20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器、及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，但是以各種繼電器為主要元件的電氣控制線路可能需要成千只繼電器構(gòu)成，需要使用成千上萬根導線來連接，安裝這些繼電器需要大量的繼電器控制柜，且占據(jù)大量的空間、消耗大量的電能，為保證控制系統(tǒng)的正常運行，還需要安排大量的電氣技術(shù)人員進行維護。系統(tǒng)出現(xiàn)故障，排除故障非常困難，尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，可能需要增加很多的繼電器或控制柜，系統(tǒng)改造的工作量極大，通用性和靈活性較差。到20世紀60年代，由于小型計算機的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機群控的發(fā)展，人們試圖用小型計算機來實現(xiàn)工業(yè)控制的要求。1969年，美國數(shù)字化設(shè)備公司研制出第一臺可編程控制器（PDP-14），在通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用后，效果顯著；1971年，日本研制出第一臺可編程控制器（DCS-8）；1973年，德國研制出第一臺可編程控制器；1974年，我國開始研制可編程控制器；1977年，我國在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣PLC[1−3]（可編程控制器）。2004年本鋼集團北營煉鋼廠3座120 t轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)使用，每座轉(zhuǎn)爐均采用德國西門子S7-400 PLC系統(tǒng)進行控制，PLC技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用使得整體的煉鋼工作效率大幅度提升[4]，保證企業(yè)日常管理工作水平有效提高。
1. 轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
1.1 轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)
（1）轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)：
①氧氣、氮氣總管的壓力、溫度測量；
②氧氣、氮氣支總管的切斷、壓力測量及調(diào)節(jié)；
③支路氮氣和氧槍回路氧氣的切斷、流量測量、自動調(diào)節(jié)及流量累積，支路氮氣閥及氧槍回路閥后的壓力測量；
④氧槍進出水壓力、溫度和流量的測量及進口流量調(diào)節(jié)；
⑤氧槍鋼絲繩張力測量；
⑥單爐冶煉供氧時間的計算。
（2）轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)：轉(zhuǎn)爐傾動變頻器，傾動電機電流、轉(zhuǎn)矩及傾動角度。
（3）轉(zhuǎn)爐設(shè)備冷卻水系統(tǒng)：轉(zhuǎn)爐冷卻水壓力，進、出水溫度及流量測量。
（4）轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測量。
1.2 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)
（1）汽包與除氧器水位自動調(diào)節(jié)，水位、水溫和蒸汽壓力測量；
（2）給水泵出口母管壓力測量；
（3）氧槍口及左、右下料口冷卻水回水溫度測量；
（4）汽包給水管給水流量測量；
（5）軟水流量測量；
（6）高、低壓泵出口流量測量；
（7）活動煙罩氮氣流量測量；
（8）分汽缸溫度、壓力測量，進分汽缸蒸汽壓力調(diào)節(jié)。
1.3 轉(zhuǎn)爐合金投料系統(tǒng)
（1）轉(zhuǎn)爐合金投料系統(tǒng)稱量斗的自動稱量；
（2）轉(zhuǎn)爐合金料倉料位顯示。
1.4 轉(zhuǎn)爐輔料投料系統(tǒng)
（1）氮封用氮氣壓力的測量；
（2）轉(zhuǎn)爐輔料投料系統(tǒng)稱量斗的自動稱量；
（3）轉(zhuǎn)爐輔原料料倉料位顯示。
1.5 轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐鋼水過程，終點溫度，氧含量測量。
2. PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點分析
2.1 可靠性高，故障率低
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性[5]。部分PLC平均無故障時間高達30萬h，一些使用冗余CPU的PLC平均無故障工作時間更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。由于運用了大量軟繼電器等抗干擾元件，可以對外界干擾及時隔離和阻斷，而在整個工業(yè)設(shè)備出現(xiàn)異常時，PLC也可以通過外部設(shè)置的預警系統(tǒng)，對不正常信息進行識別和比對，并提示中央控制器及時進行故障處理和維護，使整個運行系統(tǒng)的失效率降低，實現(xiàn)長期可持續(xù)運行。
2.2 程序控制，性能良好
PLC控制技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)測量，以一定編程進行系統(tǒng)化操作及控制的操作應(yīng)用系統(tǒng)。在煉鋼廠轉(zhuǎn)爐的自動控制系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)狀態(tài)是以信號傳輸?shù)男问捷斎肟刂葡到y(tǒng)，通過控制系統(tǒng)內(nèi)部的程序化操作實現(xiàn)自動控制，精確化數(shù)據(jù)保證程序運行的可靠性[6]。轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)的主要設(shè)備，在生產(chǎn)過程中的諸多工藝參數(shù)和設(shè)備運行參數(shù)，例如氧氣的壓力、流量，氧槍冷卻水的壓力、流量、進水和回水溫度，濺渣護爐的氮氣壓力等，是進行生產(chǎn)的重要參考依據(jù)，而氧槍和轉(zhuǎn)爐傾動的電動機溫升和電流等運行參數(shù)正常與否，直接關(guān)系設(shè)備能否安全運行。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，人們把轉(zhuǎn)爐煉鋼的控制任務(wù)交給PLC系統(tǒng)成為現(xiàn)實。
2.3 簡化過程，方便操作
PLC技術(shù)可以根據(jù)一定的程序進行自動化操作，在完整的控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，需要有開關(guān)量控制、模擬量控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理等多個輸入信號，也在綜合性的應(yīng)用過程中進行長期穩(wěn)定的應(yīng)用，這樣就可以在系統(tǒng)化的操作過程中，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的正常運行。盡管PLC技術(shù)在運行時可能會受到空間輻射和系統(tǒng)外調(diào)節(jié)變量的影響，但PLC所有輸入信號在程序處理前統(tǒng)一讀入，并在處理過程中不再變化，而程序處理的結(jié)果也是在掃描周期的最后時段統(tǒng)一輸出。其工作特點是將一個連續(xù)的過程分解成若干靜止的狀態(tài)，PLC僅在掃描周期的起始時段讀取外部輸入狀態(tài)，該時段相對較短，抗輸入信號串入的干擾極為有利，并且按已編輯的標準程序執(zhí)行，完成整個煉鋼過程的整體運行，從而減少了以前手工操作造成的數(shù)據(jù)偏差，保證了整個煉鋼控制從加廢鋼，加鐵水，氧槍吹煉到出鋼各數(shù)據(jù)的準確，可以說PLC技術(shù)能在簡化流程的同時，還能完成系統(tǒng)化操作，使運維方便高效。
2.4 通信方式齊全，適應(yīng)性強
PLC技術(shù)不斷發(fā)展，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，PLC還具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域，加上PLC通信能力的不斷增強，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易，PLC的通信任務(wù)就是將地理位置不同的PLC、計算機、各種現(xiàn)場設(shè)備等，通過通信介質(zhì)連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理，從而完成各PLC之間，PLC與變頻器，PLC與編碼器、觸摸屏等現(xiàn)場設(shè)備的全面控制功能。
3. PLC技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼控制的內(nèi)容
3.1 PLC開關(guān)量的邏輯連鎖控制功能
開關(guān)量連鎖控制是PLC系統(tǒng)傳動控制的實現(xiàn)基礎(chǔ)。將分布式設(shè)備本體各處的諸多檢測開關(guān)器件信號采集到開關(guān)量輸入模板，通過編程，由開關(guān)量輸出模塊輸出，控制相關(guān)的繼電器或變頻器控制端子，實現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)動。為保證氧槍升降和轉(zhuǎn)爐前后傾動設(shè)備的安全運行，只有在轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)入冶煉位后，即轉(zhuǎn)爐處于零位時，方可允許氧槍下降操作，為防止誤操作，氧槍降得過低，碰傷爐體損壞氧槍，設(shè)置下限位開關(guān)。氧槍的提升，由上限和超高限位兩限位限制其提升行程。此外氧槍升降控制在PLC運行程序上相互間有互鎖。為保障冶煉工作安全，防止設(shè)備損壞，氧槍設(shè)備對其他設(shè)備的傳動控制系統(tǒng)還有一些連鎖信號。
3.2 PLC技術(shù)在程序控制中的應(yīng)用
PLC技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的有效應(yīng)用，進行單元式的順序管理工作，也就在此過程中進行全面而精準的分析工作，保證自動化控制流程的合理性和操作的流暢性。例如，把PLC技術(shù)應(yīng)用到順序控制器中，轉(zhuǎn)爐煉鋼在副槍測量時，由操作人員發(fā)出操作指令，探頭自動裝卸機從探頭儲存箱中取出探頭并將其連接到副槍槍頭上，系統(tǒng)在確認探頭連接無誤后，控制副槍移動到測量位置。隨后，系統(tǒng)根據(jù)鋼水液面的高度，控制副槍的插入深度及測量時間，測量完成后，系統(tǒng)控制副槍提槍，移動到待機位置，由探頭裝卸機構(gòu)將用過的探頭拔除。測量數(shù)據(jù)傳輸給LCD，針對不同鋼種所要求的終點成分，向其它PLC（如吹氧和底吹控制PLC）發(fā)送控制指令，由PLC完成出鋼前的調(diào)整。副槍運行狀況可在操作室的LCD上進行監(jiān)視），保證了應(yīng)用控制程序的基本有序性，避免了不良操作對整個運行過程的影響，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化控制工作的整體效率。
3.3 PLC技術(shù)在閉環(huán)控制中的應(yīng)用
轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)爐傾動驅(qū)動電動機，4臺電動機采用4點懸掛形式嚙合在一個齒輪箱上驅(qū)動轉(zhuǎn)爐傾動，四臺電動機通過主從控制方式實現(xiàn)負荷平衡；傳動裝置與傾動電機采用1對1控制，即1臺調(diào)速裝置對應(yīng)1臺傾動電機，當其中1臺電動機或裝置發(fā)生故障時，其它3臺電動機可以繼續(xù)工作，當2臺電動機出現(xiàn)故障時，其余2臺也可以驅(qū)動轉(zhuǎn)爐煉完本爐鋼。4臺傾動變頻器通過FDCO-02通訊模塊組成光纖環(huán)網(wǎng)，構(gòu)成主從控制結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通訊，與PLC通過FENA-11模塊通訊（圖1）。通過變頻器自身實現(xiàn)主/從電流負荷平衡，同時具備主/從切換功能。當轉(zhuǎn)爐正在出鋼、出渣時，交流電源發(fā)生停電故障，此時可利用UPS（或EPS）不間斷電源通過PLC程序控制將轉(zhuǎn)爐4臺液壓電磁制動器打開，轉(zhuǎn)爐依靠自重復位，使轉(zhuǎn)爐處于安全位置。每臺電動機隨機械配裝脈沖編碼器一臺，在轉(zhuǎn)爐輸出軸上裝設(shè)一臺絕對值編碼器，脈沖編碼器作為速度反饋信號，絕對值編碼器信號反饋至PLC，作為轉(zhuǎn)爐傾動角度顯示信號?？刂七^程如下：正常情況下，1#裝置為主，其余為從裝置，主裝置根據(jù)主電動機數(shù)據(jù)作速度閉環(huán)控制，從裝置接收轉(zhuǎn)矩給定，實行轉(zhuǎn)矩控制。當某一臺從裝置或?qū)?yīng)電動機故障時，在分閘前提下，可以從HMI畫面選擇該裝置不投入，其余三臺裝置正常投入生產(chǎn)；當1#裝置或?qū)?yīng)電動機有故障時，在分閘前提下，可以通過HMI輕松切換到2#裝置為主裝置，1#裝置不投入，維持正常生產(chǎn)。當2臺電動機發(fā)生故障時，而轉(zhuǎn)爐正處于吹煉狀態(tài)，則可以重新選擇主從結(jié)構(gòu)，利用剩余2臺電動機降速運行維持該爐鋼煉完。
各裝置共用主變頻器的速度環(huán)，主從控制在控制單元內(nèi)部實現(xiàn)，避免電磁干擾，通訊速度快，保證輸出轉(zhuǎn)矩一致，實現(xiàn)力矩平衡?？刂茊卧cPLC間均通過Profibus網(wǎng)絡(luò)連接，通過HMI實時監(jiān)控傳動裝置狀態(tài)。正常聯(lián)動運行時傾動電機抱閘由PLC和變頻器共同控制，最大程度保證轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)傾動安全?？刂品绞綖閹Ь幋a器的閉環(huán)控制，可保證轉(zhuǎn)矩輸出準確和速度控制精度。4臺電動機均有抱閘機構(gòu)，抱閘由PLC輸出接點和變頻輸出點共同控制，當PLC或變頻發(fā)生故障或死機時，另一方控制系統(tǒng)輸出點動作，抱閘關(guān)閉，保證爐體安全，通過PLC的閉環(huán)控制設(shè)計，保證了轉(zhuǎn)爐傾動控制的準確性與安全性。
3.4 PLC技術(shù)在通訊的數(shù)據(jù)處理控制中的應(yīng)用
全PLC系統(tǒng)控制器在工作過程中，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)采集和整理的需要進行數(shù)據(jù)編號，并能根據(jù)編號的相應(yīng)性質(zhì)進行信號發(fā)送和接收。轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)過程中，涉及的有氧槍、傾動本體系統(tǒng)，輔原料下料系統(tǒng)，合金下料系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐副槍測量系統(tǒng)等多個PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)通訊（圖2），實現(xiàn)各種工藝控制功能，各系統(tǒng)連鎖控制、協(xié)同作業(yè)，共同完成轉(zhuǎn)爐冶煉工作。PLC通過Profibus網(wǎng)通訊實現(xiàn)編碼器信號的采集和對變頻器的控制，采集的脈沖通過PLC程序功能塊轉(zhuǎn)換成位置信號，實現(xiàn)氧槍高度的精確計算，通過變頻器完成驅(qū)動氧槍電機、傾動電機和鋼車電機等功能控制。
通過對西門子S7-400 PLC系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化中的應(yīng)用，尤其是實時檢測生產(chǎn)工藝和電控系統(tǒng)兩大參數(shù)群，綜合判斷處理，決策控制，并結(jié)合開關(guān)量邏輯控制功能和運行程序的順序控制技術(shù)，閉環(huán)控制的應(yīng)用，多種網(wǎng)絡(luò)通信功能，豐富的報警顯示及預警功能，使得煉鋼自動化系統(tǒng)具備故障自檢、智能控制和一定的故障應(yīng)對能力，經(jīng)實踐運行，不僅實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐設(shè)備的零故障運行，而且轉(zhuǎn)爐設(shè)備的使用壽命大幅提高，經(jīng)濟效益十分顯著?？煽?、簡單、易用的PLC控制技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中得到充分的應(yīng)用，全面提高轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動化水平。
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文章來源——金屬世界
4. 結(jié)束語