真空吹氧脫碳自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 引言
真空吹氧脫碳工藝簡(jiǎn)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(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]，同時(shí)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(gè)流程：裝有鋼水經(jīng)過(guò)倒渣的鋼包運(yùn)送到VOD處理站，通過(guò)行車吊運(yùn)，放置于雙工位真空罐中的一個(gè)。自動(dòng)連接氬氣，使鋼包開(kāi)始底吹。凈空測(cè)量完畢后，真空蓋車移動(dòng)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(kāi)始工作。隨著壓力的降低，脫碳過(guò)程開(kāi)始。真空度達(dá)到200 mbar，氧槍移動(dòng)到要求的位置，吹氧過(guò)程開(kāi)始。真空階段結(jié)束時(shí)，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(gè)真空罐系統(tǒng)。同時(shí)，真空蓋移動(dòng)到此真空罐上，進(jìn)行另一爐次VOD真空處理。第一個(gè)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(cè)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(diǎn)，氬氣底吹停止，自動(dòng)氬氣接頭斷開(kāi)連接，行車將鋼包吊離真空罐。
2 VOD自動(dòng)化系統(tǒng)配置及其特點(diǎn)
該自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩級(jí)：基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（L1）和過(guò)程計(jì)算機(jī)級(jí)（L2）。
參見(jiàn)圖1，基礎(chǔ)自動(dòng)化采用SIEMENS的S7-400作為處理器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP方式與現(xiàn)場(chǎng)操作箱、MCC連接，各個(gè)控制器通過(guò)Ethernet連接，監(jiān)控站采用SIEMENS工業(yè)PC機(jī)，實(shí)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(shí)現(xiàn)Client/Server結(jié)構(gòu)（該Server為AOD、VOD共用Server）；畫(huà)面實(shí)現(xiàn)以及基礎(chǔ)自動(dòng)化編程采用SIENMENS PCS7作為系統(tǒng)軟件。
該系統(tǒng)自動(dòng)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(chǎng)⒀跚瓜低場(chǎng)⒉即鞠低場(chǎng)⒗淙此低場(chǎng)⒉馕氯⊙低場(chǎng)竊低場(chǎng)⑽顧肯低場(chǎng)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(píng)?、作耶?dāng)曜肌⒅圃轂曜?、和茰Oの還碳撲慊ㄐ擰⒑湍茉聰?shù)蛨?chǎng)⒎治魷低懲ㄐ諾取?/span>
圖1 VOD基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1系統(tǒng)主要特點(diǎn)
（1）系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，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(jì)采用模塊結(jié)構(gòu)，而且采用為本工程定制的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，調(diào)試簡(jiǎn)單、方便。
（3）畫(huà)面操作方便、靈活。Ｌ１畫(huà)面有監(jiān)控畫(huà)面、儀表回路畫(huà)面、聯(lián)鎖關(guān)系畫(huà)面、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面等；Ｌ２畫(huà)面有報(bào)表畫(huà)面、分析畫(huà)面、模型畫(huà)面等。
（4）電器、儀表、計(jì)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(jì)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(jì)
應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，程序以設(shè)備為單位進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，減通過(guò)一定的連鎖將所有的設(shè)備串接起來(lái)，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(xiě)中采用專門的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，該模塊在HMI畫(huà)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(huà)面維護(hù)工作。下面以真空度控制和冷卻水控制為例說(shuō)明。
參見(jiàn)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(dòng)、手動(dòng)以及計(jì)算機(jī)方式。計(jì)算機(jī)方式指對(duì)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(jì)算出需要控制的目標(biāo)真空度，并且下達(dá)到基礎(chǔ)自動(dòng)化，后者接受到數(shù)據(jù)以后自動(dòng)按照接受的數(shù)據(jù)隊(duì)閥門及行調(diào)解以達(dá)到目標(biāo)真空度；自動(dòng)方式指真空度的控制由操作員自行設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定值控制；手動(dòng)方式下操作員直接給出閥門開(kāi)度開(kāi)控制空氣流量。
圖2 真空度控制和冷卻水控制
由于對(duì)于真空度控制要求反應(yīng)時(shí)間非常高，而且在不同的真空泵開(kāi)啟的階段真空度設(shè)定值相差很大，因此對(duì)于真空度控制采用表格加傳統(tǒng)控制方式。在計(jì)算機(jī)方式和自動(dòng)方式下，根據(jù)工藝要求，按照各個(gè)真空泵開(kāi)閉狀態(tài)以及相對(duì)應(yīng)的真空度范圍，建立表格，根據(jù)接受的模型計(jì)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(dòng)選擇相應(yīng)的閥門最小開(kāi)度以及開(kāi)始開(kāi)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(duì)于VOD也是非常重要的，因?yàn)橹饕脑O(shè)備冷卻回路全部集中在真空蓋上，萬(wàn)一發(fā)生泄漏，冷卻水將直接進(jìn)入鋼水，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的事故，因此本工程中對(duì)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(jì)以及流量計(jì)，根據(jù)對(duì)進(jìn)出口流量差進(jìn)行積分計(jì)算的結(jié)果和溫度的變化來(lái)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(gè)時(shí)間間隔分別作如下計(jì)算：
在上述公式中，我們把PLC掃描時(shí)間（定時(shí)掃描）作為△t，這樣每一次掃描都會(huì)形成一次新的計(jì)算，計(jì)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(jì)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(shuō)明冷卻水發(fā)生異常，HMI產(chǎn)生報(bào)警以提醒操作員，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的安全操作。在計(jì)算流量差的同時(shí)對(duì)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(bào)警。實(shí)踐下來(lái)該方法非常靈敏的解決了冷卻水流量的監(jiān)視問(wèn)題，反應(yīng)及時(shí)，完全滿足工藝的要求。
3 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)從投產(chǎn)以后，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，完全符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)思想，而且滿足生產(chǎn)要求。
本文標(biāo)簽：真空吹氧脫碳自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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