趙軍厚  胡百?gòu)?qiáng)

(安寧公司本部煉鋼廠)

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

本文對(duì)VD爐自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、硬件軟件結(jié)構(gòu)、后續(xù)適應(yīng)性完善工作做一個(gè)歸納總結(jié),以利于相關(guān)單位學(xué)習(xí)交流。

關(guān)鍵詞  VD爐  自動(dòng)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(shè)及使用，是基于昆鋼公司對(duì)大型鑄件市場(chǎng)的研判，需要煉鋼廠提供高質(zhì)量合格鋼水至大型鑄件工序，用于澆鑄市場(chǎng)所需品種的產(chǎn)品。VD爐是爐外精煉工藝路線重要的中間環(huán)節(jié)，是開(kāi)發(fā)純凈鋼和超純凈鋼所必須的裝備。VD爐設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、成本低、能精煉絕大多數(shù)高純度鋼水、操作簡(jiǎn)單。對(duì)于控制系統(tǒng)有較高精度要求、響應(yīng)速度要求、保持真空度的穩(wěn)定性、底吹氬過(guò)程的穩(wěn)定性也有相當(dāng)高的要求。

2  系統(tǒng)概述

VD爐（vacuum degassing furnace），即鋼包精煉爐。是將轉(zhuǎn)爐的初煉鋼液、精煉爐的初煉鋼液置于密閉容器內(nèi)，同時(shí)在鋼包底部接通氬氣/氮?dú)鈹嚢桎撘?，抽真空處理的專用設(shè)備。在67 Pa真空狀態(tài)下，對(duì)鋼液進(jìn)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(jìn)鋼水溫度和成分均勻化，較大限度排除各類雜質(zhì)，提高合金收得率和提高鋼水質(zhì)量。經(jīng)過(guò)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(gòu)成

3.1 設(shè)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(jié)構(gòu)，罐體固定罐蓋移動(dòng)的方案。罐蓋安裝在平移車上，根據(jù)工作需要移動(dòng)到1#或2#工位，對(duì)相應(yīng)罐體進(jìn)行加蓋密封。VD爐工作時(shí)，真空罐體通過(guò)U形移動(dòng)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(shè)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(gòu)成

VD真空爐整套控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（PC）、可編程控制器（PLC）及各執(zhí)行元件構(gòu)成。見(jiàn)圖3。

3.3.1  計(jì)算機(jī)（PC）

用于人機(jī)交互平臺(tái)（HMI人機(jī)交互界面），實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、過(guò)程參數(shù)顯示、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況，通過(guò)西門子STEP7和WINCC編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫，并進(jìn)行HMI畫面編制。

3.3.2  可編程控制器（PLC）

與上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀取各執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)，采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，向現(xiàn)場(chǎng)傳輸控制信號(hào)，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(hào)，采集液壓系統(tǒng)各參數(shù)值、采集真空度等。 

3.3.3  動(dòng)作執(zhí)行元件

執(zhí)行PLC所發(fā)出的指令，反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)供PLC進(jìn)行讀取。U形管的轉(zhuǎn)換、切斷閥的開(kāi)關(guān)、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止和調(diào)速、液壓泵的啟停、氬氣流量大小的調(diào)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(yù)熱6臺(tái)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(cè)溫（定氧、定氫）→下罐蓋→預(yù)抽真空→工位內(nèi)壓力達(dá)到67 Pa→保持67 Pa以下進(jìn)行脫氣處理6～8 min→停止抽真空（打開(kāi)破空閥）→提升罐蓋→測(cè)溫取樣（定氫、定氧）→啟用喂絲機(jī)進(jìn)行喂絲（一般情況下為硅鈣線）→開(kāi)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(jī)→清理布袋除塵器和冷卻除塵器的灰塵→停設(shè)備冷卻水

4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩套HMI操作站，互為熱備，與全廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面監(jiān)視與控制，不僅可以顯示生產(chǎn)過(guò)程的全部信息，而且還可以通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)和系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等功能。監(jiān)控站以菜單形式進(jìn)行各類畫面的調(diào)用與切換。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)

VD爐現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備控制參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際情況如圖7所示。

5  網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和通訊方式

5.1 PLC與PC的通訊。

   通過(guò)MPI通訊連接PC與PLC，開(kāi)始-設(shè)置-控制面板-設(shè)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(shí)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(guò)以太網(wǎng)方式讀取PLC內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.2 PLC與變頻器間的通訊

通過(guò)PROFIBUS-DP通訊連接PC與變頻器。由于變頻器控制一級(jí)羅茨泵、二級(jí)羅茨泵電機(jī)，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(chǎng)如圖9所示。

5.3 PLC與遠(yuǎn)程站ET200(吹氬控制系統(tǒng))間的通訊

通過(guò)交換機(jī)，以Ethernet形式實(shí)現(xiàn)PLC主站與遠(yuǎn)程站之間的通訊，如圖10所示。

6  程序設(shè)計(jì) 

6.1  系統(tǒng)模式選擇

VD爐可以遠(yuǎn)程操作，可以就地操作?？梢允謩?dòng)啟動(dòng)也可以自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)。當(dāng)選擇單機(jī)操作時(shí)視為手動(dòng)，在此遠(yuǎn)程模式下，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可單獨(dú)執(zhí)行，方便系統(tǒng)的檢修，維護(hù)。程序控制方式如圖11所示。

6.2  自動(dòng)操作

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

6.2.1  給水泵

給水泵安放于6#爐轉(zhuǎn)爐水供水站內(nèi)，借用6#轉(zhuǎn)爐水水池，節(jié)約成本。通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，控制程序保存在遠(yuǎn)程站PLC內(nèi)，檢測(cè)元件：壓力變送器、流量計(jì)置于VD爐主體管道上。兩臺(tái)給水泵互為熱備用，生產(chǎn)過(guò)程中，正在使用的水泵出現(xiàn)故障無(wú)法使用時(shí)，另外一臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)，確保冶煉過(guò)程中爐體冷卻正常。當(dāng)水流量、壓力滿足啟動(dòng)條件時(shí)才能進(jìn)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(tái)液壓泵互為熱備用，取保執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yùn)行正常。

6.2.3  機(jī)械泵

VD爐真空機(jī)械泵系統(tǒng)由7臺(tái)一級(jí)羅茨泵（6用1備）3臺(tái)二級(jí)螺桿泵（2用1備）10臺(tái)三級(jí)螺桿泵（9用1備）組成，當(dāng)要使用真空系統(tǒng)時(shí)，手動(dòng)選擇備用泵，余下的自動(dòng)啟動(dòng)。具體程序結(jié)構(gòu)如圖12所示。

6.2.4  系統(tǒng)檢查

系統(tǒng)檢查為全自動(dòng)模式運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)VD爐自動(dòng)控制。在此狀態(tài)下，全面檢測(cè)系統(tǒng)所有執(zhí)行元件、系統(tǒng)介質(zhì)的性能、狀態(tài)、參數(shù)。當(dāng)所有條件都滿足時(shí)便可啟動(dòng)真空系統(tǒng)。具體檢測(cè)內(nèi)容如圖13所示。

6.2.5  啟動(dòng)待機(jī)

啟動(dòng)待機(jī)為抽真空前的最后準(zhǔn)備工作。當(dāng)進(jìn)行到這一步時(shí)，打開(kāi)泵側(cè)切斷閥，打開(kāi)泵側(cè)空氣破空閥，在線1級(jí)羅茨泵預(yù)熱。當(dāng)預(yù)熱頻率達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，滿足抽真空條件，可抽真空。

6.2.6  啟動(dòng)真空

全部先決條件滿足后，點(diǎn)擊啟動(dòng)真空按鈕，進(jìn)行全自動(dòng)抽真空動(dòng)作。該動(dòng)作取決于安裝于泵側(cè)的壓力變送器所檢測(cè)到的全程真空度。

當(dāng)罐內(nèi)壓力處于大氣壓 50 kPa時(shí)，按初始頻率啟動(dòng)2級(jí)螺桿泵，根據(jù)罐內(nèi)壓力變化逐級(jí)增加螺桿泵運(yùn)行頻率，逐步降低罐內(nèi)空氣壓力。當(dāng)泵側(cè)全程真空度處于2～4 kPa時(shí)，啟動(dòng)3級(jí)螺桿泵進(jìn)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(guò)一系列的邏輯處理和各執(zhí)行原件的相應(yīng)動(dòng)作，真空罐內(nèi)壓力逐步達(dá)到≤67 Pa，鋼包內(nèi)鋼水在真空狀態(tài)下經(jīng)過(guò)底吹氬氣充分?jǐn)嚢?，鋼水?nèi)氧氣和氫氣含量降低達(dá)到高品質(zhì)鑄件鋼要求，當(dāng)點(diǎn)擊停止真空后，停止機(jī)械泵，停止螺桿泵，打開(kāi)破空閥，打開(kāi)布袋保護(hù)閥等結(jié)束抽真空操作。

7  流程控制要點(diǎn)

VD真空爐控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于三級(jí)真空泵的控制，根據(jù)罐內(nèi)真空度逐級(jí)啟動(dòng)，并在達(dá)到≤67 Pa時(shí)保持真空狀態(tài)不小于4 min，整個(gè)抽真空過(guò)程時(shí)間控制在9 min以內(nèi)，否則將影響生產(chǎn)節(jié)奏。各抽氣時(shí)段時(shí)間如表2。

8  生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的典型問(wèn)題和解決方案

8.1 網(wǎng)絡(luò)通訊問(wèn)題

原設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通訊采用冗余通訊，主PLC和遠(yuǎn)程站分別處于兩個(gè)網(wǎng)段，且通訊用網(wǎng)線采用直接線接法，運(yùn)行一段時(shí)間后網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)滯后甚至中斷情況。

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

改進(jìn)后數(shù)據(jù)傳輸正常，通訊速率達(dá)到正常要求，運(yùn)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(shí)間后，抽真空過(guò)程中發(fā)現(xiàn)抽真空時(shí)間延長(zhǎng)，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(shè)備密封情況，發(fā)現(xiàn)一級(jí)羅茨泵內(nèi)有不同程度積水情況，分析得知羅茨泵檢查不到位，未及時(shí)維護(hù)排污，另外泵前閥門有輕微泄漏，導(dǎo)致前述情況發(fā)生。

采取以下改進(jìn)辦法：（1）針對(duì)羅茨泵特點(diǎn)強(qiáng)化培訓(xùn)相關(guān)檢修人員，建立健全日常檢查維護(hù)機(jī)制；（2）羅茨泵工作過(guò)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(shí)在趨勢(shì)數(shù)據(jù)記錄內(nèi)完整記錄其相關(guān)數(shù)據(jù)。

8.3 螺茨泵急停的不良后果

VD爐一級(jí)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(duì)水質(zhì)要求特別高，要求冷確水進(jìn)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?jī)?nèi)的改造項(xiàng)目，冷確水就近搭接到6#轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)水系統(tǒng)，造成VD爐冷確水進(jìn)水壓力≥0.3 MPa，只有原設(shè)計(jì)的一半，回水系統(tǒng)各部分干擾嚴(yán)重，特別GXS750干式羅茨泵，泵內(nèi)的冷確水管路較細(xì)，水壓低、回水不暢通，經(jīng)常因生產(chǎn)水質(zhì)差阻塞，羅茨泵內(nèi)比較精密的變頻器、電機(jī)、泵體因發(fā)熱報(bào)警急停，嚴(yán)重時(shí)造成泵體卡死，已經(jīng)有3臺(tái)泵因此送修。

采取以下改進(jìn)辦法：把第三級(jí)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(jìn)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(méi)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(nèi)，每次冷卻水消耗40㎡/h左右。

9  結(jié)束語(yǔ)

安寧公司本部煉鋼廠利用VD爐開(kāi)發(fā)冶煉了45#、35#35CrMo、42CrMo、35SiMn、16Mn、20SiMn、40Cr、SA350LF2、A105等10個(gè)鑄鍛件鋼種，擴(kuò)寬了煉鋼廠的產(chǎn)品譜系，各種過(guò)程數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)在人機(jī)交互界面上顯示，實(shí)現(xiàn)真空冶煉過(guò)程的全自動(dòng)化，同時(shí)依靠西門子PLC的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力，可在HMI畫面查看各工藝參數(shù)的歷史趨勢(shì)，具備較好的可溯源性，另外，該控制系統(tǒng)具有生產(chǎn)報(bào)表生成模式，可高自由度與煉鋼廠管控系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了VD爐新工藝進(jìn)入煉鋼廠整個(gè)工藝流程序列，便于生產(chǎn)流程管理、控制和監(jiān)控。實(shí)踐證明，基于西門子PLC VD真空爐自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠圓滿的完成實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)裝置，完成各種規(guī)定操作，設(shè)備穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用，滿足現(xiàn)代化集中管理需求。

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