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所在位置:工控博客苑 -- 李德平 -- 酒钢集团碳钢薄板厂计算机炼钢技术的应用

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李德平工控博客

李德平先生

     学历:大学本科
     职称:工程师
     年龄:39岁
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酒钢集团碳钢薄板厂计算机炼钢技术的应用

发表评论(0)   作者:李德平    发布时间:2013年3月14日  

    酒钢(集团)碳钢薄板厂计算机炼钢技术的应用
   
    摘 要:介绍了酒钢(集团)碳钢薄板厂计算机炼钢技术的主要控制功能、研究与开发的新进展、应用效果、成功应用计算机炼钢的卓越效果。自酒钢碳钢薄板厂炼钢工序2005年投产以来,通过成功应用计算机控制技术整个炼钢工艺过程的自动化控制。
    关键词:计算机炼钢技术的应用
    根据酒钢泉钢铁(集团)有限责任公司“十五”发展规划,新建了200万t热轧薄板工程,采用高炉铁水铁水预脱硫处理顶底复吹转炉钢水二次精炼薄板坯连铸连轧或中厚板坯连铸机的先进生产工艺流程,新增200万t热轧薄板。由于现有老系统改造受到诸多因素限制,难以适应将来的发展及品种钢生产要求,根据酒钢新增200万t热轧薄板工程铁钢项目要求,老系统适当缩小生产能力,新增200万t热轧薄板工程项目与老系统(一炼钢)改造统一考虑。设计炼钢连铸车间综合考虑,原二炼钢系统为炼钢转炉炼钢—精炼—薄板坯连铸连轧两条生产线,年产~204万t合格薄板坯供给轧机生产板材。酒钢200万吨热轧薄板工程铁钢项目炼钢转炉工程按照一次性总体设计,2005年陆续建成投产原则进行。其中包括炼钢主厂房墙皮1m内的生产设施,主要有:1座1300t混铁炉,2套铁水脱硫装置,3座120t顶底复吹转炉,3座120t LF精炼炉及其厂房内配套的公辅设施,转炉区域及常规板坯连铸区域主厂房及其天车。
    副原料上料系统,转炉一次除尘系统,转炉二次除尘系统,LF精炼炉及铁合金加料系统、混铁炉及铁水脱硫的除尘系统包含在本工程范围内。炼钢配套设施主要有:10kV开关站、车间供配电中心、电气室、通风除尘设施、汽化冷却设施、车间内机修设施、厂内电讯、检化验设施、土建工程等。
    整个炼钢厂的自动化控制系统控制系统分成2级,基础自动化级L1及过程控制级L2,并包括了部分生产调度和信息管理功能。
    三电一体化的控制系统对混铁炉、铁水脱硫、转炉、LF炉的过程数据进行采集、监视和控制,通过软件组态编程实现适用于过程控制所必要的全部监控功能。计算机系统由过程控制计算机系统(混铁炉、铁水预处理、转炉、LF炉)、分析计算机系统、生产调度和信息管理计算机系统组成。通过数台服务器、PC终端、打印机和网络交换机等设备组成炼钢厂计算机系统局域网,使炼钢厂信息数据共享,实现炼钢厂信息数据不落地传递。本系统与其他系统通信的硬件交接点为本系统的中心交换机端口处。留有与连铸系统、生产指挥中心等的软、硬件接口和交易中心的硬件接口。三电控制系统使用CRT画面进行操作监视和管理。数据采集、控制用I/O数量留有10%—15%富裕量。
    基础自动化控制系统主要由PLC、操作员终端(HMI)、工程师站、打印机、控制总线、现场总线及I/O等设备组成。基础自动化系统主要具有现场数据采集、过程回路控制、设备顺序控制、设备运转操作监视、故障报警等功能。每个子系统由一台或多台PLC控制器、HMI操作站及数据通讯总线组成,且各主工艺控制系统与二级过程计算机系统通信。
    炼钢电气系统采用全交流传动,有变频调速和不调速两种方式。转炉氧枪和转炉倾动采用矢量控制变频器,对一般调速要求设备,采用V/F控制变频器,对不调速方式采用全压起动。操作方式设手动操作方式、半自动方式和自动操作方式。主工艺线上设备采用PLC控制方式;线外设备及个别辅助设备采用接触器-继电器控制方式。
    自动化仪表采用现场总线控制。混铁炉、铁水预处理、转炉、LF炉的现场仪表采用现场总线通讯方式将信号送至基础自动化系统进行集中监控。选用智能仪表测量压力、流量、温度、料位等过程变量。仪表供电来自于电气的配电系统, 仪表的电源电压为单相交流220V 50HZ。对重要控制回路,仪表设备设置在线UPS电源,仪表气源单独设计,按照酒钢要求采用氮气,气源压力为0.6MPa~0.8MPa。主要仪表监控画面有:运转条件检查画面、整体监控画面、运行监视画面、生产管理画面、参数设定画面、控制回路画面、实时及历史趋势画面、报警总览画面等。具有安全联锁及报警、过程信息记录及报表等功能。
    过程控制计算机系统控制范围从主原料、副原料进入本炼钢厂开始,经铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼为止。主要完成生产计划的接收和管理、数据库管理、数据收集、数学模型计算、物流跟踪、数据设定、生产报表打印及数据通信等功能。每个子系统由服务器和PC机、打印机以及相关的网络设备组成, 各个子系统分别与各子系统的基础自动化系统相连,并相互连网,可互相通信。本系统预留与上一级管理机接口。
    控制系统选用美国Rockwell公司A-B品牌PLC,整个转炉-精炼-连铸工艺参数的检测、指示、报警、记录及调节功能均由PLC系统完成。系统采用Rockwell的三级网络,上层为以存太网(EntherNet)实现转炉、精炼、连铸系统的数据交换;中间为控制网(ControlNet)负责PLC系统通信;底层是设备网(DeviceNet)或远程I/O。计算机系统采用客户/服务器(Client/Server,C/S)结构,通过服务器与厂管理网络联接,实现管控一体,构成企业内部互联网(Intranet)。计算机过程控制系统的建立及Intranet的形成,为提高生产效率、工艺过程优化、降低成本、分析各种操作、预防各种事故的发生打下了良好的基础。
   
    1. 自动化系统的组成
    炼钢转炉计算机控制自动化控制系统的组成如下图所示,系统由过程控制级、基础自动化级、现场设备级三大部分组成。
   
   
   
   
    1.1过程控制级
    转炉过程计算机系统由六台服务器及相应的网络设施构成,交换机为核心,构成通讯速率为100Mb/s的以太网。全厂生产信息管理计算机系统、生产调度计算机管理系统、LF炉计算机系统、连铸过程计算机系统、分析计算机系统,通过相应的网络设备连接到炼钢计算机系统的交换机上,以实现各个单元计算机系统之间的通信。转炉报表服务器、I/O服务器连接在交换机上。由I/O服务器对来自基础自动化级的数据进行采集、分析和处理,并下达有关生产调度指令。在每座转炉操作室设置一台过程计算机终端,显示钢水成分、LF炉、连铸状态及参数等。过程控制系统的计算机系统采用客户/服务器(Client/server)结构。操作站作为上位机运行RSView32等软件完成转炉—精炼—连铸工艺参数的检测、指示、报警、记录及调节,组态系统设备运行状态,实现实时控制功能。服务器应用OPC和DDE等技术完成数据存储,利用以太网技术实现数据共享。服务器,操作站选用Dell计算机,运行Windows xp多用户操作系统。三座转炉分别由6套Controllogix系统,6台操作站和1台服务器组成,完成转炉本体、加料、余热锅炉、烟气净化、一次风机、煤气回收等系统的检测、控制与通信;精炼控制系统由1套Controllogix和2台操作站组成,实现对电极、加料的自动控制;1台连铸机控制系统由9套Controllogix控制器4台操作站和一台服务器组成,主要完成钢包回转台、振动与拉矫、结晶器、二冷水配水、切割、出坯的自动控制;脱硫站有一套控制器和一台操作站,完成铁水、脱硫、脱磷、拨渣自动控制;二次除尘由一台操作站和一套控制器组成,完成对生产中产生的烟尘的二次收集自动控制。整个控制系统设计遵循“三电一体化”的思路,要求不仅能满足对控制对象的顺序控制、回路控制以及过程控制,而且在先进的计算机网络技术支持下要充分实现自动化系统硬件和软件资源的共享,大幅度地降低系统设备的投资,提高系统的可靠性,方便操作,并为生产管理提供完整的设备运行和生产数据。
    1.2基础自动化级
    基础自动化控制系统主要由PLC、操作员终端(HMI)、工程师站、打印机、控制总线、现场总线及I/O等设备组成。基础自动化控制系统具有现场数据采集、设备顺序控制、设备运转操作监视、故障报警等功能。设备操作采用自动,半自动,手动等方式。过程数据设定方式采用上级计算机系统下达或基础自动化级操作终端人工设定。转炉自动化仪表过程监控范围从散状料上料系统开始,直到出钢完成为止(如:散状料投入系统、铁合金系统、废钢系统、转炉本体系统、汽化冷却系统、一次除尘及煤气回收装置、转炉冷却水系统及各种气体调压站等)的3座120t转炉。采用仪、电一体化的基础自动化系统完成。在转炉主控制室内采用操作站(HMI)的CRT监视、键盘鼠标操作,不另设后备仪表盘。同时还在汽化冷却操作室、一次除尘风机房操作室内设置操作终端,对其相应的过程变量进行监控。各控制单元按需要设置远程I/O,通过总线连接至主控制系统,以节省电缆,方便施工。在仪电一体化基础自动化系统中,仪表数据采集 、控制用I/O数量留有一定富裕量。基础自动化系统自动方式:当过程计算机不能发送设定值时,可由操作人员在基础自动化的终端上输入设定值,独立完成相应的控制功能,其设备联锁自动完成。应操作人员要求,计算机可以在终端上显示数学模型结果或工艺技术数据,以指导操作人员进行控制。基础自动化系统手动方式:由操作人员在基础自动化的HMI上进行设备操作。直接手动方式:由操作人员在现场进行设备操作。d) 安全联锁及报警:为保证安全运行和控制方式平稳切换等,仪表控制中设有必要的安全联锁回路,并在基础自动化系统中通过软件实现。仪表控制系统具有过程参数状态报警和设备故障报警功能。报警信息在操作站上显示,显示报警时间、报警内容等,并按轻、重程度加以区分。出现关系到设备损坏的重故障报警时,应及时停止设备运转。一般报警需操作员确认。 报警时具有声响,引起操作员注意。 报警信息同时还由操作站上所配打印机打印记录报警时间、报警内容等。e) 软件编程组态:仪表监视、控制系统的编程、组态等工程化功能通过具有工程化功能的操作站或编程器实现。
    酒钢碳钢薄板厂120吨转炉使用的Controllogix5555控制系统是Allen-Bradly新一代的可编程序控制器。Controllogix内核设计无源数据总线,采用生产者/客户技术为用户提供一种高性能的、具有确定性的分布式方案。运用“逢变则报”的数据传送方式,可带电插拔任何模块而不影响系统其它模块工作。整个计算机控制系统有6个服务器,18个操作站。其运用的ControlNet网络通讯方式,通过RIO连接下设的DeviceNet,形成酒钢碳钢薄板厂炼钢工序120吨转炉的自动化控制系统。全面采用网络技术,实现设备级、基础自动化级和过程计算机级的多级网络控制系统。整个控制系统采用Rockwell公司特有的三级网络,上层为以太网(EtherNet),实现转炉、精炼、连铸、脱硫、混铁炉、合金料、生产调度、化验分析的数据交换,中层为控制网(ControlNet)负责PLC系统通信,低层是设备网(DeviceNet)或远程I/O以及第三方的Profibus用于连接现场设备。
   
    1.3现场设备级
    现场设备层:主要功能是连接现场设备,如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等,完成现场设备控制及设备间连锁控制;如一台加工设备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站(PLC、PC机或其它控制器)负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中,并由主站执行。三座转炉的倾动和氧枪系统均采用罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix,NetLinx网络架构–ControlNet,基于磁场定向矢量控制(Field-oriented Control)技术的1336 Force交流变频器,实现转炉倾动和氧枪系统的自动控制,其自诊断和保护功能可靠,降低了设备故障停机时间,大大提高了生产效率。后台控制系统:Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix ,ControlNet系列转炉传动变频控制系统在传动部分采用1336 Force系列变频器作为核心部件。在转炉倾动部分配置四台变频器,采用“一拖一”驱动方式,四台变频器之间采用光纤构成通信环网;氧枪部分同样采用“一拖一”方式驱动,并配置光栅编码器;外围控制系统采用AB ControlLogix系列PLC,并配套1336 Force系列变频器专用的PLC处理器、I/O等通信程序和工艺控制程序,结果证明1336 Force系列转炉传动变频控制系统可以非常完美地完成转炉驱动的各种工艺要求:在倾动电机速度同步、负荷平均分配和氧枪电机零速满转矩、报闸控制、抗过载能力等诸多方面均表现完美。1336 Force系列转炉传动变频控制系统中,最为成功之处是在倾动部分采用了四台变频器“一拖一”驱动方式,并且圆满地解决了变频器之间的“主从”应用问题。以往的转炉驱动系统中,一般采用直流调速系统或采用“一拖四”的交流调速方式,这种方式下只能保证电机的转速基本一致,而完全无法保证电机的负载一致问题,特别是“一拖四”的交流调速系统,采用一台变频器同时驱动四台电机,由于电机的电气特性并非完全一致,变频器只能采用“V/F”控制方式,起动转矩低,转矩控制特性差。另外,由于电机的电气特性差别,驱动过程中电机的转速无法保证一致,而转炉的倾动电机之间属于齿轮刚性连接,微小的转速差别可能引起非常大的负载不平衡,情况严重时甚至会出现在倾动过程中有的倾动电机处在电动状态,而有的倾动电机却处在发电状态,造成了负载的严重不平衡,经常损坏倾动电机。而在 1336 Force系列转炉传动变频控制系统中,4台变频器通过光纤连接,构成主从应用工作组,工作时其中一台设为主传动工作方式,另三台工作在从传动方式,从传动变频器以速度/力矩工作方式工作,主变频器速度由上位机PLC系统通过变频器I/O口给定,主变频器通过光纤环网向从机发送运行信息,内容包括主机转速,转矩及开关状态等,从机通过DtoD通讯与主传动连接,实现转矩跟随,由主从切换功能自动实现与主传动的速度/力矩跟踪和力矩准确分配,直接用软件实现了多电机传动中速度同步和力矩分配。系统正常运行时,上位PLC系统通过现场总线与变频器正常通讯,实现控制和现场数据采集,当因某种原因引起某台从变频器或电机故障时,故障变频器自动停止工作,另外三台变频器继续工作,主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配;当主变频器或电机出现故障时,主变频器停止工作,并发出故障信号,由上位PLC系统起动故障处理程序,通过变频器I/O端口,设置另外一台变频器为主传动,组成新的主/从工作组,按主/从方式继续工作,新的主变频器负责速度控制和负载分配。整个转换过程在2秒钟以内完成。1336 Force变频器的这种主从转矩可以重新配置的特点,保证了转炉倾动系统在任何一台或二台倾动电机或变频器出现故障的情况下,仍能继续工作,且不会出现电机负荷分配不均匀的现象。1336 Force变频器转距跟随特性及主变频从一台变频器切换到另外一台变频器的情况下,主从应用的速度环和力矩环仍然是在变频器内部实现的,具有极快的响应速度和控制精度。而其它品牌的变频器在主从应用时,为了实现主机从一台变频器到另一台变频器的切换,必须把速度环放在变频器外部,例如在PLC中实现速度环,这样,速度环的响应速度和控制精度就大打折扣,会引起速度不稳、溜车等一系列问题。尤其是在炼钢过程中操作转炉倾动时,例如在炼钢工人需要采样钢水样品时,负载力矩的突然变化,要求速度环尽快响应,但以PLC实现的速度环可能来不及响应,出现溜车。另外选用先进的高精度、高可靠性的智能仪表测量压力、流量、温度、料位等过程变量.现场仪表采用现场总线将信号送至基础自动化系统进行集中监控。
   
    2.系统网络性能综述:
    2.1采用了高速工业以太网
    随着网络技术的迅速发展,先后产生了高速以太网(100M)和千兆以太网产品和国际标准,10G以太网产品也已经问世。通过提高通信速度,结合交换技术,可以大大提高通信网络的整体性能。
    2.2采用了交换技术
    传统的以太网采用共享式集线器,其机构和功能仅仅是一种多端口物理层中继器,连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽,遵循CSMA/CD协议进行发送和接收数据。而交换式集线器可以认为是一个受控的多端口开关矩阵,各个端口之间的信息流式隔离的,在源端和交换设备的目标端之间提供了一个直接快速的点到点连接。不同端口可以形成多个数据通道,端口之间的数据输入和输出不再受CSMA/CD的约束。随着现代交换机技术的发展,交换机端口内部之间的传输速率比整个设备层以太网端口间的传输速率之和还要大,因而减少以太网的冲突率,并为冲突率数据提供缓存。当然交换机的工作方式必须是存储转发方式,这样在系统中只有点对点的连接,不会出现碰撞。多个交换吧整个以太网分解成许多独立区域,以太网的数据冲突只在各自的冲突区域里存在,不同域之间没有冲突,可以大大提高网络上每个站点的带宽,从而提高了交换式以太网的网络性能和确定性。
    交换式以太网没有更改原有的以太网协议,可直接用用普通的以太网卡,大大降低了组网的成本,并从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的问题。研究表明,通信负荷在10%以下时,以太网因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。在工业控制网络中,传输的信息多为周期性测量和控制数据,报文小,信息量少,传输信息长度较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小,通常仅为几位到几十个字节,对网络传输的吞吐量要求不高。实践证明,在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中,通信负荷为10M以太网的5%左右,几十有操作员信息传输(如设定值的改变,用户应用程序的下载等),10M以太网的负荷也完全可以保持在10%以下。
    2.3采用全双工通信模式
    交换以太网中一个端口是一个冲突域,在半双工情况下仍不能同时发送和接受数据,如果采用全双工模式,同一条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据,解决了这种情况下双办公存在的需要等待的问题,理论上可以床书速率提高一倍。全双工通信技术可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上同时接受和发送报文帧,从而也不再受到CSMA/CD的约束,这样,任意节点发送报文帧时不会发生碰撞,冲突域也就不复存在。对于紧急事务信息,则可以根据IEEE802.3P&q,应用报文优先级技术,使优先级高的报文先进入排队系统先接受服务。通过这种优先级排序,使工业现场中的紧急事务信息能够及时成功的传送到中央控制系统,以便得到及时处理。
    2.4采用虚拟局域网技术
    虚拟局域网(VLAN)的出现打破了传统网络的许多固有概念,使网络结构更灵活、方便。实际上,VLAN就是一个广播域,不受地理位置的限制,可以根据部门职能、对象组和应用等因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端口只能标记一个VLAN,同一个VLAN中的所有站点拥有一个广播域,不同VLAN之间广播信息室相互隔离的,这样就避免了广播风暴的产生。工业过程控制中控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普通单元区分开来,使用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上座逻辑分割,将不同的功能层、不同的部门区分开,从而达到提高网络的整体安全性和简化网络管理的目的。通常虚拟局域网的划分方式有静态端口分配、动态虚拟网和多虚拟网端口配置三种。静态端口分配指的是网络管理人员利用网管软件或设备交换机的端口,使其直接从属某个虚拟网,这些端口将保持这样的从属性,除非网管人员重新设置;动态虚拟网指的时支持动态虚拟网的端口可以借助智能管理软件自动确定它们的从属,多虚拟网端口配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网,这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门可以同时访问,也可以同时访问多个虚拟网络的资源。
    2.5引入了质量服务(QoS)
    IP QoS是指IP的 服务质量,亦即IP数据通过网络的性能,它的目的是向用户提供端到端的服务质量保证。QoS有一套质量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。QoS网络可以区分实时-非实时数据,在工业以太网中采用QoS技术,可以识别来自控制层的拥有较高优先级的数据,并对它们优先处理,在响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传输失败率、优先级等方面,使工业以太网满足工业自动化实时控制要求。另外,QoS网络还可以制止对网络的非法使用,譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元的终端等。此外还出现了受大公司支持的工业以太网应用标准及相关协议的改进。将工业以太网引入底层网络,不仅实现现场层、控制层和管理层在垂直层面上方便集成,更能降低不同用户设备在水平面上的集成成本,以太网向底网络的层延伸时必然的,因此著名厂商纷纷支持以太网并制定了不同的工业应用标准。如酒钢碳钢薄板厂炼钢工序采用的Rockwell自动化公司支持的Ethernet/IP,IP是指工业协议,它提供Producer/Consumer模型,将ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议的应用层移植到TCP。FF制定的高速以太网协议HSE提供了发布方/定购方、对象等模型,主要用于工程控制领域。为了提高实时性,以太网协议也作了一些改进。一种完全基于软件的协议RETHER(Real Time Ethernet)可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性,它采用一种混合操作模式,能减少对网络中非实时数据传输性能的影响;非竞争的容许控制机制和有效的令牌传递方案能防止由于节点故障而引起的令牌丢失。遵守RETHER协议的网络以CSMA和RETHER两种模式运行。在实时对话期间,网络将透明地转换到RETHER模式,实时对话结束后又重新回到CSMA模式。还有一种以太网协议叫RTCC(Real Time Communication Control),为分布式实时应用提供了良好的基础。RTCC是加在Ethernet之上的一层协议,能提供高速、可靠、实时的通信。它不需要改变现有的硬件设备,采用命令/响应多路传输和总线表两种新颖的机制来分配信道。所有节点在RTCC协议中被分为总线控制器(BC)和远程终端(RT)两类,BC只有一个,其余都是RT。信息发送的发起和管理都由BC承担,访问仲裁过程和传输控制过程都是由BC来实现的,通过两个过程的集成与同步,不仅节点的发送时间是确定的,而且节点使用总线的时间也可控。在10Mbps以太网上的实验表明,RTCC有令人满意的确定性。第三种改进实时性的方法是流量平衡,即在UDP或TCP/IP与Ethernet MAC之间加一个流量平衡器。作为它们之间的接口,它被安装在每一个网络节点上。在本地节点,它给予实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息的竞争,同时平衡非实时信息,以减少与其他节点实时信息之间的冲突。为了保证非实时信息的吞吐量,流量平衡器还能根据网络的负载情况调整数据流产生率。这种方法不需要对现有的标准Ethernet MAC协议和TCP或UDP/IP作任何改动。因此,针对以太网排队延迟的不确定性,通过采用适当的流量控制、交换技术、全双工通信技术、信息优先级等来提高实时性,并改进了容错技术、系统设计技术以及冗余结构,以太网完全能用于工业控制网络。事实上,20世纪90年代中后期,国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网,推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器,以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。随着网络和信息技术的日趋成熟,在工业通信和自动化系统中采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段,向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术,在工业自动化和过程控制领域得到了超乎寻常的发展。同时,基于IP的全程一体化寻址,为工业生产提供的标准、共享、高速的信息化通道解决方案,也必将对控制系统产生深远的影响。
    3.控制系统的特点:
    3.1 ControlNet网络
    ControlNet网络是新一代自动化控制网络,满足ICE61158国际工业现场总线标准。它提供了一种在PLC之间,PLC与MMI操作站及I/O子系统之间实现高速(5Mbps)的、可冗余的通信方式。它可以支持多达99个节点,最大网络距离20km。它可连接总线型、树型、星型及混合型等不同的网络拓扑结构。通过ControlNet可以在单一网络上完成关键性数据传送、I/O更新、处理器互锁、对等通信等功能。
    Producer/Consumer通信模式可以使不同的处理器之间进行信号交换,I/O数据可以同时被多个设备共享。扩展模块及远程I/O模块可直接挂接在ControlNeth,使控制模块最可能接近现场检测元件,减少检测、控制信号的衰减、干扰,同时节约电缆,便于维护。
    3.2 EtherNet网络
       EtherNet网络是在操作站与服务器之间通过TCP/IP组成的Windows NT网络。Windows NT网络具有数据、文件共享的能力,通过统一的数据库接口(ODBC)使各操作站的历史、实时数据和文件集中管理,便于生产调度,可进一步实现管控一体。
    3.3 系统安全性
       本系统从基础级和管理级两方面加强系统的安全性。①ControlLogix系统本身具有较强的自检能力,如模块级故障检测、现场故障检测、断线诊断、现场断电、空载情况、电子保险、输出点故障的组态等。针对模块故障、背板通信故障,CPU能启动故障程序以保证系统的安全。②利用Windows NT用户管理功能,通过账号方式分配给操作员和工程师不同的权限,使系统避免由于人为原因造成破坏。
    3.4信息管理网络
       管理网络设计为星型拓扑结构的1000M交换以太网。采用两级交换,主干为千兆光纤,服务器与中心交换机用千兆铜缆连接,二维交换机与集线器,集线器与用户计算机采用五类双绞线连接,使桌面带宽达100M。整个管理网络与生产现场的控制网络通过服务器连接,以实现管控一体化。生产信息管理系统基于Intranet技术,以浏览器作为用户终端软件,服务器端采用大型数据库软件形在C/S的结构方式。提供的主要功能有:①生产数据采集 包括原材料消耗单、成品入库单、生产过程记录单的数据提交集确认。②生产统计及生产成本数据处理 包括产量统计、风位生产中消耗统计、各生产环节的生产实物投入、产出统计和厂内价格的资金投入等。③成本影响因素的动态分析及趋势预测 采用数据控掘技术,对生产成本构成的主要影响因素进行多角度的快速分析,并进行趋势预测。④通过计算机网络技术,配以通讯对讲系统、工业电视系统实现生产调度功能。另外,管理网络具有实现公司生产指挥中心现场生产视频监视系统的能力;预留了与公司总网络及Internet连接的接口。
    3.5 管控一体化的设计思想
       钢铁企业的信息环境有其自身的特点:①分布性 这是由于地址位置分散和企业部门划分造成的,根据此特点要求采用分布式的计算机网络系统。②实时性 这是生产设备控制信息必须满足的条件。③可靠性 要求系统具有较高的诊断和容错功能。一方面避免传递错误信息,另一方面在出现错误时要有较强的恢复能力。④自治性 各控制系统和管理系统在集成运行的前提下,还必须保证各自独立运行能力,避免局部错误影响整个系统。⑤异构性 要求必须选用具有异构功能的网络系统。
    3.6 构造管控一体化通信网络
      要实施综合自动化,实现管控一体化,就必须设计出一种能在工业现场环境下运行的、性能可靠、造价及维护费用低廉的通信系统,形成企业底层网络,以完成现场设备之间的数字通信,进一步实现与管理层网络之间的信息交换。
    3.7选用先进的现场总线控制系统
       当今迅速发展的现场总线技术能较好的满足企业信息环境的特点,使传统的测量和控制仪表具有数字计算和数字通信能力。同时利用同轴电缆、双绞线、光纤等介质将仪表与控制系统组成网络,以规范的通信协议实现数据传输与信息交换,形成满足需要的自动化系统。
    现场总线作为智能设备联系的纽带,可以把挂接在其上的智能设备作业网络节点,不但可以完成基本的监控功能,同时还具有整体优化及管控一体化的综合自动化功能。
    3.8 建设先进的计算机管理网络结构体系
       C/S结构是现行企业信息网络的优选结构体系。首先,在相同的性能需求下可以使整个计算机系统的投资大幅降低;其次,它具有很好的开放性、兼容性和容错能力,并且易于功能和用户的扩充。
    C/S结构体系实现了分布式协作处理业务。客户机可以分布设置在企业的各个部门,分别进行各自的业务处理,而且具有协作处理和计算的环境,发挥各自特长相互协作运行,实现有效的管控一体化管理。
   
   
    4.系统主要功能
    4.1过程跟踪
    自动收集在生产过程中从兑铁水、废钢装料开始,经过吹氧冶炼,到一次倒炉、中间取样、成分分析、再吹炼,直到终点出钢、倒渣,成品取样分析,整个冶炼过程工艺参数、生产数据和设备运行状态,为标准化操作和生产的科学化管理提供依据。
    4.2控制模型
    静态冶炼控制计算。在转炉开吹前,利用热平衡模型及氧气的平衡模型计算冶炼用氧和冷却剂的数量,并柑橘钢种的要求确定氧气流量和枪位控制及原料的加料制度,在吹炼过程中按确定的参数一直吹炼到终点。铁合金加入计算。根据出钢时需调整钢水的成分,计算要加入的各种铁合金量。
    下图画面主要是对氧枪自动升降情况下使用的枪位曲线进行设定的画面。包括5条操作工可以设定的曲线和一条由二级计算机系统下传的曲线。
   
    下图副原料设定画面包括对五条操作工可以设定的曲线和一条由二级计算机下传的曲线。还包括对料空量、落差量、强弱转换点设定。
   
   
   
    4.3 数据采集
    采集的数据包括铁水、废钢、副原料、铁合金等重量的称量;氧气系统支管流量、压力、温度及冶炼时间;氧气系统、氮气系统总管的流量、压力参数;转炉水系统包括净环水、浊环水系统的总管压力、流量、温度及氧枪水系统压力、流量、温度、差压数据等。
    转炉一次除尘系统包括炉口微差压,烟气量,烟气温度,一流文氏管的水压、水温、流量及差压等参数的采集;煤气回收系统包括一氧化碳、二氧化碳连续测量分析,氧枪下枪吹炼,风机处于高速运转等参数的采集。
    4.4数据通信
    生产调度计算机、生产管理计算机、LF炉计算机、分析计算机及基础自动化系统通过网络进行数据通信,实现了实时监控、实时报表、实时诊断功能。
    4.5全CRT画面监控
    实现了全CRT画面监控。在CRT显示画面上将转炉系统、氧枪系统、一次除尘及风机系统、上料系统等信息及参数进行显示设定和修改。主监控画面主要由仪表部分和电气部分组成。电气部分包括氧枪升降操作、氧枪横移操作、活动眼罩升降操作、烟气净化阀操作、倾动泵操作、挡火门操作、观察窗操作、渣车操作、枪尖标高设定操作、吹炼点值设定操作、枪位曲线选择操作、合金请求操作以及设备相应的状态监视。仪表部分包括氧枪进出水、顶吹氧气、顶吹氮气、氮封氮气的操作以及相关仪表信号的监视。具体画面如下:
    底吹监控及底吹供气模式画面如下:
   
   
   
    4.6 打印报表
    系统可以对基础自动化级的生产数据进行处理,在过程计算机生产班报表、周报表、月报表,并存储一年的生产过程管理数据,以便对生产过程实施监督管理及产品质量追踪,并对设备维护和事故分析提供原始数据。如下图所示:
   
    4.7炼钢厂的生产数据管理系统
    炼钢是钢铁生产的重要工序,对降低生产成本,提高产品质量,扩大产品范围,具有决定性作用。目前钢铁生产技术特别是连铸与热轧热送的发展,使生产过程日趋连续化、高效化,这就要求钢厂计划控制和管理系统对整个生产过程中的各工序间的物流能流和生产时序进行准确预报,从而达到快速信息反馈并及时准确和灵活地调整生产工艺和品种方案。为了进一步加强现场过程的监测与控制,更好的跟踪总结和技术分析,炼钢厂特建立以称量流、温度流、分析流为主的数据库。通过准确采集铁水、终点、出钢、Ar站、大包、中包的温度;采集化验室对炉后钢水、氩后钢水、以及成品的成份值。使每一炉钢数据实现完整保存,这样无论是管理人员还是操作人员,只要打开该数据库,就可以全面了解有关信息,这样既减少了工艺监督人员的工作量,又为技术分析与考核提供了可靠的数据支持。计量流:主要记录转炉加入铁水、废钢,吹炼过程中石灰、轻烧、改质剂、镁球、球团、萤石等散状料以及整个过程中加入的合金料,吹氧时间、吹氧量,出钢时间、钢水量,这包钢在连铸机上的开浇时间、停浇时间,大包重量,总共的拉坯长度、铸坯支数等等。温度流:主要记录转炉的兑铁时的铁水温度,吹炼过程中一次倒炉的钢水温度、出钢温度,在吹氩站上的进站、出站温度,这包钢在连铸机上浇铸时的大包、中包温度等等。分析流:我们利用现有的以太网,将技术中心钢研院驻炼钢厂120t转炉的化验室两台光谱分析仪的化验数据,利用VB开发了实时采集系统。对铁水、吹炼一次倒炉、出钢、氩前、氩后钢水、以及成品的成份读取并存入数据库。生产数据库的建立,是我厂走企业信息化的基础。由专业生产管理人员采用职能数据挖掘软件对动态数据进行分类、抽取和发布,我们可以做到:①钢铁料消耗对比:日、旬、月的对比表,针对钢铁料消耗升降情况,产生投入量、产出量,钢铁料消耗实际趋势比较;针对钢铁料消耗升降情况对其影响因素进行分析。②合金料消耗对比:日、旬、月的对比表,针对合金料消耗升降情况,对其影响因素进行分析(包括:不同成分合金的废品量,各钢种合金消耗,对合金消耗高的钢种生成钢铁料消耗趋势图)。③进厂铁水计量分析。④出厂钢坯计量分析。该系统的投入和正常运行,提高了炼钢厂信息化管理水平,同时满足了信息化建设(ERP)的数据需求,实现了物流、质量、能源信息管理现代化。
    5.生产运行情况
    通过针对炼钢生产工艺,结合自动化和传动系统的优点,成功的完成了对各个生产环节的检测、分析、计量、控制、诊断、维护、报表和生产调度的系统集成,大大体现了计算机自动化控制的先进设备装备水平。转炉系统主控PLC中,有一个吹炼模式控制单元,此单元在HMI上:实现了可视化,方便了操作工的操作。控制单元主要有三大功能:一是数据存储,控制单元中有若干个历史数据库,用于存放常用的吹炼控制模式;二是吹炼模式的选择,操作工可以根据当时的实际情况选择是采用二级机算计控制方式还是从历史数据库中调用模式的PLC控制方式;三是无论采用哪种控制方式,吹炼模式都会从二级机或PLC中传递到一个专为执行吹炼控制而设计的吹炼模式工作数据库中,然后再由操作工对工作数据库中的内容进行模式确认。
    吹炼模式工作数据库中主要有氧量时钟、氧气流量设定值、氮气流量设定值、氩气流量设定值、氧枪高度设定值、熔剂材料名、熔剂加入量、副枪测量降氧量等。而模式确认的实质就是由PLC辅助操作工根据生产工艺要求对上述内容进行逐一确认,在确认无误后,通过网络传递到相关PLC,以便执行一步炼钢过程。
    在模式确认完成后,操作工可以选择是否将确认好的内容存入历史数据库以备今后冶炼同钢种时使用。
    5.1吹炼顺序控制
    在各PLC系统的工艺过程控制上,均采用了以下4种控制策略,即手动控制方式、半自动控制方式、自动控制方式和计算机控制方式,这4种控制方式的优先级别是由高到低,自动化程度则是由低到高。在正常情况下,操作工总是选择自动化程度高但优先级低的计算机操作方式,但在生产过程中,操作工可以根据实际情况转换操作方式,原则是只能从优先级低的操作方式向优先级高的操作方式转换。
    对于如此复杂的全自动炼钢技术而言,PLC的控制程序必须采用结构化的程序设计思想来编写。首先,针对整个转炉系统所选用的设备,统一编制模拟量处理标准功能块和各种设备的控制标准功能块。然后,各PLC根据自己的设备控制情况选择相应的标准功能块进行使用并完成单体设备的调试,之后,各PLC按照转炉自动炼钢的总体控制要求,编制各自的自动炼钢顺序控制程序。最后,再在工业以入网的架构下,编制和调试通信程序和转炉自动炼钢总体顺序控制程序。这种编程形式,最大限度地降低了因编程人员的个体差异而给各PLC带来的系统差异,杜绝了同一类现场设备的控制因位于不同的PLC而出现不同控制方法的现象发生,真正使转炉控制系统有机地融合为一个整体,也方便了维护人员对各控制系统的掌握。
    另外,各PLC的程序按照树状结构编写,以增强程序的可阅读性和方便故障分析。在程序的最上层是组织块,组织块中按照每个PLC所对应的工艺控制顺序和设备种类,存放工艺控制功能和设备控制功能,再在各功能中,调用执行各个工艺或设备控制过程的功能块以及数据块。并且,除了一些特殊情况外,统一用数据块存放各种工艺以及设备控制数据,这样做的好处是即使在出现故障导致PLC死机时,也能根据数据块中记录的在PLC死机前的系统运行状况,方便地查找造成系统死机的故障点。
    6. 结论
       酒钢碳钢薄板厂炼钢工序转炉计算机炼钢自动控制系统自2005年4月投产以来投运以来,运行非常稳定,性能可靠,故障率低,现场操作岗位非常满意,应用证明,计算机炼钢自动控制为核心及罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix,NetLinx网络架构–ControlNet的系统非常完美地完成了酒钢集团碳钢薄板厂120T转炉设备的生产控制要求。本系统配置做到了三电一体化。L2由于选用PC机,使许多开放性较好的操作系统都可使用,如Windows 2000等,整个系统的性价比较高,而且其操作系统的延续性和发展前景更好,整个系统始终处于一个比较领先的地位。该系统自2005年4月运行至今,性能稳定,操作方便,对生产调度起到了承上启下的作用,尤其在模型应用方面,使用率达90%以上,减轻了工人的劳动强度,提高了生产数据的准确率,受到了肯定和好评。
   
    参考文献:
    [1]中冶赛迪工程技术股份有限公司,酒泉钢铁(集团)有限责任公司炼钢转炉工程技术附件,
    2004.6.8。
    [2]陈积明,工业以太网的研究现状及展望,化工自动化仪表,2001,28(6)。
    [3]苟建兵,工业网络中以太网可靠性探讨,自动化博览,1999(6),26-31。
   
   
 

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