梅钢高炉炉前自动化升级

翟玉龙 吴建华

(宝武集团梅山钢铁公司炼铁厂 南京210039)

1 前言

在高炉炼铁设备中，炉前关键设备包括开口机、移盖机、泥炮等，周期性打开铁口放出冶炼好的铁水，完成后及时封堵。开口机、移盖机和泥炮采用液压控制，打开铁口、挪移A盖和堵铁口等作业的各部件动作采用手动操作，各动作的液压阀门配置手柄式先导阀，集中在操作台上，布置在每个铁口的阀站内。

梅钢五号高炉炉前打开铁口和封堵铁口操作，需要炉前工在阀站的操作台上一边扳动先导阀手柄、一边通过阀站玻璃窗口观测现场，才能完成。在当前的社会背景下，考虑炉前高温工况、环境等影响，这种操作方式落后，劳动效率低，安全性差[1]，不利于大型企业的长期发展。为了降低炉前工的工作强度，提高劳动效率，提升高炉设备整体的自动化控制水平，对炉前液压系统进行升级改造。同时，优化改进现场液压管路，安装旋转接头，消除跑冒滴漏对环境的影响，提高液压系统的整体使用性能。

2 炉前主要设备配置

梅钢炼铁厂五号高炉系统于2012年6月2日点火投产，高炉有效容积为4070m3，年平均利用系数为2.2 t/(m3.d)，年产炼钢铁水约327×104t/a。主要技术经济指标见表1。

表1 五号高炉主要技术经济指标

液压开口机、移盖机及液压泥炮采用两套相连的液压泵站，每套各为两台开口机、移盖机、泥炮提供液压动力源，其中一套故障时可通过切换手动球阀使用另一套泵站供油[2]。液压站主泵采用恒压柱塞变量泵，每套数量3台，其中2台工作，1台备用，泵流量185L/min，压力31.5MPa，电机功率：132kW，采用抗磨液压油ISOVG46/40℃，油箱配套循环过滤、热交换系统。每个铁口配置一个阀站，控制对应的开口机、移盖机、泥炮，每个执行机构对应一个阀组，阀站阀组原理图见图1，图中换向阀1控制泥炮旋转，换向阀2控制泥炮打泥退泥饼，换向阀3控制开口机回转，换向阀3控制开口机回转，换向阀4控制小车进退，换向阀5控制钻杆旋转，换向阀6控制凿岩机振打换向阀7控制夹钳开闭，换向阀8控制揭盖机小车行走，换向阀9控制A盖的升降。原换向阀都是液控换向阀，所有动作由操作工扳动手柄式先导阀实现。

炉前开口机设计采用TMT型全液压强力开口机，该开口机大臂回转一步到位对准铁口，主要技术参数见表2。移盖机采用悬臂式全液压移盖机，具有横移和A盖升降两个动作。其主要技术参数如下：走行油缸额定工作压力25MPa，工作行程4500mm，提升油缸额定工作压力25MPa，工作行程585mm。泥炮采用DDS式液压泥炮，仅有转炮和打泥动作，炮嘴的压紧动作依靠旋转机构来完成，打泥油缸工作压力28MPa，直径530mm，行程1458mm，转炮油缸工作压力28MPa，直径310mm，行程1386mm。

图1 阀站阀组原理图

3 自动化升级内容

3.1炉前设备液压系统

梅钢五号高炉有四个出铁口，每个铁口一个阀站，各配置一整套开口机、移盖机、泥炮及控制操作系统。在液压阀站，开口机、揭盖机和泥炮的每个动作都对应布置一组液压阀，保证每个动作可以单独完成，互不干涉。其液压控制原理图见图2。本改造将梅钢五号高炉开口机、移盖机、泥炮设备的液压控制由原有的液控和手动方式升级为电液控制，将原有的相关中间配管进行相应改造，将所有电气信号送PLC，并加装遥控操作装置，使炉前工可以在铁口现场遥控操作[3]，不再受限于阀站内靠手柄的操作方式。

表2 开口机主要参数

以液压泥炮为例，液压阀台安装减压阀，其中一路液压油减压后作为阀台换向阀控制油；阀台安装一个手动换向阀，控制减压后的控制油流向泥炮阀组或开口机阀组。其中，泥炮的动作包括旋转转进、旋转转退、泥缸打泥和泥缸退泥，改造升级前，旋转油缸和打泥油缸分别由对应的液动比例换向阀控制，阀台安装手柄式先导阀，控制油连通后，操作各手柄实现泥炮各动作。改造后，各阀组的原液动比列换向阀更换为电液比例换向阀[4]，就地安装I/O站提供电源，其他各控制调节阀继续使用。手柄式先导阀操作台拆除，安装电源控制手动操作台，配套安装电气及自动化PLC控制系统。正常采用遥控器远程操作，手动模式操作和紧急模式下的操作使用手动操作台。泥炮液压控制原理图见图2改造升级①、②、⑤为电液比例换向阀，③、④先导阀拆除，配管封堵，阀台其余组件继续使用。同一阀站内，开口机和移盖机的阀组中对应的所有换向阀做同样改进升级,改造后，电液比比例换向阀响应更快，精度更可靠[5]。

四台阀站的阀组改造升级内容相同，改造液动换向阀、手柄式先导阀及控制油路，实现电液控制，安装PLC自动控制系统，升级实现遥控器远程操作。

对现场液压管路改进，在开口机大臂回转立柱中心增加12路旋转接头，对大臂回转上压盖及芯轴进行改造，重新加工旋转接头定位及安装孔。开口机入口端除大臂回转油缸保留软管外，其他全部采用硬管连接。泥炮整改方案主要是将泥炮回转中心液压油管软管连接改为4路旋转接头，水管连接采用单独4路旋转接头，重新敷设硬管。改进后，现场管路布局更合理，故障大幅减少，消除跑冒滴漏对环保的不利影响。

图2 泥炮液压控制原理图1-比例换向阀;2-比例换向阀;3-手柄式先导阀;4-手柄式先导阀;5-手动换向阀

3.2自动化控制系统

由扳动先导阀手柄的操作方式升级到移动无线遥控操作方式，在阀台更换液动控制换向阀为电液控制换阀向后，配套安装对应的PLC自动控制系统[6]。

升级新装两套电气及自动化PLC控制系统，分别控制南出铁场和北出铁场的设备，核心控制系统安装在高炉中控楼内，在4个阀站设置远程I/O站，在中控楼和炉前值班室新增监控画面；增加4套遥控器，用于4个铁口设备的现场操作；在4个阀站均设手动操作台[7]，用于手动模式操作和紧急模式下的设备操作，在每个阀站外新增泥炮压力显示屏，输入信号为4-20mA。

新PLC控制系统沿用AB公司ControlLogix 1756系列，保持与整个高炉控制系统一致。一套系统用于控制北出铁场1#、2#出铁口的设备，另一套系统用于控制南出铁场3#、4#出铁口的设备。采用冗余的PLC系统设备，两套冗余的PLC控制系统均采用AB公司ControlLogix 1756 系列, 设PLC主机架，通过冗余ControlNet控制网下挂I/O模块，其I/O模块分散设在各现场，共设2个主机架及8个远程I/O站，两个主机架装于同一台PLC柜。

主机架用于安装CPU模块及通讯模块等，均采用冗余配置，安装在高炉中控楼电气室。1#远程I/O站用于接收1#阀站内电液设备的I/O及1#出铁口遥控器的I/O，单独成柜，安装在北出铁场的1#阀站内；2#远程I/O站用于接收1#出铁口泥炮、开口机、移盖机的手动操作台的信号，安装在北出铁场的1#阀站新增的操作台内；控制系统主机架与远程I/O站之间采用冗余的光纤通讯。每个阀站就地设置UPS电源，为操作室内远程站提供不间断电源。另三个阀站内的I/O站同样布置，共计8套。

本系统的网络结构采用AB公司经典的网络结构，分为：信息层，自动化和控制层及设备层。信息层，配置交换机1台，4台工控机做为信息层的主要设备。自动化和控制层，根据现场工艺设备的布置及其功能特点，采用在现场就地安装远程I/O柜的方式。为了保证控制的可靠性，该控制系统CPU及网络都采用冗余配置。设备层，升级后将各阀站新增的电磁阀均纳入到远程站中。控制流程见图3。网络结构，为确保系统的统一性、完整性，控制系统硬件、软件均选用炼铁厂一直在用的ControlLogix系列PLC，从而保证整个炼铁区域控制系统、HMI系统的统一性、完整性。PLC系统的核心控制层采用ControlNet 网络结构，其通讯的速率可达5M bit/s。

图3 炉前设备控制流程图

自动化应用软件主要包括各个工艺设备的PLC 控制程序，系统监控画面、流程画面、趋势画面、控制组画面、报警画面等。PLC控制程序：操作台、遥控器信号的采集，新增液压电磁阀站的控制，并根据操作台、遥控器信号状态控制现场设备的相应动作。正常模式下的操作都是基于PLC 系统的操作。HMI画面程序：HMI画面程序包括系统监控画面、流程画面、趋势画面、控制组画面、报警画面等。系统监控画面主要显示在该系统主要设备的当前状态，以及当前报警信息。流程画面描述该系统的主要流程，以及当前的系统的运行状态。趋势画面记录一些跟工艺有关的重要的数据，以便以后能够通过这些数据能够分析出目前操作上的不足，规划出更合理操作方式，达到使设备最大化为生产服务的理念。控制画面提供各个单体设备的手动单动窗口。报警画面提供系统的报警信息，并能追溯该报警的产生时间。提供查询历史报警功能。系统具有可拓展性，在条件成熟时，可以把整套系统接入高炉中控生产系统，在高炉值班室实现炉前一键操作，在现有的遥控器操作基础上升级为智能自动作业。

为保障系统工作的可靠性，新装4套3kVA UPS电源装置[8]，为远程I/O柜提供电源支持。PLC柜电源利用现有高炉中控楼UPS装置的备用回路提供电源。

4 结论

炉前系统自动化升级后，操作工可以实时观察现场的温度、压力、重量数据，便于遥控操作时实时调整，使炉前作业更直观；同时自动化系统记录设备运行状态，把界面直接接入炉前操作电脑，便于实时监控。通过优化管线布置，大幅减少了现场跑冒滴漏等对现场环境的不利影响。通过改进液动控制为电液控制，配套安装电气及自动化控制系统，升级实现了炉前各项作业的遥控操作，现场操作方便、准确，改善了手动扳手柄的操作方式，减轻了操作者的劳动强度，劳动效率得到提高，炉前环境明显改善。

炉前系统自动化升级已近两年，实践表明遥控操作简单易学，系统安全可靠稳定，提升了高炉设备的自动化控制水平。梅钢炉前系统自动化升级实践的经验，可为兄弟企业设备升级、优化岗位结构、效率提升等提供参考。