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真空吹氧脫碳自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

真空吹氧脫碳工藝簡稱VOD，作為不銹鋼或者電工鋼爐外精煉的一種，在冶金工業(yè)得到廣泛使用。其原理是利用對真空室進(jìn)行抽真空，在真空狀態(tài)下對鋼水進(jìn)行脫氣，降低鋼水中的[H]、[N]，同時利用鋼渣界面反應(yīng)進(jìn)行脫硫處理。在大型現(xiàn)代化冶金生產(chǎn)中，VOD鋼包處理已成為現(xiàn)代二次冶金的基本手段。

目前典型的VOD雙工位的一個流程：裝有鋼水經(jīng)過倒渣的鋼包運送到VOD處理站，通過行車吊運，放置于雙工位真空罐中的一個。自動連接氬氣，使鋼包開始底吹。凈空測量完畢后，真空蓋車移動到真空罐上方，降低真空蓋直至真空罐完全密閉。真空罐密封后，真空泵系統(tǒng)開始工作。隨著壓力的降低，脫碳過程開始。真空度達(dá)到200 mbar，氧槍移動到要求的位置，吹氧過程開始。真空階段結(jié)束時，真空泵系統(tǒng)停止工作，真空罐破真空。然后，真空泵連接到另一個真空罐系統(tǒng)。同時，真空蓋移動到此真空罐上，進(jìn)行另一爐次VOD真空處理。第一個真空罐繼續(xù)在大氣條件下，做大氣微調(diào)處理（溫度和EMF測量，取樣、化學(xué)成分調(diào)整、鋼水均勻化、喂絲操作、軟攪拌）。處理終點，氬氣底吹停止，自動氬氣接頭斷開連接，行車將鋼包吊離真空罐。

2 VOD自動化系統(tǒng)配置及其特點

該自動化控制系統(tǒng)采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)分為兩級：基礎(chǔ)自動化級（L1）和過程計算機(jī)級（L2）。

參見圖1，基礎(chǔ)自動化采用SIEMENS的S7-400作為處理器，采用現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP方式與現(xiàn)場操作箱、MCC連接，各個控制器通過Ethernet連接，監(jiān)控站采用SIEMENS工業(yè)PC機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)管理；設(shè)置專用的Ethernet網(wǎng)供監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)Client/Server結(jié)構(gòu)（該Server為AOD、VOD共用Server）；畫面實現(xiàn)以及基礎(chǔ)自動化編程采用SIENMENS PCS7作為系統(tǒng)軟件。

該系統(tǒng)自動化部分主要的控制功能包括：真空蓋車走行、真空蓋車升降、真空系統(tǒng)、合金稱量、合金上料、合金投入、底惦蠶低場⒀跚瓜低場⒉即鞠低場⒗淙此低場⒉馕氯⊙低場竊低場⑽顧肯低場⒎掀治魷低車?。过程紦溷机部贩N饕δ馨ǎ荷導(dǎo)ㄊ占⒏髦直ū砩傘⒔郵萇銜換淖饕導(dǎo)蘋?、作耶?dāng)曜?、制暂炾准、和茰Oの還碳撲慊ㄐ擰⒑湍茉聰?shù)蛨觫分昔湹蛻通兄Z取?/span>

圖1 VOD基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)主要特點

（1）系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，控制精度，減少故障率。

（2）程序設(shè)計采用模塊結(jié)構(gòu)，而且采用為本工程定制的驅(qū)動程序庫，調(diào)試簡單、方便。

（3）畫面操作方便、靈活。Ｌ１畫面有監(jiān)控畫面、儀表回路畫面、聯(lián)鎖關(guān)系畫面、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)畫面、報警畫面、趨勢畫面等；Ｌ２畫面有報表畫面、分析畫面、模型畫面等。

（4）電器、儀表、計算機(jī)三合一，符合當(dāng)今發(fā)展潮流。

（5）在Ｌ２系統(tǒng)中采用了數(shù)學(xué)模型，并且把輸出結(jié)果嵌入Ｌ１系統(tǒng)，在計算機(jī)模式下直接作為一些設(shè)定參數(shù)。

2.2應(yīng)用軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件的設(shè)計開發(fā)采用模塊化設(shè)計，程序以設(shè)備為單位進(jìn)行程序的開發(fā)，減通過一定的連鎖將所有的設(shè)備串接起來，確保程序的通用性、易讀性以及增加調(diào)試方便。在應(yīng)用程序編寫中采用專門的驅(qū)動程序庫，該模塊在HMI畫面中有相應(yīng)的操作面板，減少了HMI組態(tài)工作，也增加了通用性，減少了畫面維護(hù)工作。下面以真空度控制和冷卻水控制為例說明。

參見圖2，真空度控制主要是控制返回真空罐的空氣流量以達(dá)到控制真空壓力的目的，操作方式有自動、手動以及計算機(jī)方式。計算機(jī)方式指對于處理的鋼種，根據(jù)工藝要求以及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)學(xué)模型計算出需要控制的目標(biāo)真空度，并且下達(dá)到基礎(chǔ)自動化，后者接受到數(shù)據(jù)以后自動按照接受的數(shù)據(jù)隊閥門及行調(diào)解以達(dá)到目標(biāo)真空度；自動方式指真空度的控制由操作員自行設(shè)定參數(shù)，實現(xiàn)定值控制；手動方式下操作員直接給出閥門開度開控制空氣流量。

圖2 真空度控制和冷卻水控制

由于對于真空度控制要求反應(yīng)時間非常高，而且在不同的真空泵開啟的階段真空度設(shè)定值相差很大，因此對于真空度控制采用表格加傳統(tǒng)控制方式。在計算機(jī)方式和自動方式下，根據(jù)工藝要求，按照各個真空泵開閉狀態(tài)以及相對應(yīng)的真空度范圍，建立表格，根據(jù)接受的模型計算結(jié)果或者操作員設(shè)定的數(shù)據(jù)，比較表格中的數(shù)據(jù)，選擇和設(shè)定值自動選擇相應(yīng)的閥門最小開度以及開始開度，包括相應(yīng)的PID參數(shù)，送到控制程序中，以便能夠非常迅速達(dá)到要求的真空度。

冷卻水流量控制對于VOD也是非常重要的，因為主要的設(shè)備冷卻回路全部集中在真空蓋上，萬一發(fā)生泄漏，冷卻水將直接進(jìn)入鋼水，將會造成非常嚴(yán)重的事故，因此本工程中對于冷卻水回路的控制采用非常嚴(yán)格的策略。在進(jìn)出口添加溫度計以及流量計，根據(jù)對進(jìn)出口流量差進(jìn)行積分計算的結(jié)果和溫度的變化來判斷冷卻水的狀態(tài)。其原理如圖3所示。

圖3冷卻水流量控制

根據(jù)工藝的要求，結(jié)合上圖的原理，在2秒和2分鐘兩個時間間隔分別作如下計算：

在上述公式中，我們把PLC掃描時間（定時掃描）作為△t，這樣每一次掃描都會形成一次新的計算，計算出該次掃描以前兩秒內(nèi)和前兩分鐘內(nèi)冷卻水的流量差，然后把計算的結(jié)果和工藝提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果超出則說明冷卻水發(fā)生異常，HMI產(chǎn)生報警以提醒操作員，同時自動進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的安全操作。在計算流量差的同時對于冷卻水出口溫度進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)生異常變化也要發(fā)出報警。實踐下來該方法非常靈敏的解決了冷卻水流量的監(jiān)視問題，反應(yīng)及時，完全滿足工藝的要求。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)從投產(chǎn)以后，運行穩(wěn)定，維護(hù)方便，完全符合當(dāng)初的設(shè)計思想，而且滿足生產(chǎn)要求。