唐亞洲，唐亞軍，朱曉馳，徐曉亮

（杭州四達(dá)電爐成套設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311305）

在工業(yè)電爐系統(tǒng)中，通常一個(gè)電源柜帶兩個(gè)或者多個(gè)工業(yè)爐體，爐體一用一備或者多爐交替工作，電源與爐體之間的切換通過(guò)換爐開(kāi)關(guān)控制。一代的換爐開(kāi)關(guān)需要通過(guò)手動(dòng)切換銅排與電纜的聯(lián)接來(lái)實(shí)現(xiàn)爐與電源柜之間的聯(lián)接，費(fèi)時(shí)費(fèi)力不說(shuō)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、可靠的控制及狀態(tài)監(jiān)視。二代換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)通過(guò)電控液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)銅排與電纜的聯(lián)接。但是存在需要到換爐開(kāi)關(guān)本地現(xiàn)場(chǎng)操作，液壓換爐系統(tǒng)的狀態(tài)不能實(shí)時(shí)觀察等諸多不方便。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)力，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)安全生產(chǎn)方面起了極為重要作用[1]。工業(yè)電爐是一種大功率高耗電設(shè)備，其工作環(huán)境存在溫度高，粉塵多的特點(diǎn)，提高換爐系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，是保證安全生產(chǎn)的重要途徑，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)人工廠的重要步驟[2]，同時(shí)也是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的重要組成部分。

1 換爐系統(tǒng)的工作原理及控制方式

1.1 換爐系統(tǒng)的工作原理

工業(yè)電爐換爐系統(tǒng)組成如圖1所示（本文以一電兩爐進(jìn)行舉例說(shuō)明）。系統(tǒng)包括兩個(gè)工業(yè)爐爐體，一套液壓設(shè)備，一套電源柜及一個(gè)PLC控制柜。兩個(gè)爐體通過(guò)電纜各自聯(lián)接到液壓設(shè)備的兩端，電源柜通過(guò)電纜聯(lián)接到液壓設(shè)備的公共端。換爐系統(tǒng)跟據(jù)用戶(hù)的指令控制液壓設(shè)備公共端向所需的位置移動(dòng)，從而使所需爐體與電源柜聯(lián)接。

圖1 工業(yè)電爐換爐系統(tǒng)示意圖

1.2 換爐系統(tǒng)的控制方式

原有的控制方式在本地操作箱上，通過(guò)按鈕選擇所需要的工作爐。工作狀態(tài)通過(guò)指示燈在本地操作箱上顯示。存在操作不方便，不能遠(yuǎn)程觀察，工作參數(shù)不能實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題。

現(xiàn)采用PLC控制模式，S7-1500PLC的CPU模塊的響應(yīng)時(shí)間快速，位指令執(zhí)行時(shí)間最短可達(dá)1 ns。用戶(hù)可以通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)接PLC在遠(yuǎn)程客戶(hù)端操作換爐開(kāi)關(guān)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合下30 s左右能完成換爐操作及界面狀態(tài)切換，監(jiān)控?fù)Q爐系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)[3]（自動(dòng)生成爐號(hào)）。能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，保證設(shè)備可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)組成

西門(mén)子S7-1515PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)主要由電源、電機(jī)、液壓閥、液壓油缸、安全與位置回路信號(hào)、本地控制箱、換爐上位機(jī)監(jiān)控等幾部分組成，如圖2所示。換爐開(kāi)關(guān)工作時(shí)，控制系統(tǒng)接收到換爐指令后，會(huì)跟據(jù)安全與位置回路信號(hào)反饋信號(hào)控制電機(jī)與液壓閥動(dòng)作，從而帶動(dòng)液壓油缸的動(dòng)作。

圖2 PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的功能

以西門(mén)子S7-1500PLC為核心的換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，每一個(gè)組成部分都有不同的功能，只有保證不同模塊之間的緊密配合，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)換爐開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)有效的控制。首先，換爐控制系統(tǒng)應(yīng)該能通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)換爐開(kāi)關(guān)的位置，并能在設(shè)備與上位機(jī)上顯示，能夠通過(guò)液壓缸上的傳感器讀取當(dāng)前液壓的壓力值，并能在上位機(jī)顯示并監(jiān)控異常壓力。其次，在換爐開(kāi)關(guān)接收到上位機(jī)換爐指令后，通過(guò)安全與位置回路的反饋信號(hào)來(lái)判斷是否執(zhí)行指令并在上位機(jī)顯示結(jié)果，最大限度實(shí)現(xiàn)爐體跟電源系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

3 西門(mén)子S7-1500PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)西門(mén)子S7-1500PLC換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)時(shí)，可以從系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩部分進(jìn)行考慮，參照控制系統(tǒng)的組成及功能要求，完成整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 西門(mén)子S7-1500PLC換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

PLC具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。根據(jù)客戶(hù)需要，選擇西門(mén)子S7-1500PLC系列，一個(gè)中央處理器采用CPU1515-2PN，該CPU集成了二個(gè)PROFINET通信接口，支持以太網(wǎng)和基于TCP/IP的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可以方便快捷地構(gòu)建上監(jiān)控層和下位控制層之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，來(lái)完成編程調(diào)試、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備邏輯控制等任務(wù)[4]；一個(gè)數(shù)字輸入模塊DI 16X24VDC BA，16位輸入I/O端口接收信號(hào)；一個(gè)數(shù)字輸出模塊DQ 16X24VDC/0.5 BA,16位輸出I/0端口；一個(gè)模擬量輸出模塊AI 8XU/I/RTD/TC ST。此配置充分地考慮了客戶(hù)系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

液壓控制系統(tǒng)是換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中主要的執(zhí)行部件。采用電機(jī)與液壓閥共同作用控制油路方向從而帶動(dòng)液壓油缸的動(dòng)作。根據(jù)液壓泵的實(shí)際使用情況，用式（1）計(jì)算其驅(qū)動(dòng)功率P。

式中：Ψ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，Ψ=pmax/pN，pmax為液壓泵的最大工作壓力，Pa；pN為液壓泵的額定壓力，Pa；QN為液壓泵的額定流量，m3/s；ηp為液壓泵的總效率[5]，取0.8到0.85之間。

液壓閥采用24 V工作的閥。

3.1.1 PLC地址分配

跟據(jù)換爐系統(tǒng)的要求與動(dòng)作原理，PLC I/O分配見(jiàn)表1。

表1 PLC I/O分配

3.1.2 PLC硬件聯(lián)接

一個(gè)安全指令通過(guò)繼電器觸點(diǎn)給PLC。兩個(gè)爐位置信號(hào)通過(guò)換爐開(kāi)關(guān)上的接近開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)爐壓力信號(hào)通過(guò)換爐開(kāi)關(guān)壓力傳感器傳給PLC。換爐動(dòng)作需要控制相應(yīng)的電機(jī)與電磁閥，這里采用了PLC帶動(dòng)6個(gè)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]，如圖3所示。

圖3 PLC硬件接線示意圖

3.2 西門(mén)子S7-1500PLC換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)包括了PLC系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序的開(kāi)發(fā)。

3.2.1 PLC系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

換爐開(kāi)關(guān)的控制流程如圖4所示[7]。

圖4 PLC控制流程圖

3.2.2 PLC系統(tǒng)上位軟件設(shè)計(jì)

上位軟件是PLC換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的核心部分。是整個(gè)系統(tǒng)的操作與監(jiān)控中心。西門(mén)子WinCC軟件是一個(gè)可以在Windows下使用的功能強(qiáng)大的HMI系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)過(guò)程可視化和組態(tài)圖形用戶(hù)界面，可通過(guò)用戶(hù)界面對(duì)過(guò)程進(jìn)行操作控制和監(jiān)視。這里著重介紹用WinCC軟件開(kāi)發(fā)的圖形功能，即主界面功能,如圖5所示。在主界面中可以監(jiān)控各爐合閘狀態(tài)及液壓壓力值，并且在主界面上通過(guò)點(diǎn)擊換爐開(kāi)關(guān)旁邊的“1#爐合閘”、“1#爐分閘”、“2#爐合閘”及“2#爐分閘”按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)換爐操作。

圖5 換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)主界面圖

報(bào)警信息：可以顯示PLC監(jiān)測(cè)的異常信息，如換爐開(kāi)關(guān)液壓值過(guò)低、過(guò)高，其它不允許換爐開(kāi)關(guān)操作的信息。

換爐開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示：用聯(lián)接線上的觸點(diǎn)合表示換爐開(kāi)關(guān)處于合閘，用聯(lián)接線上的觸點(diǎn)分表示分閘狀態(tài)，旁邊配有壓力值顯示。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余及應(yīng)急操作措施

設(shè)計(jì)考慮標(biāo)準(zhǔn)化通用性及功能可拓展性；系統(tǒng)采用壓力、位置連鎖雙重保護(hù)；保留手動(dòng)功能，滿(mǎn)足設(shè)備調(diào)試、維修及工控機(jī)故障時(shí)應(yīng)急使用功能。

4 換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用

寶鋼90 t工業(yè)電爐（合金熔化爐）換爐系統(tǒng)的主要參數(shù)為：三相異步液壓電機(jī)1.5 kW，工作液壓壓力值6～8 MPa。三套90 t設(shè)備采用一電兩爐結(jié)構(gòu)，通過(guò)全自動(dòng)換爐開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了跟接地開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)及熔煉系統(tǒng)爐號(hào)自動(dòng)生成，組成網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 換爐開(kāi)關(guān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)投產(chǎn)以來(lái)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：換爐時(shí)間基本在25 s左右，每月節(jié)約換爐時(shí)間3 h左右，每月故障時(shí)間減少3 h左右，相當(dāng)于每月多煉5爐鋼，每月增加產(chǎn)量500 t左右，全年增加產(chǎn)量6 000 t，效益相當(dāng)可觀。結(jié)合冶煉模型的投用，自動(dòng)上料、自動(dòng)出鋼功能的配合，基本實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)煉鋼，離無(wú)人化工廠的實(shí)現(xiàn)又進(jìn)了一步。

5 結(jié)論

換爐開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)采用了西門(mén)子最近一代的PLC技術(shù)，能夠使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短，節(jié)省了換爐時(shí)間，有效保持液壓換爐開(kāi)關(guān)的壓力，也更容易實(shí)現(xiàn)跟關(guān)聯(lián)設(shè)備的連鎖保護(hù)，大大提高設(shè)備可靠性，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中使得生產(chǎn)周期縮短，設(shè)備故障率降低，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，大大提高了產(chǎn)品自動(dòng)化水平。