基于PLC的精煉爐自動控制系統研究

1 引言

21世紀鋼鐵企業迅猛發展，企業競爭壓力隨之增大，低端的產品已不具有市場競爭力，這就要求我們開發出具有競爭力的高端產品。德國是世界上最早采用RH精煉技術的國家，早在50年代末期此項技術就已出現,其中RH為當時德國采用RH精煉技術的兩個生產廠家的第一個字母的縮寫。至今,全世界已有100余臺RH精煉爐。RH精煉技術在美國、日本、西歐得到普遍推廣,煉鋼生產線對生產的成本控制以及生產節奏要求越來越高，軋鋼生產線對鋼水的質量要求不斷提高，對鋼水的溫度控制以及碳含量也提出了新的要求。RH(RuhrstahlHeraeus)系統設備是一種用于生產優質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、成分調整及超低碳鋼冶煉等方面。傳過程控制技術發展到今天,在控制方式上經歷了人工控制和自動控制兩個發展時期。在自動控制時期，過程控制系統經歷了三個發展階段,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真空處理自動控制系統從上世紀的六、七十年代的繼電邏輯控制系統、電動單元組合儀表系統發展到了目前PLC網絡控制系統。RH鋼水真空處理采用二級計算機控制系統。基礎自動化包含電控和儀控，是電儀合一的PLC控制系統;二級自動化采用奔騰PC機，編制數學模型實現過程控制。隨著工業自動化技術的不斷發展，企業內部信息網、客戶/服務器模式、現場總線技術的出現，對RH真空處理自動化和計算機的結構也產生影響。現在RH真空處理自動控制系統采用PLC制系統，在現場控制級采用現場總線技術，在基礎自動化級和過程控制管理級采用計算機網絡技術，在傳動系統方面，全數字化的可控硅整流裝置和全數字化的交流逆變裝置已經徹底替代了原來的模擬控制的交/直流供電裝置。在現場檢測儀表方面,具有現場總線通訊能力的智能儀表已經徹底替代了原來的模擬檢測儀表。

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真空處理生產工藝

RH系統設備是一種用于生產優質鋼的鋼水二次精煉工藝裝備，整個鋼水冶金反應是在砌有耐火襯的真空槽內進行的。真空槽內部砌有耐火磚襯，以確保真空槽不會被高溫鋼水燒穿。真空槽的下部帶有兩個浸漬管，用來插到鋼水里，浸漬管內壁砌有耐火磚，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過氣冷器排放到大氣中。

在鋼水進行處理之前，浸漬管首先要浸入即將進行處理的鋼水包中。隨著真空泵不斷抽走真空槽內的氣體，鋼水表面的大氣壓不斷減小，真空槽內外的氣壓差迫使鋼水由浸漬管流向真空槽。真空槽下部的兩個浸漬管，分別為上升管和下降管。鋼水處理期間真空環流系統不斷向上升管中吹入氬氣，相對于下降管產生了一個較高的靜壓差，這個差迫使鋼水從上升管進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流動。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，使真空槽內始終保持抽真空的狀態。同時，真空槽內的鋼水在循環流動時還進行著一系列的化學反應，比如脫氫反應脫氧反應加熱反應等。通常，為了達到滿足某鋼種的要求、使鋼水成分得到精確控制的目的，RH在循環脫氣過程中還加入了合金處理過程。

3 控制系統的理論分析

在RH真空處理過程中，冶金反應主要基于熱力學和動力學的理論。真空冶金時，真空對脫氣、碳脫氧、脫碳等反應產生教為明顯的影響。

3.1 鋼液循環原理

RH的主體設備是一個圓柱體型狀的真空室，高度可達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，處理時插入到鋼水中。當真空室抽成真空狀態后，鋼水在大氣壓作用下，升高約1.4m，通過插入管進入真空室。由于在上升管通入氬氣，氬氣進入鋼水后受熱膨脹，推動液面上漲，使真空室內上升管一側的鋼水液面顯著高于下降管一側，鋼水向下降管一側流動，經過下降管回流到鋼包，由此產生鋼水的循環流動，鋼包中鋼水就這樣在真空室反復循環。循環的次數(循環因數C)由以下公式決定：

———循環流量

———處理容量

t———脫氣時間

循環流量由以下公式決定：

---------上升管的直徑

----------下降管的直徑

G-----------驅動氣體的流量

H-----------插入管的長度

3.2 代控制方法

可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。它實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示

圖2 硬件系統圖