加风机房PLC 站，从风机S7 项目中将整个风机S7 －300 站全部复制过来，然后打开硬件配置，增加DP 从站，存储区暂定为DI/DO 各四个字节，AI/AO 各8 个字节。DP 地址设定为21。

3) 风机房从站PLC 硬件配置。打开风机S7 －300 硬件配置，增加模板CP342 －5，网络连接为同一条PROFIBUS － DP 网络，板子工作模式为slave［2］，地址为21，与步骤2) 主站中设定地址值保持一致。

4) 程序修改。在主从PLC 内增加存储区域，用于保存信息的发送接收，根据工艺，需要的信息主要有“A 车工作位”、“B 车工作位”、“没有钢包车在位”、“有车而且炉盖已压下”、“正在送电”、“送电已超过2000 度”六个数字量点。完成上述6 个炉况信息发送及读取风机转速等信息，可以定义风机的操作，主要有启动、停止、升速、降速操作等。

3．3 优化底吹氩控制系统

1) 根据模糊PID 的原理，在PLC 程序中编制一个模糊控制功能块。LF 炉项目中的CPU 采用西门子公司的CPU414 －2DP，编程语言采用STEP7 V5．2版。该编程工具提供了丰富的功能块，包括PID 控制功能块FB41 等，可以直接调用，这样就为模糊控制算法的实现提供了很好的工具。程序编制的思路是采用分段条件跳转语句，以传统PID 控制器的参数为基础，进行模糊处理，得到相应的P、I 参数的变化值△P、△I，并与传统原始PID 参数值相加，然后送到功能块FB41 中作为控制量来实现调节功能。在底吹氩控制系统程序中编制了一个专用的模糊控制功能块FB100 来实现模糊控制器的功能，并且为这个功能块配置一个背景数据块DB100，可以实现相关数值的初始化，同时存储量化因子及目标底吹流量、反馈底吹流量等参数。整个模糊控制器的功能由三个功能块FC100、FC101、FC102 来完成。

2) 通过分析底吹氩的现有工作过程，为不同时期的特定目的而采用恒压变流量操作，去获得好的“环流”搅拌效果，将整个底吹氩过程根据不同时期的目的分为三段:①加合金微调搅拌时，氩气流量为高速;②加热提温时为中高速;③软吹除杂为低速弱搅拌;根据炉况与冶炼的步骤要求，这三个步骤由操作者确定时间和流量后即交付控制系统自动控制。

3) 增加底吹氩的操作情况的约束条件，在考虑LF 炉底吹氩的控制方案时一定要把这些因素考虑进去:①开始启动吹氩时，必须使出口压力足以吹开透气砖，并在开吹后能及时将出口压力迅速减小至略大于钢水的静压力，防止钢水过氧化，使正常底吹氩顺利进行。②由于LF 炉底氩吹过程是一个较为复杂、有一定惯性和滞后、具有非线性、分布参数和时变性的系统，因此，要求在系统受到干扰时，仍能够保证吹入精炼炉的氩气量恒定，即要有较强的鲁棒性，同时还要满足精炼时氩气流量能随工艺的要求快速、准确地得到调整。

4 改进效果

4．1 电极调节控制系统稳定性

新系统有两套控制系统，一套是基于人工神经元网络技术的智能调节系统，一套是常规的PLC 电极调节系统，正常情况下，使用智能调节器系统控制电极系统，智能调节器故障时，电极升降PLC( 热备) 调节器自动替代智能调节器进行电极升降控制，保障正常生产，同时用于离散量的检测。

4．2 能源介质消耗

风机控制实现按实时生产情况需要调节转速，提高风机的控制精度，减少电能浪费，降低了工人的劳动强度。电极智能调节器结合了神经元网络技术与PID 控制的优点，使电弧控制更加稳定，从而降低了冶炼电耗、电极消耗。

4．3 底吹氩动态特性

底吹氩通过PLC 程序来实现的模糊PID 控制，对模糊规则进行了简化，流量控制系统能更快速的趋于稳定，而且超调值也大大缩小，抗干扰能力强，包括钢包透气砖好坏、氩气压力变化、钢水渣面层厚度变化等。使用效果达到工艺要求，使终点钢水温度偏差减少，缩短了加热周期，提高了生产效率，钢包中氩气弱搅拌使得合金收得率提高，更加体现了吹氩合金微调功能，为进一步提高钢水质量打下基础。

5 结语

转炉LF 炉在使用过程中的缺点主要是相比电炉LF 炉能耗较高。通过改进，系统运行比较稳定，降低了动力电耗、精炼电耗、工序能耗、电极消耗，保证了工序的通畅和衔接。另外对电极调节阻抗控制的实现、DP 通讯、网络数据收发技术、底吹氩控制的优化程序等在同行业中具有极大的推广和应用价值。

［1］廖常初主编． 西门子工业通信网络组态编程与故障诊断． 北京:机械工业出版社，2009:388 －402．

［2］廖常初主编．S7 －300/400PLC 应用技术．北京: 机械工业出版社，2005:310 －320．