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BOF副枪控制和数据处理
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摘要:说明了宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司炼钢厂2座150t BOF副枪在转炉冶炼中的检测功能特点，阐述了该副枪控制系统结构、电气传动控制功能、探头检测信号数据处理方式以及控制软件的实现。另外说明了该副枪在调试中的问题和处理方法，并给出检测实绩。
关键词:转炉副枪；位置控制；速度控制；数据处理
宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司炼钢厂2座150t转炉,由KHI公司提供主要机械设备和控制系统MICREX-AX硬件以及基本设计,控制软件详细设计由宝钢软件公司承担,分别于2004年2月18日、3月10日投产,随后2套副枪也分别进入热负荷调整,经过近6个月的调整和改进后,运行稳定。这2套副枪功能主要有钢水液位、钢水温度、碳含量和氧含量检测。以副枪检测为基础运行过程机静、动态模型,形成冶炼过程闭循环控制,实现了快速直接出钢的全自动炼钢,对在冶炼过程中节约原料成本、加快生产节奏发挥了有效作用。本副枪的特点是基于DCS功能仪表,电气多功能综合,检测功能多,检测速度快,成功率高。
1 设备组成及检测
1.1 设备组成
副枪设备包括,钊枪本体枪架的升降和旋转装置，探头存储和使用装置以及紧急气动提升装置。副枪升降传动技术参数如下:
升降行程 21230㎜
高速升降速度 2500mm/s
升降速度 583mm/s
低速升降速度 133mm/s
加速时间 3s(0-100%)
传速比 1/12.286
1.2 检测
对于探头采样信号检测，钢水测温和定碳均采用S型铂铭热电偶，精度达士0.5℃，定氧感应电势检测精度达士2mV。然后经变送器转化为4～20mA信号，进入PLC。系统分别采用热电阻和电磁流量计检测副枪冷却水温度和流量，枪高检测采用绝对编码器，脉冲量经数字放大器转化为BCD码和开关量信号并与PLC连接。
1.3 控制系统结构
副枪由FUJI MIREX-AX系统的两个PLC联合控制并进行数据处理,一个电气ACS2000E型PLC完成副枪本体升降和枪架旋摆的变频等电气控制;一个电气仪表ACS2000EI型PLC完成副枪检测过程信号采集、实际数据处理、与过程级通信处理以及冷却水温度监视等控制。控制系统结构参见文献。
2 控制和数据处理
在系统通信速率实时保证的基础上,驱动控制采用高性能向量变频控制;过程控制功能采用高速中断方式执行;数据处理采用模块化编程,实时采样与计算,并与过程机通信。
2.1 变频控制
副枪传动包括副枪的电动升降和旋转、紧急气动提升。副枪升降采用VVVF通过减速箱传动。紧急提升由气动装置驱动,紧急提升完全由硬件回路完成,电动驱动停止时,允许启动紧急提升。枪架的旋转由上下变频器以高、低速通过液压缸驱动。升降控制采用富士系列变频器,整流单元和逆变器单元分别为FRENI4C000CM5,FRENIC4000VM5型产品。这一系列变频器场效应管采用IGBT,属交-直-交电压源向量变频调速系统。升降变频控制的特点有:
(1)整流单元采用双机冷后备,通过直流母线和副枪、氧枪、倾动共计7个逆变器连接。
(2)变频器和上位PLC以总线形式通信,传输控制指令、速度指令以及设备状态信号,在PLC内进行电气设备与其它单元之间的过程联锁。
(3)辅以继电器盘的继电器回路构成安全硬联锁控制,互锁整流单元、逆变单元、抱闸单元和上位PLC,以保证电气设备的充分安全性。
(4)带转速、定子电流检测,经磁链观测后,构成励磁、力知电流闭循环的向量控制,速度控制精度达士0.01%,力矩控制精度为士5%。
2.2 电气PLC主要控制功能
2.2.1 控制方式和检测方式
控制方式主要有中央手动、中央自动以及CPU方式,另外还有紧急停止、气动紧急提升模式。本副枪在检测时分为中央手动测量液位,自动或CPU方式测温、定碳、定氧,这3种方式均包括探头安装和副枪检测升降。检测液位用BL(液位)探头,测温、定碳、定氧、采样用TCS(测温、定碳、采样)探头和TCOS(测温、定碳、定氧、采样)探头。手动测液位时，顶底吹(电气仪表)PLC通过继电器回路进行信号输入线切换，液位信号由进入顶底吹PLC改为直接进入副枪(电气)PLC。手动测量液位时，分别手动触发液位BL探头安装信号以及检测开始信号，自动完成探头安装和检测过程。在吹炼前副枪置于自动方式或CPU方式时，吹炼开始时由转炉状态信号触发自动安装TCS探头，在TCS测量完毕后再自动安装TCOS探头。自动方式和CPU方式的区别在于TCS探头测量开始信号在CPU方式时由转炉的实际吹氧量来触发，在自动方式时由操作工实时把握。为了便于生产时的灵活性，在吹炼结束后钢水镇静时，TCOS测量开始信号由手动触发。
2.2.2 主要控制功能
在副枪控制上主要有探头存储和使用装置顺序控制，副枪升降的位置、速度控制等。在控制层次上检测方式控制、位置控制和速度控制依次递进，并且在副枪设备安全上体现很好的可靠性。
(1)自动检测时的位置、速度控制。位置控制依据副枪的行程位置，采用限位开关和绝对编码器联合控制，分二方面进行，一方面根据枪高对枪速进行切换并触发副枪辅助设备如导向锥和密封门等的自动动作，另一方面根据实际枪高和目标高度之间的偏差进行位置调节，副枪位置及功能详见表1，位置调节见图1。速度调节是通过速度调节器对速度变化率作进一步的平滑后输出给变频器。这两个调节分别用两个功能模块来实现。经过位置、速度调节后，位置精度为士10mm。探头安装时停枪精度对整体安装装置，特别是对安装到位限位的保护极为重要，同时，它密切影响着探头安装的导通率。
表1 副枪行程位置、速度和功能
|
符号 |
位置/㎜ |
使能 |
信号源 |
|
Sob |
28880 |
上限位 |
限位开关 |
|
So |
28830 |
停机位和旋转位 |
编码器 限位开关 |
|
Sc |
28780 |
编码器校准位 |
限位开关 |
|
Sg |
27340 |
导向锥打开位 |
编码器 |
|
P3 |
27262 |
探头拔取位 |
编码器 |
|
Ps |
精确调整位 |
探头安装位 |
编码器 |
|
P2 |
26901 |
探头安装位 |
限位开关 |
|
P1 |
26871 |
探头安装紧停位 |
限位开关 |
|
Sv0 |
26400 |
密封门关信 |
编码器 |
|
Sv1 |
23700 |
下降变速位,中速变高速 |
编码器 |
|
Sv2 |
22580 |
上升变速位,高速变中速 |
编码器 |
|
Sv3 |
11800 |
下降变速位,高速变调节 |
编码器 |
|
S3 |
7600 |
副枪低位 |
编码器 |
|
S3b |
7550 |
副枪低位紧停 |
限位开关 |
枪高标定为枪体在装上探头后探头底部距厂房地平面的相对高度，在进行检测时，枪高目标位置SV按式(1)计算，枪高控制偏差DEV按式(2)计算。
SV=BL-ID一(1992-PL) (1)
式中，PL为使用的探头长度;1 992为标准探头长度，㎜; BL为液位高度，由过程机液位模型推算后发来，或画面设定，或为当前液位测定值;ID为探头浸入深度，由画面设定。
DEV=SV-SLH (2)
式中，SLH为实际枪高。
在液位检测时由于没有检测停枪目标值，所以没有位置调节功能。根据原有液位，在枪进入预定范围内后，由高速切换为低速，接收到液位信号后，按预定时间暂停后自动提枪。为了防止液位检测失败烧枪，另配有液位检错提枪功能，即超过某深度极限后，自动提枪。
在画面中有预设的高、中、低三挡选择，选择低速时，全程枪速为低速;选择高速时，在不同的运行模式下，同副枪行程位置做高低速自动切换。
(2)设备安全性控制。副是水冷枪，在高温转炉腔中检测，枪体就在熔钢上面,备的安全性控制极为重要，须严防枪体浸入熔钢，否则将造成烧枪后果。除了配有气动马达紧急提枪外，主要还有在检测时安全可靠的停枪措施。这里在停枪过程中采用了三停枪联锁，一是采用PL位置控制;二是液位检测时用枪高检错，其他检测时用最低限位在PL内联锁变频器命令;三是副枪最低限位信号直接联锁变频器电气功能。
(3)探头顺序控制。探头安装时依次执行探头切出,探头运输和返回,夹持闭合,导向锥闭合,夹持竖起,副枪下降,导向锥打开,副枪到位停,探头是否连接导通判断等顺序控制。若探头连接好,探头安装装置回位,副枪带着探头在待测位等待检测开始信号,否则执行探头再装功能。再安装时分两种情况,首先是同一探头副枪提起,再重新插装探头一次;其次是若第1根探头两次重装仍然不导通,则探头安装装置回位,抛弃这一探头,重新切出探头,再插装一次,若再不导通的话,副枪需复位不导通次数计数器后方可再用,检测完毕后,自动拔取、抛弃探头。这是一个典型的顺序控制过程,在控制实现上,先根据设备动作顺序以设备动作的结果进行设备状态控制,再根据设备动作状态进行动作顺序控制。
2.3 仪表PLC主要处理功能
副枪单元DCS 顶底吹仪表PLC承担探头数据信号采样、计算,站间通信,与过程机通信,导通判断,探头仪表的校验和冷却水监视等功能。
2.3.1 导通判断和信号采样
在探头的安装中,探头的连接导通判断是关键点。安装时首先副枪降枪停止,然后顶底吹PLC接收安装到位信号后,进行连接导通判断。用液位探头判断定碳信号线,其它探头判断测温信号线,二者类似,现以定碳检测信号为例加以说明,如图2所示。在没有装探头的时候,信号开路,继电器断开,信号变送器处于保护状态,温度信号输出为上限HH以上;探头装上后，输出的常温信号在下限LL(A点)以下，这时的状态称为导通OK。当探头进入渣面,温度信号再增加到LL(B点)时，称为采样起始点，经过t2-t3的延时屏蔽后，程序以每秒10点的频率采样数据，并将数据送至内存里的数据文件中，将状态标志位信号送到内存的标志文件中，同时在操作站上实时显示温度曲线，直到t4时刻共采样P点。如果采样成功，则向标志文件中写入相应的成功标志位，并起动数据处理程序;如果采样点数未满，则置位采样失败标志位。
A(t1)一导通开始、B(t2)一检测启动、C(t3)一读数开始、D(t4)一烧断点、HH一物理最高点、
LL一导通判断值;H一窗口上限;L一窗口下限;t′一信号启动后延时
2.3.2 数据采样处理
在采集到的数据中,在采样初期C点和末期D点，信号都会偏离平衡点，因此在数据处理时需对这些数据过滤，选用合格的数据计算。从延时t′后的第C点数据起，以m个数据为一组进行采样数据的判断方法如下:
(1)一组采样点数必须为m，否则执行第(7)判断。
(2)找出本组数据内的最大值max和最小值min。
(3)判断max不大于H, min不小于L。
(4)判断是否max一min≤ɑ, ɑ为平台判定参数，其设定值的大小既要保证测量的精度，又要保证有较高的测成率。
(5)如果条件(2)和(3)成立，则信号代表值Y以式(3)计算:
Y=[X(1) X(2) … X (m)]/ m (3)
(6)如果条件(3)或(4)不成立，则从下一个资料起，以m个数据为一组，重复(1)-(6)直到最多采样数p, 并计算出代表值。
(7)在(1)～(6)过程中做检测结束点判断，测温和定碳温度信号结束点为HH(D 点)以上，定氧信号结束点为下降到LL (A点)以下，在到结束点后，仍未计算出代表值，则发出采样失败标志位。
(8)如果在(7)判断到结束点之前，直到最大采样点P还没计算出代表值，说明曲线波形不好，没有相对稳定的平台，发出测定失败标志位。
2.3.3 数据处理后的计算和通信
在信号代表值有效取出后,调用计算模块计算含碳量和含氧量。副枪测量结束，以测定成功标志信号触发顶底吹PLC上传过程机检测实绩。吹炼前用BL探头测量液位，上传液位数据;吹炼中用TCS测量，上传钢水温度、定碳温度信号，然后接收过程机发来的吹炼终点吹氧总量,副材冷却添加量以及出钢后铁合金添加量数据，并在L1画面显示;吹炼结束后用TCOS测量，上传吹炼实际钢水温度、含碳温度、含氧浓度信号，做实绩收集。
2.4 软件实现
2.4.1 DCS电气的一体化融合
在富士DCS中，软件上从两个层面上实现了仪表、电气一体化融合。(1)对于仪表回路处理和控制功能，以调用内部SYSBXAI软仪表库的形式实现，仪表之间数据流在软件模块之间自由调用;电气软件实现了模块化编程和简单逻辑个体化处理的混合型编程，形式灵活。这样，仪表和电气控制在分开处理的基础上其数据流之间以PLC内部变量的形式相互调用，从而实现了仪表、电气一体化在PLC内融合的特色。(2)在(1)的基础上实现了在DCS内不同PLC的仪表数据和电气信号由同一数据库站进行实时和历史数据统一管理，在同一操作站的同一画面上监视。在炼钢工业中，仪表过程控制和电气驱动控制并重，所以富士DCS仪表、电气两层次融合,显示出了特别适用的优越性。PLC ,操作站、数据库站和过程机之间的数据流见图3。
2.4.2 程序功能优先级的确定
根据其执行的优先级和执行周期对PLC程序和功能块分类,不同类别优先级和执行周期的程序和模块被分别定义在不同的程序号范围和模块号范围内。副枪应用程序按PLC属性需要和设备控制的需要可以分为初始化程序、控制程序、通用程序、通信程序等,这些程序按程序序列范围定义其优先等级和执行周期,保证程序数据流的流畅,保证设备的安全控制。特别是PLC通电时枪控常数的初始化值以及各输入输出点值映像正常的刷新,更是副枪安全控制的前提。副枪PLC的程序优先级的确定原则主要有以下4点。
(1)把设备控制常数和参数的设定,输入输出点的刷新指令,以及临时调用的内存变量安排在初始化模块内,只要PLC通电,就首先执行初始化模块,以保证设备安全。
(2)对枪本体的位置控制和速度控制以及高速输出的脉冲,安排在可设定的周期中断范围内,进行快周期20ms设定,同时副枪枪高位置BCD码输入以PLC本地I/ 0从形式连接,BCD位置编码器接口程序亦设置成高速中断程序,扫描和处理周期均为20ms以满足,别枪高度控制的快速响应。
(3)对一般的画而显示、操作指令、DCS的广播通信等通用程序以及数据计算模块，安排在循环周期程序范围内，其优先级比较低。
(4)与过程机的通信处理程序，分为发送、接收两个过程，发送程序由软件中断触发调用，发送时有状态监视，程序定义在周期循环范围内;接收模块由系统周期查询自动调用执行，其定义在系统调用模块范围中。
3 运行中遇到的问题和处理
在副枪投入热试后，在提高检测成功率上遇到了一些问题，并逐一得到解决，主要方面有:
(1)副枪的连接导通。副枪在探头安装时，原来采用一次硬限位停靠，二次硬限位紧停。由于安装装置在现场机械位置稍稍变化和安装限位的受损，都会导致探头的安装连接失败。因此，在不添加设备的情况下由原来二个限位位置停枪控制改为三限位停枪控制，在一次硬限位前增加一个编码器枪高位置自动停枪信号。这个位置信号根据实际停枪位置不断调整，一旦调整好后，探头安装时设备所受的冲击力大为减小，相关设备的状态相当稳定，不但保护了设备，对导通率的提高也起到了积极的作用。
(2)烧枪。特别是在检测液位的时候，发生过副枪由于钢摊绳过松报警而烧枪的情况，为了防止速度由高速到低速切换时，速度变化过快，造成枪体拉绳过松，导致控制失败，我们对速度控制进行了改进，在原来的速度输出上做变化率的平滑处理，编制专用模块，对速度输出采取进一步的软件平滑处理，以速度变化不超过831㎜/s为上限，防止了在高低速之间切换时拉绳过松或过紧。同时定期调整机械抱闸间隙，杜绝抱闸受污打滑，使抱闸力度正常。
(3)采样成功率。原设计是在检测时枪进入低速区后，进行双向位置调节，虽然定位精度较高，但有时会影响钢水采样成功率和定碳测温的测得成功率。我们将其改为下降单方向调节后，饱满采样成功率有所提高，这样虽然处理实际调节精度比理论值稍大，但考虑到探头长1992mm,在合理确定探头浸入深度后能确保探头安全测量，因此其探头采样合格率和定碳温度测得率有所提高。
(4)调整滤波标准判定参数。在测得信号的滤波处理上,调整滤波标准判定参数,同时需保证检测精度和成功率。目前平台判定范围测温是3℃,定碳温度是1.5℃,定氧是20mV。如采样曲线正常,但延时参数t′过小，仍会出现采样失败的情况，这时可调整延时t′,避免过早采样。
4 结束语
在DCS、电气一体化支持下,副枪的测量周期小于105s,动态模型的作业指导返回信息在检测开始后70s即可显示在操作画面上。经过长时间的调整后,这两套副枪测得率均达到95% ,误差满足工艺要求,对提高吹炼脱碳量及温度控制,节约生产成本,达到快速出钢、加快生产节奏发挥了有效作用是转炉冶炼控制水平提高的一块基石。
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