基于PLC的精煉爐自動控制系統(tǒng)研究

1 引言

21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)迅猛發(fā)展，企業(yè)競爭壓力隨之增大，低端的產(chǎn)品已不具有市場競爭力，這就要求我們開發(fā)出具有競爭力的高端產(chǎn)品。德國是世界上最早采用RH精煉技術(shù)的國家，早在50年代末期此項(xiàng)技術(shù)就已出現(xiàn),其中RH為當(dāng)時(shí)德國采用RH精煉技術(shù)的兩個(gè)生產(chǎn)廠家的第一個(gè)字母的縮寫。至今,全世界已有100余臺RH精煉爐。RH精煉技術(shù)在美國、日本、西歐得到普遍推廣,煉鋼生產(chǎn)線對生產(chǎn)的成本控制以及生產(chǎn)節(jié)奏要求越來越高，軋鋼生產(chǎn)線對鋼水的質(zhì)量要求不斷提高，對鋼水的溫度控制以及碳含量也提出了新的要求。RH(RuhrstahlHeraeus)系統(tǒng)設(shè)備是一種用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的鋼水二次精煉工藝裝備，廣泛用于鋼水的脫碳、脫氧、脫氣、升溫、成分調(diào)整及超低碳鋼冶煉等方面。傳過程控制技術(shù)發(fā)展到今天,在控制方式上經(jīng)歷了人工控制和自動控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動控制時(shí)期，過程控制系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,它們分別是：分散控制階段,集中控制階段和集散控制階段[13]。RH真空處理自動控制系統(tǒng)從上世紀(jì)的六、七十年代的繼電邏輯控制系統(tǒng)、電動單元組合儀表系統(tǒng)發(fā)展到了目前PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。RH鋼水真空處理采用二級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?；A(chǔ)自動化包含電控和儀控，是電儀合一的PLC控制系統(tǒng);二級自動化采用奔騰PC機(jī)，編制數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)過程控制。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)、客戶/服務(wù)器模式、現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，對RH真空處理自動化和計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在RH真空處理自動控制系統(tǒng)采用PLC制系統(tǒng)，在現(xiàn)場控制級采用現(xiàn)場總線技術(shù)，在基礎(chǔ)自動化級和過程控制管理級采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在傳動系統(tǒng)方面，全數(shù)字化的可控硅整流裝置和全數(shù)字化的交流逆變裝置已經(jīng)徹底替代了原來的模擬控制的交/直流供電裝置。在現(xiàn)場檢測儀表方面,具有現(xiàn)場總線通訊能力的智能儀表已經(jīng)徹底替代了原來的模擬檢測儀表。

2 RH真空處理基本工藝

RH真空處理工藝流程如下圖所示：

圖1 RH真空處理生產(chǎn)工藝

RH系統(tǒng)設(shè)備是一種用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的鋼水二次精煉工藝裝備，整個(gè)鋼水冶金反應(yīng)是在砌有耐火襯的真空槽內(nèi)進(jìn)行的。真空槽內(nèi)部砌有耐火磚襯，以確保真空槽不會被高溫鋼水燒穿。真空槽的下部帶有兩個(gè)浸漬管，用來插到鋼水里，浸漬管內(nèi)壁砌有耐火磚，熱彎管安裝在真空槽的上部。被抽走的氣體通過真空槽上部的熱彎管經(jīng)過氣冷器排放到大氣中。

在鋼水進(jìn)行處理之前，浸漬管首先要浸入即將進(jìn)行處理的鋼水包中。隨著真空泵不斷抽走真空槽內(nèi)的氣體，鋼水表面的大氣壓不斷減小，真空槽內(nèi)外的氣壓差迫使鋼水由浸漬管流向真空槽。真空槽下部的兩個(gè)浸漬管，分別為上升管和下降管。鋼水處理期間真空環(huán)流系統(tǒng)不斷向上升管中吹入氬氣，相對于下降管產(chǎn)生了一個(gè)較高的靜壓差，這個(gè)差迫使鋼水從上升管進(jìn)入真空槽而后在自身重力的作用下從下降管流出，如此使鋼水不斷循環(huán)流動。而在真空泵的作用下真空槽鋼水中的氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體不斷被抽走，使真空槽內(nèi)始終保持抽真空的狀態(tài)。同時(shí)，真空槽內(nèi)的鋼水在循環(huán)流動時(shí)還進(jìn)行著一系列的化學(xué)反應(yīng)，比如脫氫反應(yīng)脫氧反應(yīng)加熱反應(yīng)等。通常，為了達(dá)到滿足某鋼種的要求、使鋼水成分得到精確控制的目的，RH在循環(huán)脫氣過程中還加入了合金處理過程。

3 控制系統(tǒng)的理論分析

在RH真空處理過程中，冶金反應(yīng)主要基于熱力學(xué)和動力學(xué)的理論。真空冶金時(shí)，真空對脫氣、碳脫氧、脫碳等反應(yīng)產(chǎn)生教為明顯的影響。

3.1 鋼液循環(huán)原理

RH的主體設(shè)備是一個(gè)圓柱體型狀的真空室，高度可達(dá)7~10m，底部有兩根耐火材料做成的管子，其中一根稱為上升管，另一根稱為下降管，都稱插入管，處理時(shí)插入到鋼水中。當(dāng)真空室抽成真空狀態(tài)后，鋼水在大氣壓作用下，升高約1.4m，通過插入管進(jìn)入真空室。由于在上升管通入氬氣，氬氣進(jìn)入鋼水后受熱膨脹，推動液面上漲，使真空室內(nèi)上升管一側(cè)的鋼水液面顯著高于下降管一側(cè)，鋼水向下降管一側(cè)流動，經(jīng)過下降管回流到鋼包，由此產(chǎn)生鋼水的循環(huán)流動，鋼包中鋼水就這樣在真空室反復(fù)循環(huán)。循環(huán)的次數(shù)(循環(huán)因數(shù)C)由以下公式?jīng)Q定：

———循環(huán)流量

———處理容量

t———脫氣時(shí)間

循環(huán)流量由以下公式?jīng)Q定：

---------上升管的直徑

----------下降管的直徑

G-----------驅(qū)動氣體的流量

H-----------插入管的長度

3.2 代控制方法

可編程控制器是一臺計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。它實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示

圖2 硬件系統(tǒng)圖