基于PLC的精炼炉自动控制系统研究

1 引言

21世纪钢铁企业迅猛发展，企业竞争压力随之增大，低端的产品已不具有市场竞争力，这就要求我们开发出具有竞争力的高端产品。德国是世界上最早采用RH精炼技术的国家，早在50年代末期此项技术就已出现,其中RH为当时德国采用RH精炼技术的两个生产厂家的第一个字母的缩写。至今,全世界已有100余台RH精炼炉。RH精炼技术在美国、日本、西欧得到普遍推广,炼钢生产线对生产的成本控制以及生产节奏要求越来越高，轧钢生产线对钢水的质量要求不断提高，对钢水的温度控制以及碳含量也提出了新的要求。RH(RuhrstahlHeraeus)系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备，广泛用于钢水的脱碳、脱氧、脱气、升温、成分调整及超低碳钢冶炼等方面。传过程控制技术发展到今天,在控制方式上经历了人工控制和自动控制两个发展时期。在自动控制时期，过程控制系统经历了三个发展阶段,它们分别是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段[13]。RH真空处理自动控制系统从上世纪的六、七十年代的继电逻辑控制系统、电动单元组合仪表系统发展到了目前PLC网络控制系统。RH钢水真空处理采用二级计算机控制系统。基础自动化包含电控和仪控，是电仪合一的PLC控制系统;二级自动化采用奔腾PC机，编制数学模型实现过程控制。随着工业自动化技术的不断发展，企业内部信息网、客户/服务器模式、现场总线技术的出现，对RH真空处理自动化和计算机的结构也产生影响。现在RH真空处理自动控制系统采用PLC制系统，在现场控制级采用现场总线技术，在基础自动化级和过程控制管理级采用计算机网络技术，在传动系统方面，全数字化的可控硅整流装置和全数字化的交流逆变装置已经彻底替代了原来的模拟控制的交/直流供电装置。在现场检测仪表方面,具有现场总线通讯能力的智能仪表已经彻底替代了原来的模拟检测仪表。

2 RH真空处理基本工艺

RH真空处理工艺流程如下图所示：

图1 RH真空处理生产工艺

RH系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备，整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽内部砌有耐火砖衬，以确保真空槽不会被高温钢水烧穿。真空槽的下部带有两个浸渍管，用来插到钢水里，浸渍管内壁砌有耐火砖，热弯管安装在真空槽的上部。被抽走的气体通过真空槽上部的热弯管经过气冷器排放到大气中。

在钢水进行处理之前，浸渍管首先要浸入即将进行处理的钢水包中。随着真空泵不断抽走真空槽内的气体，钢水表面的大气压不断减小，真空槽内外的气压差迫使钢水由浸渍管流向真空槽。真空槽下部的两个浸渍管，分别为上升管和下降管。钢水处理期间真空环流系统不断向上升管中吹入氩气，相对于下降管产生了一个较高的静压差，这个差迫使钢水从上升管进入真空槽而后在自身重力的作用下从下降管流出，如此使钢水不断循环流动。而在真空泵的作用下真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体不断被抽走，使真空槽内始终保持抽真空的状态。同时，真空槽内的钢水在循环流动时还进行着一系列的化学反应，比如脱氢反应脱氧反应加热反应等。通常，为了达到满足某钢种的要求、使钢水成分得到精确控制的目的，RH在循环脱气过程中还加入了合金处理过程。

3 控制系统的理论分析

在RH真空处理过程中，冶金反应主要基于热力学和动力学的理论。真空冶金时，真空对脱气、碳脱氧、脱碳等反应产生教为明显的影响。

3.1 钢液循环原理

RH的主体设备是一个圆柱体型状的真空室，高度可达7~10m，底部有两根耐火材料做成的管子，其中一根称为上升管，另一根称为下降管，都称插入管，处理时插入到钢水中。当真空室抽成真空状态后，钢水在大气压作用下，升高约1.4m，通过插入管进入真空室。由于在上升管通入氩气，氩气进入钢水后受热膨胀，推动液面上涨，使真空室内上升管一侧的钢水液面显著高于下降管一侧，钢水向下降管一侧流动，经过下降管回流到钢包，由此产生钢水的循环流动，钢包中钢水就这样在真空室反复循环。循环的次数(循环因数C)由以下公式决定：

———循环流量

———处理容量

t———脱气时间

循环流量由以下公式决定：

---------上升管的直径

----------下降管的直径

G-----------驱动气体的流量

H-----------插入管的长度

3.2 代控制方法

可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。它实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示

图2 硬件系统图