珠钢一号电炉新增生铁连续加料电气控制系统开发初探
时间：2022-08-04 10:40:44
摘要:文章论述了珠钢新增生铁加料系统电气控制部分改造的技术方案以及实施的步骤。新控制系统建立在原有电炉的西门子S5PLC控制系统上,利用了原有系统的备用的I/O点,只是现场增加了动力控制部分和仪表测量部分,就实现了新系统的电气自动控制功能,用极小的成本完成了新系统电气控制的改造,对降低珠钢电炉的冶炼成本起到重要的作用。
关键词:生铁;PLC;440变频器;闭环控制;人机画面
中图分类号:TM571
文献标识码:A
文章编号:1009-2374(2009)19-0040-04
一、系统开发的背景
目前珠钢一号电炉是在1999年投产的150T FUCHS竖井炉,其原材料是以废钢为主,配以一定量的生铁和海棉铁。原料的入炉方式是天车吊装料蓝从竖井上加入,由于料蓝的设计以及吊装料时的空间限制,一篮料的加入总量在80T左右。在系统改造前,加料的工艺是一炉钢分两篮加入,总量在160T左右,而在冶炼的过程中,通过皮带加料系统加入一定量的海绵铁增加钢水的总量,使一炉钢的钢水达到150T,这个工艺是这几年珠钢一直使用的配料方案。而从去年开始,海绵铁的原料价格一直在上涨,而生铁的原料价格升幅不大,两者之间存在很大差价。在原来的工艺中,由于生铁的制作工艺的限制,体积大且重,不能通过皮带上料系统加入,只能装在料蓝里加入到炉子。由于料蓝加入量的限制,而钢水量又要保证,就不得不使用皮带加入海绵铁。为了降低公司的生产成本,公司决定实施生铁代替海绵铁的改造项目。
二、系统改造的思路及系统设计
我们改造所求的最终结果是生铁能代替海绵铁在电炉送电冶炼的过程中加入到炉子里,以提高电炉的出钢量。
(一)加料控制系统设计
1.料仓平面布置:竖炉狗屋靠近电炉CP1(1#操作台)附近布置一个生铁料仓,料仓下方安装一台震动给料机,震动给料机下方安装一条加料溜槽,溜槽与电炉炉盖(或炉壁水冷板)上的受料斗相对接,溜槽可以作横向摆动以便炉盖提升时不受干涉(如图1,2所示)。
2.用量:预计冶炼集装箱板时每炉用量为10～15吨;冶炼普板时每炉用量20～30吨。
3.加料方式与加料速度:采用振动给料机实现连续加料,加料速度设计为可调节,设计加料速度40～80吨/小时,加入时机可根据实际情况调节。
(二)关键技术问题
系统能否成功使用需要处理好如下两个关键问题:
1.生铁的块度控制,生铁块度必须均匀,表面平整,否则必然导致加料系统堵塞。
2.振动o料机与溜管设计必须满足形状不规则生铁加入,速度可控。
(三)系统自动控制的功能要求
系统需要达到的控制功能主要是操作工能在主控室里的人机操作画面上控制加料系统的整个加料过程,其具体的功能如下:
1.在主控室里的人机操作画面上能自动控制振动给料器的起动和停止,并能显示振动给料器的状态(工作和停止);操作画面上能控制振动给料器的加料速度。
2.画面上能自动控制加料摆管在停靠位和电炉位之间的摆动动作,并能显示摆管的位置。
3.在画面上能显示生铁料仓里生铁的总重量,能设定生铁的所需加入总量,单位为吨(T)。
4.能计算一炉钢里加入到炉子里的生铁累计加入量,并显示在人机画面上,在加入量达到设定值时能自动停止振动给料器。
5.而在生铁加料仓侧加装就地操作箱,能就地操作振动给料器以及摆管的动作。
三、一号电炉原来电气自动控制系统概述及现场环境分析
1#电炉是在1999年正式投入生产,当时是由德国的FUCHS公司负责整个系统的安装和调试。在线的控制系统主要是西门子S5系列的产品,控制系统中主要包括:硬件系统由:S5 948 CPU,CP卡,DI卡,DO卡,AI卡,AO卡以及IM卡组成。控制程序是用西门子S5程序编辑软件对PLC自动控制程序进行修改和编辑。人机操作画面是由Facytrylink软件开发,画面和PLC之间通过H1网进行数据的传送,数据传送是以数据块DB的形式进行。
现场新增生铁加料系统必须安装在目前的二号狗窝门的附近,必须考虑到现场的竖井的动作范围,加料摆管的动作行程,门形架的旋转行程。
如果系统投入使用,对目前操作人员的视线范围的影响,尤其是对于这种紧凑性强的竖式电炉,在炉门附近新增加生铁加料系统所造成的工况的影响。
电控方面需要考虑SFS系统原来的动力负荷是否能够满足新增一套生铁加料系统所需要的负载的需要,怎样对原有系统的MCC柜进行改造等等。
新增加生铁加料系统涉及到许多的现场传感器、操作平台、液压驱动阀门、振动给料机驱动装置等等的布局安装问题是需要考虑的。怎样才能保证系统稳定运行是保证设备正常运行的关键,例如电缆的敷设如何才是最合理的,保护得最好的,最持久耐用的,设备人员的日常维护是最容易的,安全可靠性是最强的,这些问题都需要考虑。
四、电气改造方案以及实施
(一)主要设备清单
1.1套带支架的生铁料仓(带称重压头),钢结构,容积约10立方米。
2.1个振动给料机(外购)。
3.1条摆动溜管。
4.1个炉盖受料斗(或炉壁受料斗)。
5.3个带液压系统的生铁料斗。
6.3个生铁料篮周转篮支架。
7.自动化控制系统(利用现有的电炉PLC控制器,新增变频器调节速度)。
(二)动力部分的设计
现场的动力设备有漏斗下的振动给料器,摆管在停靠位和工作位之间的动作驱动机构。
1.动给料器的动作靠电机来带动,其动作需要有变速的功能。于是我们设计了两个4kw的电机来带动振动给料器,而电机由一台11kw的西门子420变频器来驱动,PLC通过控制变频器来实现电机的变速功能,变频器安装在原来的电炉MCC室的备用MCC柜里,由那里铺设动力电缆到现场的电机,铺设控制电缆到PLC。
2.摆管的摆动机构由液压缸来驱动,摆管的动作信号我们只需将PLC 24V的输出信号传送到液压阀的线圈上就能实现,其余的例如液压缸的尺寸、安装等等由机械人员完成。
(三)控制程序设计
在原有的电炉控制系统的设计中,无论是硬件的设计和控制程序的设计上,都预留了一部分的点作为备用,包括数据量的输入和输出以及模拟量的输入和输出。在此基础上,我们决定将新系统的控制程序编写在原电炉的S5PLC上。
S5PLC程序可用梯形图,语句表以及功能图三种方式进行编辑,控制程序编辑分以下几步:
1.现场信号的采集:24V数字量信号包括现场操作箱控制返回PLC的启动信号、停止信号、急停信号、就地操作选择信号;变频器的返回的准备信号、运行信号;摆管现场位置返回的工作位和停止位信号。4～20mA模拟信号采集:现场漏斗重量的信号采集。
2.逻辑控制程序的编辑:主要包括了振动给料器启动的连锁条件的编辑以及自动启动和停止加料控制程序编辑。操作工在操作画面上设定好加入量和速度后启动,程序接受画面传来的启动命令后,根据画面设定的速度自动启动变频器控制电机启动。程序对现场的回来的生铁重量信号进行逻辑运算,计算出加入的实际生铁量与设定值进行比较,当达到设定值时自动停止加料。电机的速度控制采用外环控制,变频器0～50HZ的电机速度控制范围对应画面0～100的速度设定值。程序上还编辑了就地控制振动给料器和加料摆管动作的程序。而与操作画面的数据交换我们是在原来已经建立好通讯的基础上增加了新的DB数据块。
3.输出信号的编辑:24V数字控制信号的输出,包括了摆管的动作信号、变频器的启动信号、变频器的故障复位信号、系统状态显示信号。4～20mA模拟量输出信号是变频器速度的设定值。
五、生铁加料系统电气自动化方案的安装实施过程
(一)电缆的敷设
1.在电炉MCC柜中选用两个备用柜,其允许的额定功率为20千瓦。
2.敷设动力线路电缆,起止为:电炉的备用MCC柜到新增加的生铁加料系统处。
3.对狗窝门MCC柜到电炉PLC信号线进行校验,选用14条线作为信号线,作为以下信号的传输线,包括:(1)变频器的信号反馈线:运行信号,准备信号;(2)PLC指令信号线:启动信号,调速信号(模拟量);(3)对电炉PLC到狗窝门操作面板的信号电缆进行校验,选用六条线作为就地操作面板的信号线包括:启动按键盘,停止按键,就地选择。
4.从电炉液压站敷设电缆到电炉PLC,作为液压电磁阀门信号线。
(二)对备用的MCC柜进行整改
1.根据电机的性能参数选用断路器、热继续电器、接触器、中间继电器、保险等元器件
2.编制整改过后的MCC图纸。
3.根据图纸对柜内的元器件进行线路连接,注意线路的连接,选型要符合安全用电生产的规定,部线整齐,端子号标识清晰。
(三)配合金仪完成称重斗部分电缆的敷设,线路的连接及设备的调试工作
1.在电炉PLC选用备用的模拟量通道。
2.敷设电缆,起止位为:电炉PLC到称重仪表,称重仪表到称重传感器。
3.编写程序,完成数模转换。
(四)程序编写
1.完成称重信号的数模转换。
2.完成与变频器的调速度控制。
3.就地操作和远控全自动操作过程控制的编写。
(五)HMI操作画面的修改
增加页面用于显示以下内容和操作:
1.称重斗内的重量显示。
2.称重斗的加入量的设定。
3.速度的设定值。
4.启动按键。
5.停止按键盘。
6.加料摆管的旋进。
7.加料摆管的旋出。
(六)新系统图纸
1.称重仪表图纸,见图4;
2.变频器接线图,见图5;
3.电气信号接线图,见图6。
(七)现场施工要点
1.现场电缆的敷设要注意规范,注意用耐高温套管保护。
2.仪表信号线要做好屏蔽保护。
3.称重传感器安装过程中要注意做好保护,以免损坏。
六、系统的安装调试及优化过程
以下表格为新增生铁系统调试使用过程中的工艺参数比较,下表仅仅为取样数据调试过程中使用新增生铁加料系统前后配料成本对比:
新增生铁加料系统在调试运行过程中,我们不断去优化电控系统,确保系统的称量的准确性,运行的稳定性,加料过程的精准能够得到进一步提高。
1.在不断的调试使用过程中,我们对生铁加料工艺进一步优化。了解生铁加料流程及相关的工艺要求。如生铁料仓的最大容量,料斗称的最大称量范围,加料过程需要达到的流量是多少,不断的修改变频器的参数。
2.为了优化生铁加料系统的加料曲线,提高加料精准度,我们尝试改良了变频器的不同的V/F曲线。
3.为了确保生铁加料系统的稳定运行,我们重新对MCC柜的选择及控制电路进行了设计。我们参考1号电炉手指风机的电路原理并以此为模板进行修改设计来满足控制需要,增加了旁通控制回路以便出现异常情况时能够及时采取应急措施应对,杜绝对生产造成的影响。
4.控制系统与金仪负责的生铁料仓称重计量数据的衔接设计进一步优化,确保系统的可扩展性。
5.生铁加料操作界面的设计。在现场CP3操作台的附近安装就地操作台给操作工进行生铁加料的现场操作,同时,对人机界面进行画面编辑和设计。
6.针对加料摆管的气动控制存在的稳定性问题和加料摆管被火烧出现变形的情况,将气动控制方式改成了液压控制方式,并在受料口处增加了由液压控制的翻板。
七、新增生铁加料系统经济效益评估
该系统投入后主要产生两方面直接经济效益:
1.生铁代替HBI产生经济效益:每1吨生铁代替1吨HBI产生经济效益为:生铁价格1970元/吨,回收率92%计算;HBI价格2800元/吨,回收率81%计算,效益为(2800-1970)×92%/81%= 942.7元。
2.全年可产生效益:冶炼集装箱板可全部替代HBI,1#电炉全年生产95万吨钢水,其中70%集装箱板约4433炉,每炉10吨,总替代量为44330吨;其余为普板与品种钢,每炉可替代约15～20吨,总替代量为38000吨,合计全年可替代82330吨HBI,全年产生经济效益为:82330×942.7=7761万元。
(一)使用前后配料成本对比
1.冶炼SPA-H:冶炼SPA-H在不使用连续加入生铁的配料方案,为确保出钢量达到150吨左右,必须每隔冶炼2～3炉配一次三蓝料方案,对比采取使用两蓝料,电炉连续加入生铁5～10吨左右的配料方案,回收率上升1%,吨钢配料成本低93.6元。
2.冶炼普板:冶炼普板在不使用HBI,采取连续加入生铁的配料方案,在加入量相当的情况下,回收率上升6个百分点,配料成本低260.2元。
(二)使用前后冶炼指标情况对比
1.冶炼SPA-H指标对比。冶炼SPA-H在不使用连续加入生铁的配料方案,必须每隔冶炼2～3炉配一次三蓝料方案,对比采取使用两蓝料,电炉连续加入生铁5～10吨左右的主要冶炼指标吨钢成本下降8.3元,冶炼周期缩短6分钟。
2.冶炼普板指标对比。冶炼普板在不使用HBI,采取连续加入生铁的配料方案,在加入量相当的情况下,电炉冶炼成本对比降低4.6元。
九、结语
在新的生铁系统投入使用后,我们摆脱了必须加海棉铁以增加钢水量的束缚,我们成功用生铁代替了海面铁的使用,这对降低产品的成本起到了至关重要的作用。我们在原有系统的基础上,用了极小的费用,完成了系统的电气改造,小的投入换来大的收获,新增生铁连续加料系统为珠钢实现减本增效奠定了坚实的设备基础。
作者简介:陈少杰,男,广东广州人,广州珠江钢铁责任有限公司助理工程师,研究方向:冶金自动化。
