1 引言

21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)迅猛發(fā)展，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力隨之增大，低端的產(chǎn)品已不具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這就要求我們開發(fā)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的高端產(chǎn)品。德國(guó)是世界上最早采用RH精煉技術(shù)的國(guó)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(guó)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(tái)RH精煉爐。RH精煉技術(shù)在美國(guó)、日本、西歐得到普遍推廣,煉鋼生產(chǎn)線對(duì)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(duì)鋼水的質(zhì)量要求不斷提高，對(duì)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(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?；A(chǔ)自動(dòng)化包含電控和儀控，是電儀合一的PLC控制系統(tǒng)；二級(jí)自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)RH真空處理自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC制系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和過程控制管理級(jí)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在傳動(dòng)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(chǎng)檢測(cè)儀表方面,具有現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(huì)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(duì)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)力學(xué)的理論。真空冶金時(shí)，真空對(duì)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(dòng)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(dòng)，經(jīng)過下降管回流到鋼包，由此產(chǎn)生鋼水的循環(huán)流動(dòng)，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(dòng)氣體的流量

H-----------插入管的長(zhǎng)度

3.2 代控制方法

可編程控制器是一臺(tái)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(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)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

4 架構(gòu)設(shè)計(jì)

RH控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制系統(tǒng)組成，分別為一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和二級(jí)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，兩級(jí)系統(tǒng)分別承擔(dān)不同的功能：

一、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（L1級(jí)）：管理整個(gè)RH生產(chǎn)過程，由PLC（包括分布各操作臺(tái)的遠(yuǎn)程I/O）、OMS（人機(jī)接口）、工程師站、編程站及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)組成。采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，完成電氣設(shè)備的邏輯順序控制、過程回路控制、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)操作、設(shè)備監(jiān)視和報(bào)警等基本功能。

二、過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（L2級(jí)）：是以L1系統(tǒng)為基礎(chǔ)的相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)RH系統(tǒng)生產(chǎn)過程進(jìn)行管理和過程優(yōu)化，并為煉鋼廠更高級(jí)的管理信息系統(tǒng)及攀鋼ERP系統(tǒng)的建立留接口?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)參見下圖：

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RH系統(tǒng)的控制分為兩部分，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制(L1)和過程計(jì)算機(jī)控制(L2)。一級(jí)控制主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)自動(dòng)化的一些控制，包括現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件的控制，參數(shù)檢測(cè)的反饋以及電機(jī)的交流傳動(dòng)控制等,主要采用西門子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和西門子PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；二級(jí)控制負(fù)責(zé)一些數(shù)據(jù)模型的建立，模型動(dòng)態(tài)控制，生產(chǎn)計(jì)劃編制和流程跟蹤，報(bào)表系統(tǒng)等,主要采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

所有電氣和儀表設(shè)備安裝在單獨(dú)控制柜里，信號(hào)連接到過程控制單元的I/O模塊。通過安裝在PLC繼電器輸出端或輔助繼電器控制所有電磁閥和電機(jī)控制。要求的I/O數(shù)量是由驅(qū)動(dòng)、儀表和其他用電數(shù)量所確定。因此由程序結(jié)構(gòu)確定I/O數(shù)量，并考慮所有要求的驅(qū)動(dòng)和控制功能包括20%的備用能力。為了內(nèi)存要提供30%的備用能力。每機(jī)架至少預(yù)留一個(gè)空槽。除了順序控制和聯(lián)鎖外，所有重要任務(wù)如監(jiān)視、管理、過程值控制將在基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（1級(jí)）CPU里實(shí)現(xiàn)。

RH基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)主要用來對(duì)煉鋼過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與控制。實(shí)現(xiàn)了采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的功能。PLC中的控制軟件是采用西門子提供的Step7V5.4編程工具實(shí)現(xiàn)的。畫面監(jiān)控軟件采用WinCC6.2，為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程以及對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和進(jìn)一步處理提供了良好的HMI。

4.1 環(huán)流氣體流量調(diào)節(jié)的PID控制

環(huán)流氣體流量PID調(diào)節(jié)的難點(diǎn)在于如何使得操作人員設(shè)定的環(huán)流氣體總的流量,通過PID程序控制分布到4個(gè)支管上各自的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，同時(shí)將輸出結(jié)果反饋給調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。經(jīng)過仔細(xì)研究，在實(shí)際生產(chǎn)過程中我們采用了PID串級(jí)調(diào)節(jié)的方法。PID調(diào)節(jié)主要包括3個(gè)主要參數(shù):設(shè)定值SV、反饋值PV和輸出值MV,把SV與PV進(jìn)行比較得到MV的值。把操作人員設(shè)定的環(huán)流氣體總的流量除以4后,平均分配到4個(gè)支路上的PID控制器的SV值。4個(gè)支路上采集到的流量計(jì)的過程值作為PV值,各自PID調(diào)節(jié)的輸出結(jié)果為MV值控制各自的調(diào)節(jié)閥。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，偶爾出現(xiàn)個(gè)別管路堵塞的情況時(shí)，真空槽環(huán)流氣體的總量與設(shè)定值差別很大，環(huán)流效果非常差。在控制上做了一些改進(jìn)，主控制器為我們虛設(shè)的一個(gè)控制器,它不直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，操作人員設(shè)定的環(huán)流氣體總的流量為主控制器的SV值,把4個(gè)支路上采集的流量變送器的氣體流量之和為主控制器的PV值,這樣這兩個(gè)值進(jìn)行比較得出主管路上的MV值。把這個(gè)MV值除以4后作為4個(gè)分支路上PID控制器的SV值，與本分支路上的流量變送器反饋值做比較進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制本分支路上的流量調(diào)節(jié)閥。

圖4 RH環(huán)流調(diào)節(jié)控制回路

5 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

L1子系統(tǒng)有2套西門子PLC控制站，2臺(tái)HMI服務(wù)器，2套三電可共用的客戶機(jī)，服務(wù)器及客戶機(jī)安裝WinCC監(jiān)控軟件，用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制及狀態(tài)監(jiān)控等。1套L1軟件開發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)用的工程師站，工程師站安裝Step7編程軟件，2臺(tái)L1用報(bào)警報(bào)表和編程維護(hù)打印機(jī)，控制站的主站與分站之間通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通訊，控制站與服務(wù)器之間和服務(wù)器與客戶機(jī)之間通過以太網(wǎng)通訊。

(1)系統(tǒng)軟件測(cè)試

由于服務(wù)器、客戶機(jī)及工程師站均采用WindowsXP操作系統(tǒng)，且服務(wù)器和客戶機(jī)安裝有WinCC監(jiān)控軟件，工程師站安裝有Step7編程軟件，所以安裝完上述軟件后，分別進(jìn)入WindowsXP和WinCC、Step7進(jìn)行各項(xiàng)操作實(shí)驗(yàn)，檢查系統(tǒng)軟件運(yùn)行是否正常。

(2)通訊功能測(cè)試，通過下裝PLC控制程序和觀察監(jiān)控畫面設(shè)備動(dòng)作及狀態(tài)變化情況判斷上位機(jī)與PLC之間的通訊是否正常，通過畫面操作判斷工程師站與上位機(jī)之間的通訊是否正常，通過CPU、電源、通訊模板及I/O模板上的指示燈判斷主站與分站之間的通訊是否正常。

(3)數(shù)字量輸出信號(hào)測(cè)試

利用Step7軟件提供的強(qiáng)制功能，強(qiáng)制各輸出點(diǎn)，觀察模板上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的指示燈是否亮，如果通過繼電器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，觀察繼電器是否吸合，還要與現(xiàn)場(chǎng)人員聯(lián)系，確認(rèn)設(shè)備動(dòng)作是否正常，這樣既可測(cè)試出數(shù)字量輸出摸板上各輸出點(diǎn)輸出是否正常，還能檢查出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接線是否正常。

6 結(jié)論

本文對(duì)新建的RH真空處理的三電自動(dòng)控制系統(tǒng)的的控制要求、控制理論、控制水平、控制系統(tǒng)的構(gòu)造、控制功能進(jìn)行了深入的分析和研究。RH真空處理的自動(dòng)控制系統(tǒng)選型遵循了先進(jìn)、可靠、實(shí)用的原則，節(jié)約投資的原則；設(shè)備選型和裝備水平達(dá)到了當(dāng)前先進(jìn)的水平。這些工作對(duì)于攀鋼以后的新建工程及改造工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)選擇有一定的借鑒意義。