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摘 要：昆钢4#、5#（50t）转炉PLC自动控制系统升级更新之后与组态软件和6RA70型直流调速装置等相互结合，能够极大程度地缩短转炉炼钢冶炼时间和出钢率，明显降低和控制转炉炼钢成本并为转炉生产增加经济效益。文章介绍了昆钢4#、5#（50t）转炉PLC自动控制系统的升级更新、优化和转炉PLC控制系统的详细配置、主要电气控制系统功能及产生的经济效益，详情如下。
关键词：PLC；转炉；自动控制系统；升级；配置；经济效益
一、自动控制系统存在的问题
4#、5#转炉氧枪和倾动PLC控制系统原来均采用西门子S5系列的控制模块和控制方式，由于控制模块只剩少量库存量，备品备件严重短缺，加上在线设备使用时间较长，大部分PLC模块及检测装置原件已经老化，输入输出信号故障频发，维护的成本较高，转炉生产故障情况下更改控制程序困难，系统不够稳定可靠，维护工作难以持续开展下去，造成转炉冶炼时间较长，严重影响转炉产钢量，难以适应昆钢当前高效率、快节奏的炼钢生产。
二、转炉本体及氧枪控制系统的升级更新和优化
（一）系统设计总体构架
西门子S5系列的PLC自动控制系统全部更换、升级为西门子S7系列的PLC自动控制系统。主站均采用西门子S7-400系列的PLC模块和ET200M的总线结构方式，即主机架和CPU采用S7-400系统，输入、输出模块采用S7-300系统模块为ET200M远程站。同时6台西门子6RA70系列倾动和氧枪直流调速装置、氧枪高度编码器（倍加福系列多圈绝对型编码器）、倾动角度编码器（倍加福系列单圈绝对型编码器）均采用ProfiBus-DP网络通讯方式和PLC主站S7-400的通讯模块进行通讯和数据交换。如图1、图2所示：
（二）转炉氧枪及转炉倾动6RA70系列直流调速控制系统
本文主要采用西门子系列PLC与6RA70系列直流调速装置、上位机编程组态软件相结合的形式，实现对直流电动机的精准调速控制。Step 7和Wincc编程软件主要针对6RA70系列直流调速装置和直流电机的通讯数据的采集和自动调频、调速控制。并对其加以硬件组态和PLC自动控制程序编写。如图2所示：
（三）网络通讯优化
4#、5#转炉转炉氧枪及转炉本体PLC自动控制系统采用PROFIBUS_DP现场总线方式通讯，转炉氧枪及转炉本体的所有现场远程I/O站、编码器、6RA70系列直流调速装置构成同一PROFIBUS_DP网络。同时把4#、5#转炉仪表PLC、转炉氧枪及转炉本体PLC和6#转炉仪表PLC之间采用以太网的通讯方式进行连接和安全联锁，实现三座转炉本体、汽化、仪表、除尘风机系统之间相互通讯，数据交换。如图3所示：
三、转炉本体及氧枪PLC自动控制、联锁系统组成及原理
（一）4#、5#转炉控制系统设备组成
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统分别由2台西门子S7-400 系列PLC模块组成。转炉仪表控制系统（含上料系统）、汽化系统、转炉一次除尘系统也分别由2台西门子S7-400 系列PLC模块、2台西门子光纤交换机、光纤组成，和转炉本体及6#转炉之间建立工业以太网网络。
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统上位机操作站、工程师站共计4台、电脑通过以太网口、网线连接至24口以太网交换机上，上位机并安装有STEP7、WINCC等编程调试软件供现场安装调试使用。
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统现场总线为Profibus-DP网络，由带DP接口的CPU模块（CPU416-2DP）、CP443-5 Ext、ET200M远程站模板构建，4个系统有各自的DP网络、现场操作箱、接线箱等。
CP443-1模板主要用于4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统、转炉仪表控制系统（含上料系统）、汽化系统、转炉一次除尘系统以及和6#转炉控制系统之间的以太网通讯连接。
（二）主要电气控制系统的功能
1.氧枪升降系统。采用倍加福双圈绝对型高精度编码器检测氧枪位置高度，并加以主令控制器和机械限位配合使用，从而实现氧枪高低速切换自动升降控制及自动提枪和停枪控制。人性化设计，方便操作，可提高操作人员工作效率，缩短冶炼周期时间，提高生产效率。
2.转炉本体倾动控制系统。由转炉倾动PLC系统控制4台直流调速装置，同时驱动4台直流电机，通过减速机构，使转炉可以360°自由旋转；采用倍加福单圈绝对型角度编码器检测炉体旋转角度，当炉体旋转至相应角度区域时实现炉体高低速的自动切换功能，实时检测炉体角度值，其值可通过0°机械限位来校正；为保证4台电机转矩同步，由其中一台为主，其它三台为辅，实现电机主从控制，4台电机平时全部投用，特殊情况最多允许使用一台电机工作，这样当其它三台电机设备故障时，一台电机仍可以应急处理，保证生产不受影响；从而提高转炉炉体操作、控制功能，保证安全連锁生产，提高冶炼效率。
3.转炉氧枪事故提升系统。采用蓄电池供电来提升氧枪，蓄电池供电和氧枪直流调速装置供电，通过编写程序实现交直流供电系统的互锁与切换蓄电池自动提枪功能，以保证转炉因停电而影响转炉安全生产的可靠性，通过事故联锁操作，从而保证转炉氧枪能够及时提出转炉炉内并停至氧枪上限位位置处，完全避免安全恶性事故发生，保证转炉顺利生产和突发事故应急处理。
4.原料系统。控制炼钢所需散装料的备料及下料。散装料通过料仓、给料器、称量料斗、下料溜槽进行控制及联锁，完成定量散装料的加入工作。
5.仪控系统。主要包括汽包液位、除氧器水位、顶吹氧气流量调节、底吹模式及流量调节、二文液压控制以及温度、压力、流量等基础数据的采集处理，同时实现仪表参数和氧枪控制自动联锁，保证生产安全。
6.转炉除尘系统。转炉一次除尘系统主要完成对4#、5#转炉除尘风机和转炉氧枪及转炉本之间的转速联锁控制、煤气联锁回收各阀门控制、仪表参数的采集处理工作。
四、经济效益分析
提高系统响应速度，降低设备故障率。S5系统因系统老化每年都会出现2-3次系统内部故障，使用老式编程器来查看排查处理故障时间较长。系统升级为S7系统后每两年可能会出现1次plc故障情况，且处理时间极短，均控制在1小时以内，对生产的影响几乎可以忽略不计。
系统备件与6#转炉统一，便于备品件的管理，有效降低系统备件储备量。若备S5系统备件，整个系统预计备件费用达到50万元以上，且个别模块市场已经无法购买。升级后备件可以采用与其他西门子S7系统共享备件的方式，则可以大大降低控制系统备件费用。
五、结语
昆钢4#、5#转炉控制系统经过一系列的升级改造及网络优化完善后，一些操作画面的改造方便操作，设计更加合理且人性化；大大降低控制系统备件费用及维护成本；冶炼时间得以大幅度减少，提高了各钢种的质量和出钢率，从而大大降低了操作人员劳动强度，更使昆钢的生产效率和经济效益得到了较大提高。
关键词：PLC；转炉；自动控制系统；升级；配置；经济效益
一、自动控制系统存在的问题
4#、5#转炉氧枪和倾动PLC控制系统原来均采用西门子S5系列的控制模块和控制方式，由于控制模块只剩少量库存量，备品备件严重短缺，加上在线设备使用时间较长，大部分PLC模块及检测装置原件已经老化，输入输出信号故障频发，维护的成本较高，转炉生产故障情况下更改控制程序困难，系统不够稳定可靠，维护工作难以持续开展下去，造成转炉冶炼时间较长，严重影响转炉产钢量，难以适应昆钢当前高效率、快节奏的炼钢生产。
二、转炉本体及氧枪控制系统的升级更新和优化
（一）系统设计总体构架
西门子S5系列的PLC自动控制系统全部更换、升级为西门子S7系列的PLC自动控制系统。主站均采用西门子S7-400系列的PLC模块和ET200M的总线结构方式，即主机架和CPU采用S7-400系统，输入、输出模块采用S7-300系统模块为ET200M远程站。同时6台西门子6RA70系列倾动和氧枪直流调速装置、氧枪高度编码器（倍加福系列多圈绝对型编码器）、倾动角度编码器（倍加福系列单圈绝对型编码器）均采用ProfiBus-DP网络通讯方式和PLC主站S7-400的通讯模块进行通讯和数据交换。如图1、图2所示：
（二）转炉氧枪及转炉倾动6RA70系列直流调速控制系统
本文主要采用西门子系列PLC与6RA70系列直流调速装置、上位机编程组态软件相结合的形式，实现对直流电动机的精准调速控制。Step 7和Wincc编程软件主要针对6RA70系列直流调速装置和直流电机的通讯数据的采集和自动调频、调速控制。并对其加以硬件组态和PLC自动控制程序编写。如图2所示：
（三）网络通讯优化
4#、5#转炉转炉氧枪及转炉本体PLC自动控制系统采用PROFIBUS_DP现场总线方式通讯，转炉氧枪及转炉本体的所有现场远程I/O站、编码器、6RA70系列直流调速装置构成同一PROFIBUS_DP网络。同时把4#、5#转炉仪表PLC、转炉氧枪及转炉本体PLC和6#转炉仪表PLC之间采用以太网的通讯方式进行连接和安全联锁，实现三座转炉本体、汽化、仪表、除尘风机系统之间相互通讯，数据交换。如图3所示：
三、转炉本体及氧枪PLC自动控制、联锁系统组成及原理
（一）4#、5#转炉控制系统设备组成
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统分别由2台西门子S7-400 系列PLC模块组成。转炉仪表控制系统（含上料系统）、汽化系统、转炉一次除尘系统也分别由2台西门子S7-400 系列PLC模块、2台西门子光纤交换机、光纤组成，和转炉本体及6#转炉之间建立工业以太网网络。
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统上位机操作站、工程师站共计4台、电脑通过以太网口、网线连接至24口以太网交换机上，上位机并安装有STEP7、WINCC等编程调试软件供现场安装调试使用。
4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统现场总线为Profibus-DP网络，由带DP接口的CPU模块（CPU416-2DP）、CP443-5 Ext、ET200M远程站模板构建，4个系统有各自的DP网络、现场操作箱、接线箱等。
CP443-1模板主要用于4#、5#转炉本体及氧枪PLC控制系统、转炉仪表控制系统（含上料系统）、汽化系统、转炉一次除尘系统以及和6#转炉控制系统之间的以太网通讯连接。
（二）主要电气控制系统的功能
1.氧枪升降系统。采用倍加福双圈绝对型高精度编码器检测氧枪位置高度，并加以主令控制器和机械限位配合使用，从而实现氧枪高低速切换自动升降控制及自动提枪和停枪控制。人性化设计，方便操作，可提高操作人员工作效率，缩短冶炼周期时间，提高生产效率。
2.转炉本体倾动控制系统。由转炉倾动PLC系统控制4台直流调速装置，同时驱动4台直流电机，通过减速机构，使转炉可以360°自由旋转；采用倍加福单圈绝对型角度编码器检测炉体旋转角度，当炉体旋转至相应角度区域时实现炉体高低速的自动切换功能，实时检测炉体角度值，其值可通过0°机械限位来校正；为保证4台电机转矩同步，由其中一台为主，其它三台为辅，实现电机主从控制，4台电机平时全部投用，特殊情况最多允许使用一台电机工作，这样当其它三台电机设备故障时，一台电机仍可以应急处理，保证生产不受影响；从而提高转炉炉体操作、控制功能，保证安全連锁生产，提高冶炼效率。
3.转炉氧枪事故提升系统。采用蓄电池供电来提升氧枪，蓄电池供电和氧枪直流调速装置供电，通过编写程序实现交直流供电系统的互锁与切换蓄电池自动提枪功能，以保证转炉因停电而影响转炉安全生产的可靠性，通过事故联锁操作，从而保证转炉氧枪能够及时提出转炉炉内并停至氧枪上限位位置处，完全避免安全恶性事故发生，保证转炉顺利生产和突发事故应急处理。
4.原料系统。控制炼钢所需散装料的备料及下料。散装料通过料仓、给料器、称量料斗、下料溜槽进行控制及联锁，完成定量散装料的加入工作。
5.仪控系统。主要包括汽包液位、除氧器水位、顶吹氧气流量调节、底吹模式及流量调节、二文液压控制以及温度、压力、流量等基础数据的采集处理，同时实现仪表参数和氧枪控制自动联锁，保证生产安全。
6.转炉除尘系统。转炉一次除尘系统主要完成对4#、5#转炉除尘风机和转炉氧枪及转炉本之间的转速联锁控制、煤气联锁回收各阀门控制、仪表参数的采集处理工作。
四、经济效益分析
提高系统响应速度，降低设备故障率。S5系统因系统老化每年都会出现2-3次系统内部故障，使用老式编程器来查看排查处理故障时间较长。系统升级为S7系统后每两年可能会出现1次plc故障情况，且处理时间极短，均控制在1小时以内，对生产的影响几乎可以忽略不计。
系统备件与6#转炉统一，便于备品件的管理，有效降低系统备件储备量。若备S5系统备件，整个系统预计备件费用达到50万元以上，且个别模块市场已经无法购买。升级后备件可以采用与其他西门子S7系统共享备件的方式，则可以大大降低控制系统备件费用。
五、结语
昆钢4#、5#转炉控制系统经过一系列的升级改造及网络优化完善后，一些操作画面的改造方便操作，设计更加合理且人性化；大大降低控制系统备件费用及维护成本；冶炼时间得以大幅度减少，提高了各钢种的质量和出钢率，从而大大降低了操作人员劳动强度，更使昆钢的生产效率和经济效益得到了较大提高。