趙軍厚  胡百強

(安寧公司本部煉鋼廠)

摘  要 當前，真空脫氣（VD）處理工藝，原理是利用對真空室進行抽真空，在真空狀態(tài)下對鋼水進行脫氣，降低鋼水中的[H]、[N]，作為爐外精煉的一種，廣泛應用于冶金工業(yè)中。

本文對VD爐自動控制系統(tǒng)組成、硬件軟件結構、后續(xù)適應性完善工作做一個歸納總結,以利于相關單位學習交流。

關鍵詞  VD爐  自動控制  西門子PLC

1  引言

2015年VD爐成功在安寧公司本部煉鋼廠建設及使用，是基于昆鋼公司對大型鑄件市場的研判，需要煉鋼廠提供高質量合格鋼水至大型鑄件工序，用于澆鑄市場所需品種的產品。VD爐是爐外精煉工藝路線重要的中間環(huán)節(jié)，是開發(fā)純凈鋼和超純凈鋼所必須的裝備。VD爐設備簡單、投資少、成本低、能精煉絕大多數(shù)高純度鋼水、操作簡單。對于控制系統(tǒng)有較高精度要求、響應速度要求、保持真空度的穩(wěn)定性、底吹氬過程的穩(wěn)定性也有相當高的要求。

2  系統(tǒng)概述

VD爐（vacuum degassing furnace），即鋼包精煉爐。是將轉爐的初煉鋼液、精煉爐的初煉鋼液置于密閉容器內，同時在鋼包底部接通氬氣/氮氣攪拌鋼液，抽真空處理的專用設備。在67 Pa真空狀態(tài)下，對鋼液進行真空脫氣，降低鋼水中氮元素，氫元素含量。脫氧、脫硫，減少鋼水夾雜物，促進鋼水溫度和成分均勻化，較大限度排除各類雜質，提高合金收得率和提高鋼水質量。經過VD爐的處理，最終使得鋼水中氫含量≤7 ppm，氧含量≤20 ppm，氮含量≤50 ppm。

3  系統(tǒng)構成

3.1 設備工藝布置

安寧公司本部煉鋼廠50 tVD真空爐總體采用雙罐單蓋結構，罐體固定罐蓋移動的方案。罐蓋安裝在平移車上，根據工作需要移動到1#或2#工位，對相應罐體進行加蓋密封。VD爐工作時，真空罐體通過U形移動彎頭、真空管道、除塵器、主截止閥與真空泵組連接。

3.2 主要設備

真空罐、罐蓋、罐蓋車、真空泵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、喂絲系統(tǒng)、鋼包底吹系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、真空管道、主真空閥、破空裝置和電控儀表等。

3.3 控制系統(tǒng)構成

VD真空爐整套控制系統(tǒng)由計算機（PC）、可編程控制器（PLC）及各執(zhí)行元件構成。見圖3。

3.3.1  計算機（PC）

用于人機交互平臺（HMI人機交互界面），實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、過程參數(shù)顯示、各執(zhí)行機構運行狀況，通過西門子STEP7和WINCC編程軟件對PLC進行程序編寫，并進行HMI畫面編制。

3.3.2  可編程控制器（PLC）

與上位機和現(xiàn)場設備進行數(shù)據處理，讀取各執(zhí)行機構狀態(tài)參數(shù)，采集現(xiàn)場信號，向現(xiàn)場傳輸控制信號，采集鋼水的溫度、氧/氫含量，采集VD爐電氣參數(shù)，集底吹攪拌氣體的壓力和流量信號，采集液壓系統(tǒng)各參數(shù)值、采集真空度等。 

3.3.3  動作執(zhí)行元件

執(zhí)行PLC所發(fā)出的指令，反饋自身狀態(tài)供PLC進行讀取。U形管的轉換、切斷閥的開關、電機的運轉停止和調速、液壓泵的啟停、氬氣流量大小的調節(jié)、真空泵組的啟停等。

4  控制系統(tǒng)分布

4.1 操作流程

預熱6臺螺桿泵約15 min→鋼水吊至VD爐真空爐工位→人工接駁底吹管道→測溫（定氧、定氫）→下罐蓋→預抽真空→工位內壓力達到67 Pa→保持67 Pa以下進行脫氣處理6～8 min→停止抽真空（打開破空閥）→提升罐蓋→測溫取樣（定氫、定氧）→啟用喂絲機進行喂絲（一般情況下為硅鈣線）→開啟底吹氬→加保溫劑→用行車吊出鋼包至所需工位→吹掃布袋除塵→停止待機→清理布袋除塵器和冷卻除塵器的灰塵→停設備冷卻水

4.2 計算機控制系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)采用兩套HMI操作站，互為熱備，與全廠計算機系統(tǒng)聯(lián)網進行數(shù)據通信實現(xiàn)系統(tǒng)全面監(jiān)視與控制，不僅可以顯示生產過程的全部信息，而且還可以通過人機接口實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)和系統(tǒng)及網絡故障診斷等功能。監(jiān)控站以菜單形式進行各類畫面的調用與切換。

4.3 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

VD爐現(xiàn)場控制系統(tǒng)由一套S7-300系列PLC組成。

系統(tǒng)硬件組成如圖4所示，硬件配置表如表1所示。

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)

操作站選用Windows 7 32位操作系統(tǒng)，選用最新的WINCC v7.3 組態(tài)軟件。監(jiān)控、顯示VD爐各設備控制參數(shù)及運行狀態(tài)。實際情況如圖7所示。

5  網絡構成和通訊方式

5.1 PLC與PC的通訊。

   通過MPI通訊連接PC與PLC，開始-設置-控制面板-設置PG/PC接口，添加刪除接口-選擇CP5611-安裝。選擇具體通訊協(xié)議流程如圖8所示。

由于MPI通訊屬于直連串行通訊，只要選擇好通訊協(xié)議便可實現(xiàn)PLC與PC的連接。定義主站PLC 固定IP為192.168.1.1 方便WINCC通過以太網方式讀取PLC內部存儲數(shù)據。

5.2 PLC與變頻器間的通訊

通過PROFIBUS-DP通訊連接PC與變頻器。由于變頻器控制一級羅茨泵、二級羅茨泵電機，所以通訊要求快速、穩(wěn)定，而PROFIBUS-DP通訊是最優(yōu)選擇。連接現(xiàn)場如圖9所示。

5.3 PLC與遠程站ET200(吹氬控制系統(tǒng))間的通訊

通過交換機，以Ethernet形式實現(xiàn)PLC主站與遠程站之間的通訊，如圖10所示。

6  程序設計 

6.1  系統(tǒng)模式選擇

VD爐可以遠程操作，可以就地操作?？梢允謩訂右部梢宰詣訂酉鄳碾姍C。當選擇單機操作時視為手動，在此遠程模式下，各個執(zhí)行機構可單獨執(zhí)行，方便系統(tǒng)的檢修，維護。程序控制方式如圖11所示。

6.2  自動操作

在選擇自動操作控制方式下，基于西門子s7-300 實現(xiàn)VD爐真空系統(tǒng)的自動控制。

6.2.1  給水泵

給水泵安放于6#爐轉爐水供水站內，借用6#轉爐水水池，節(jié)約成本。通過以太網傳輸數(shù)據，控制程序保存在遠程站PLC內，檢測元件：壓力變送器、流量計置于VD爐主體管道上。兩臺給水泵互為熱備用，生產過程中，正在使用的水泵出現(xiàn)故障無法使用時，另外一臺自動啟動，確保冶煉過程中爐體冷卻正常。當水流量、壓力滿足啟動條件時才能進行下一步操作。

6.2.2  液壓泵

液壓站安放于VD爐主體旁電氣控制室樓下，同樣是兩臺液壓泵互為熱備用，取保執(zhí)行機構順利執(zhí)行主控室發(fā)出的輸出指令。保證羅茨泵、螺桿泵運行正常。

6.2.3  機械泵

VD爐真空機械泵系統(tǒng)由7臺一級羅茨泵（6用1備）3臺二級螺桿泵（2用1備）10臺三級螺桿泵（9用1備）組成，當要使用真空系統(tǒng)時，手動選擇備用泵，余下的自動啟動。具體程序結構如圖12所示。

6.2.4  系統(tǒng)檢查

系統(tǒng)檢查為全自動模式運行，真正實現(xiàn)VD爐自動控制。在此狀態(tài)下，全面檢測系統(tǒng)所有執(zhí)行元件、系統(tǒng)介質的性能、狀態(tài)、參數(shù)。當所有條件都滿足時便可啟動真空系統(tǒng)。具體檢測內容如圖13所示。

6.2.5  啟動待機

啟動待機為抽真空前的最后準備工作。當進行到這一步時，打開泵側切斷閥，打開泵側空氣破空閥，在線1級羅茨泵預熱。當預熱頻率達到預先設定值時，滿足抽真空條件，可抽真空。

6.2.6  啟動真空

全部先決條件滿足后，點擊啟動真空按鈕，進行全自動抽真空動作。該動作取決于安裝于泵側的壓力變送器所檢測到的全程真空度。

當罐內壓力處于大氣壓 50 kPa時，按初始頻率啟動2級螺桿泵，根據罐內壓力變化逐級增加螺桿泵運行頻率，逐步降低罐內空氣壓力。當泵側全程真空度處于2～4 kPa時，啟動3級螺桿泵進行最后的降低空氣壓力操作。部分控制功能如圖14所示。

通過一系列的邏輯處理和各執(zhí)行原件的相應動作，真空罐內壓力逐步達到≤67 Pa，鋼包內鋼水在真空狀態(tài)下經過底吹氬氣充分攪拌，鋼水內氧氣和氫氣含量降低達到高品質鑄件鋼要求，當點擊停止真空后，停止機械泵，停止螺桿泵，打開破空閥，打開布袋保護閥等結束抽真空操作。

7  流程控制要點

VD真空爐控制的難點和重點在于三級真空泵的控制，根據罐內真空度逐級啟動，并在達到≤67 Pa時保持真空狀態(tài)不小于4 min，整個抽真空過程時間控制在9 min以內，否則將影響生產節(jié)奏。各抽氣時段時間如表2。

8  生產實際中出現(xiàn)的典型問題和解決方案

8.1 網絡通訊問題

原設計網絡通訊采用冗余通訊，主PLC和遠程站分別處于兩個網段，且通訊用網線采用直接線接法，運行一段時間后網絡會出現(xiàn)滯后甚至中斷情況。

通過摸索和論證，采取以下辦法改進：（1）網線全部采用T568B交叉接線；（2）控制系統(tǒng)統(tǒng)一為140網段；（3）更換主PLC的以太網通訊模塊。

改進后數(shù)據傳輸正常，通訊速率達到正常要求，運行至今未出現(xiàn)遲滯或通訊中斷情況。

8.2 真空度穩(wěn)定性差

系統(tǒng)投用一段時間后，抽真空過程中發(fā)現(xiàn)抽真空時間延長，且真空狀態(tài)保持不穩(wěn)，逐一檢查罐蓋、各閥門、除塵器、管路及泵組等設備密封情況，發(fā)現(xiàn)一級羅茨泵內有不同程度積水情況，分析得知羅茨泵檢查不到位，未及時維護排污，另外泵前閥門有輕微泄漏，導致前述情況發(fā)生。

采取以下改進辦法：（1）針對羅茨泵特點強化培訓相關檢修人員，建立健全日常檢查維護機制；（2）羅茨泵工作過程參數(shù)發(fā)生變化，HMI畫面出現(xiàn)警告，提示操作人員注意，同時在趨勢數(shù)據記錄內完整記錄其相關數(shù)據。

8.3 螺茨泵急停的不良后果

VD爐一級真空泵為GXS750干式螺茨泵，此泵制作精度較高，使用工況比較苛刻，對水質要求特別高，要求冷確水進水壓力≥0.6 MPa，流量≥80㎡/h，但由于安寧公司本部煉鋼廠VD爐是在老廠房內的改造項目，冷確水就近搭接到6#轉爐生產水系統(tǒng)，造成VD爐冷確水進水壓力≥0.3 MPa，只有原設計的一半，回水系統(tǒng)各部分干擾嚴重，特別GXS750干式羅茨泵，泵內的冷確水管路較細，水壓低、回水不暢通，經常因生產水質差阻塞，羅茨泵內比較精密的變頻器、電機、泵體因發(fā)熱報警急停，嚴重時造成泵體卡死，已經有3臺泵因此送修。

采取以下改進辦法：把第三級的GXS750干式羅茨泵冷確水出水管改為外排式，解決了羅茨泵冷確水受VD爐其他冷確水系統(tǒng)的壓力干擾，改造后，在未增加進水壓力（0.3 MPa）情況下，出水流量明顯加大，使泵體各冷確部位得到有效冷確，再也沒有發(fā)生泵體卡死情況。（外排的冷卻水由集水管路得到部分回收利用，安寧公司本部煉鋼廠的VD爐使用不頻繁，每月2、3次，每次1 h內，每次冷卻水消耗40㎡/h左右。

9  結束語

安寧公司本部煉鋼廠利用VD爐開發(fā)冶煉了45#、35#35CrMo、42CrMo、35SiMn、16Mn、20SiMn、40Cr、SA350LF2、A105等10個鑄鍛件鋼種，擴寬了煉鋼廠的產品譜系，各種過程數(shù)據、參數(shù)數(shù)據等實時在人機交互界面上顯示，實現(xiàn)真空冶煉過程的全自動化，同時依靠西門子PLC的強大數(shù)據處理和存儲能力，可在HMI畫面查看各工藝參數(shù)的歷史趨勢，具備較好的可溯源性，另外，該控制系統(tǒng)具有生產報表生成模式，可高自由度與煉鋼廠管控系統(tǒng)對接，實現(xiàn)了VD爐新工藝進入煉鋼廠整個工藝流程序列，便于生產流程管理、控制和監(jiān)控。實踐證明，基于西門子PLC VD真空爐自動控制系統(tǒng)能夠圓滿的完成實時控制現(xiàn)場裝置，完成各種規(guī)定操作，設備穩(wěn)定，系統(tǒng)響應速度快，性能可靠，完美體現(xiàn)了西門子系列PLC S7-300在工業(yè)領域的應用，滿足現(xiàn)代化集中管理需求。

10  參考文獻

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