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1           引言

    萊鋼特鋼廠第一煉鋼車間20T電弧爐是于2002年2月經(jīng)過(guò)對(duì)原有15T電爐改造后正式投產(chǎn)的偏心底出鋼的電爐。整個(gè)電爐系統(tǒng)由爐體本體、電極調(diào)節(jié)部分、液壓站、高壓開關(guān)柜和變壓器組成。過(guò)程控制采用電氣控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制三電一體化，提高了控制的可靠性。其中，自動(dòng)控制系統(tǒng)全部采用西門子S7-300系列PLC完成。

2           工藝概述

    電爐主要完成將廢鋼冶煉成鋼水，供給精煉爐。加料時(shí)，高壓開關(guān)柜分閘，旋轉(zhuǎn)鎖定打開，爐蓋提起，爐體旋出，天車加料，加完料，爐體旋回，旋轉(zhuǎn)鎖定鎖住，爐蓋蓋上，高壓開關(guān)柜合閘，電極自動(dòng)升降進(jìn)行冶煉。出鋼時(shí)，高壓開關(guān)柜分閘，水平鎖定打開，水平支撐打開，鋼包車開到出鋼位置，爐體后傾，出鋼口打開，鋼水流入鋼包中，出完鋼后由出鋼車將鋼包運(yùn)到吊包位置，最后由天車將鋼包運(yùn)往精練爐冶煉。在冶煉工程中，隨時(shí)可將水平鎖定打開，操縱傾爐開關(guān)，爐體前傾出渣。

3           自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

    電爐自動(dòng)控制系統(tǒng)采用2臺(tái)SIMATIC S7-300 PLC 主站，其中主站I完成爐體本體、液壓站、高壓開關(guān)柜、變壓器的控制及各測(cè)量監(jiān)控信號(hào)采集、傳輸和報(bào)警,主站II主要完成電極調(diào)節(jié)控制。其配置主要有主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、電源、CPU、接口模塊、及開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。一臺(tái)工程師站完成系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及修改優(yōu)化，一臺(tái)操作員站完成生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控并修改部分控制參數(shù)。兩臺(tái)主站與工程師站和操作員站之間通過(guò)MPI現(xiàn)場(chǎng)總線完成數(shù)據(jù)通訊。自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能

    整個(gè)電爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制由PLC控制程序完成，實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制、聯(lián)動(dòng)聯(lián)鎖控制、數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的傳輸、報(bào)警等。同時(shí)，在高壓停送電控制上有人工緊急停止按鈕。

4.1 工程師站與操作員站

    在工程師站，用基于WIN2000操作系統(tǒng)的SIMATIC STEP7 V5.1完成2臺(tái)PLC主站的硬件組態(tài)、站址、地址的分配、站間通訊及用戶程序的開發(fā)和調(diào)試工作。程序采用模塊化、結(jié)構(gòu)化編程，應(yīng)用OB、FB、FC、DB構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。

    操作員站采用研華工控機(jī)，監(jiān)控軟件是基于WIN98操作系統(tǒng)的SIMATIC WinCC畫面監(jiān)控組態(tài)軟件。WinCC實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯示、部分參數(shù)設(shè)定、報(bào)警限位信息顯示等功能，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性^[1]。

4.2 主站I

    主站I主要完成爐體本體控制、高壓停送電控制、變壓器換壓控制、液壓站基本控制及爐體、變壓器、液壓站等處的溫度、壓力、油位等信號(hào)的采集及處理控制。

4.2.1爐體傾動(dòng)、爐蓋旋轉(zhuǎn)控制

    爐體傾動(dòng)控制是由爐前操作臺(tái)上的操作開關(guān)左右搖動(dòng)，分別給出左傾/.右傾的信號(hào)到DI模塊，經(jīng)程序處理后，由AO模塊分別給出0～10V或0～－10V信號(hào)到比例閥放大板，經(jīng)比例閥放大板放大后，控制信號(hào)輸送到比例閥，通過(guò)控制比例閥的動(dòng)作控制爐體的傾動(dòng)。爐蓋旋轉(zhuǎn)控制原理基本同爐體傾動(dòng)一樣，也是通過(guò)控制比例閥的動(dòng)作控制爐蓋的旋轉(zhuǎn)。

4.2.2爐蓋升降、爐體旋轉(zhuǎn)鎖定、水平支撐/鎖定等控制

    爐蓋升降控制是由爐前操作臺(tái)上的操作開關(guān)發(fā)出升/降不同的信號(hào)到DI模塊，經(jīng)程序處理后，由DO模塊輸出信號(hào)經(jīng)中間繼電器控制液壓站閥臺(tái)上爐蓋升降電磁閥，由電磁閥不同的動(dòng)作控制爐蓋的升降，其余的爐體支撐鎖定及電極卡頭的控制原理同爐蓋升降一樣，他們的控制開關(guān)都在爐前操作臺(tái)上。

4.2.3出鋼車控制

    出鋼車控制是由爐前操作臺(tái)上的操作開關(guān)發(fā)出左/右行的信號(hào)到DI模塊，經(jīng)程序處理后，由DO模塊輸出信號(hào)經(jīng)中間繼電器控制出鋼車電機(jī)接觸器的吸合，從而控制鋼包車的運(yùn)行。

4.2.4近控/遠(yuǎn)控

    傾爐控制和出鋼車控制除了主控室爐前操作臺(tái)上有控制開關(guān)外，為方便爐前操作在爐后操作盤上還設(shè)有一套操作開關(guān)，兩套開關(guān)之間的切換通過(guò)操作爐前操作臺(tái)上的“近控/遠(yuǎn)控”選擇開關(guān)完成。

4.2.5高壓停送電控制

    在主操作臺(tái)有一鑰匙旋鈕輸出停/送電信號(hào)給PLC的DI模塊，經(jīng)程序處理后，由DO模塊輸出經(jīng)中間繼電器控制高壓開關(guān)柜動(dòng)作，完成高壓停送電。

4.2.6 變壓器換壓控制

    在主操作臺(tái)上有一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制變壓器換壓操作的地點(diǎn)是在主控室還是在變壓器室，另有兩個(gè)按鈕分別控制升壓和降壓操作，升壓或降壓操作按鈕發(fā)出的開關(guān)量信號(hào)輸入DI模塊，經(jīng)程序處理后，由DO模塊輸出開關(guān)量信號(hào)經(jīng)中間繼電器后控制變壓器換壓繼電器動(dòng)作，從而控制變壓器升壓或?qū)海捎谧儔浩鳈n位不能循環(huán)操作，因此在程序中加上了換壓操作中檔位不能小于最低壓檔位不能大于最高壓檔位的控制。

4.2.7液壓站基本控制

    液壓站中高壓罐、主液箱和漏夜箱的液位信號(hào)及壓力信號(hào)輸入到DI模塊，經(jīng)程序處理后，決定是否由DO模塊輸出信號(hào)，經(jīng)中間繼電器控制高壓泵、回油泵、空壓機(jī)接觸器的啟動(dòng)。

4.2.8信號(hào)檢測(cè)及控制聯(lián)鎖

    為了保證電爐系統(tǒng)安全運(yùn)行，PLC對(duì)許多信號(hào)進(jìn)行了采集并參與了控制，包括：旋轉(zhuǎn)鎖定鎖定/打開限位、水平支撐支撐/打開限位、水平鎖定鎖定/打開限位、變壓器溫度、輕瓦斯、重瓦斯信號(hào)、過(guò)流信號(hào)、斷路器合閘/分閘信號(hào)等。當(dāng)變壓器溫度過(guò)高或有輕瓦斯、重瓦斯信號(hào)、過(guò)流信號(hào)時(shí)，高壓開關(guān)將分閘；只有高壓開關(guān)分閘后，爐體本體才能動(dòng)作。

4.2.9安全聯(lián)鎖及緊急處理

    為保證電爐的安全運(yùn)行，PLC程序控制中必須有可靠的聯(lián)鎖控制。在主操作臺(tái)、爐前操作臺(tái)、爐后操作盤上各安有一個(gè)“緊急停電按鈕”，他們之間并聯(lián)使用，并且其控制獨(dú)立于PLC,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下此按鈕即可使高壓開關(guān)柜分閘，并處于自鎖狀態(tài)。

4.3 主站II

4.3.1電極手動(dòng)控制

    主站II主要完成電極手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制，另外還接收電極上下限位信號(hào)及主操作臺(tái)上對(duì)弧流值、電極調(diào)節(jié)死區(qū)范圍及靈敏度的修改。電極手動(dòng)控制是由主操作臺(tái)上的三個(gè)電極升降操作開關(guān)控制，操作開關(guān)的上搖或下?lián)u分別給出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)到DI模塊上不同的位地址，經(jīng)程序處理后，由AO模塊分別輸出0～10V或0～－10V到伺服閥放大板，信號(hào)經(jīng)放大板放大后控制伺服閥閥芯的上升或下降，伺服閥的不同動(dòng)作控制液壓油路的不同流動(dòng)方向，從而控制電極的上升或下降。

4.3.2電極自動(dòng)控制

    在自動(dòng)控制狀態(tài)下，弧流、弧壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)電流電量變送器和電壓電量變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA的信號(hào)到AI模塊不同地址，經(jīng)程序處理后，根據(jù)電爐冶煉過(guò)程中的實(shí)時(shí)情況，AO模塊會(huì)輸出不同大小方向的信號(hào)到伺服閥放大板，然后到伺服閥，以控制電極實(shí)時(shí)地以不同的速度上升或下降。另外，電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)還設(shè)有一備用伺服閥以增強(qiáng)電極調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，工作/備用伺服閥之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)主操作臺(tái)上的三個(gè)電極控制“工作/備用”轉(zhuǎn)換開關(guān)完成，根據(jù)轉(zhuǎn)換開關(guān)輸送的開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)程序處理后，AO模塊會(huì)將模擬量信號(hào)輸送到工作伺服閥或備用伺服閥，由于只有一個(gè)備用伺服閥，因此，三個(gè)電極控制中只要有一個(gè)用了備用伺服閥，另外兩個(gè)將不能再使用備用伺服閥^[2]。

4.3.3電極調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整

    在主操作臺(tái)上有六個(gè)按鈕分別用來(lái)調(diào)整電極調(diào)節(jié)中弧流值、死區(qū)范圍和靈敏度的增減，六個(gè)按鈕每按一下，發(fā)出的開關(guān)量信號(hào)會(huì)輸送到DI模塊中不同的位地址，經(jīng)程序處理后，弧流值、死區(qū)范圍和靈敏度會(huì)以一定的幅度增減，直到達(dá)到程序設(shè)定范圍的極限值^[3]。

5  結(jié)束語(yǔ)

    系統(tǒng)投入運(yùn)行至今穩(wěn)定可靠，整套系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，故障率低，電爐冶煉時(shí)間由由改造前180分鐘/爐變?yōu)楝F(xiàn)在90分鐘/爐，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]   STEP 7 V5.1 編程手冊(cè).  西門子（中國(guó)）有限公司.

[2]   STEP 7  WINcc V5.0 速成手冊(cè).  西門子（中國(guó)）有限公司.

[3]   現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社.2003.8