摘 要：随着电弧炉冶炼技术的不断发展，电弧炉炼钢日渐成熟，电弧炉和钢包精炼LF炉得到广泛的推广应用。钢包精炼LF炉作为电弧炉的一个分支，本文以钢包精炼LF炉为基础共同探讨钢包精炼LF炉的控制系统开发和优化。
关键词：LF钢包精炼炉；生产工艺；硬件配置；控制功能
中图分类号：TF769.2 文献标识码：A
1概述
电弧炉冶炼过程的主要技术要求是:高生产率、低电耗、较高且合理的功率因数。为了满足上述技术要求，近代LF钢包精炼炉炼钢过程都立足于自动控制。为了降低电能消耗和达到合理的电网功率因数，首先要实现电极升降自动控制，这也是钢包精炼炉炼钢的关键所在。电极调节要求快速跟踪电弧电流、电压信号，要求存储容量大，通讯能力强，需要单独使用一套控制系统以满足生产要求。钢包精炼炉炼钢是连续性热线生产，要求较快的生产节奏，要求控制系统具有在线维护功能，即在不停止其他子系统正常运行的前提下，能够对出现故障的部分进行更换。另外，在生产过程中产生的高次谐波和强大的磁场对控制系统的运行提出了严格的要求，因此，应该设置两台PLC共同完成对整个精炼炉生产线的控制。经全面权衡、比较，精炼炉炉体自控系统选用Rockwell公司性能价格比优秀的ControlLogix RSLogix5000系列 PLC;精炼炉电极控制由于要求反应迅速、控制点数较少选用Rockwell公司的RSLogix5000 PLC。这两套系统通过DeviceNET控制总线联接成车间控制级网络。监控软件采用INTACH，它是一种具有生动用户界面的先进系统，其功能可随任务增加，它为用户提供了安全保障，能保证数据的完整性,是全面开放的软件。
2 钢包精炼炉生产工艺概况
本文以某钢厂转炉炼钢120吨LF钢包精炼炉为依据，LF-120t公称容量120吨。变压器的额定容量为2100kva，变压器一次额定电压35kV，变压器二次电压分11级:从360V-324V-240V。通过转炉炼钢初步调整钢水的成分，温度和成分满足要求之后，把钢水倒入钢包，再把钢包开到精炼位，开始精炼，精炼进一步调整钢水的温度和成分，使之符合所炼钢号的成分。精炼完毕，把钢包开到吊包位，吊往连铸机。精炼过程中，在车间调度室集中进行调度管理。
它的工作过程可简单概括为:主液压泵启动、变压器油泵启动，然后三电极提升, 炉盖上升，注入钢水的钢包就位。接着炉盖下降、三电极下降，开始精炼。精炼过程中需测温、取样、化验、添加合金。经测温和化验，钢水的温度和成份合格后，炉子开关断开，电极提升，炉盖上升，由钢包车将其运到吊包位。钢包车开向吊包位的过程中，可停下来，通过喂丝机进一步微调成份，然后继续开向吊包位。
生产工艺示意图参见图1:
3 LF炉精炼数模控制技术方案
3.1 LF炉精炼模型控制技术的初期设计
3.1.1 保证设计的升温速度
一般设计的LF处理时间约45分钟，这段时间是钢包精炼炉-精炼-连铸三联环过程中的枢纽，如果因故延迟就会影响前后工序，轻者使全车间生产节奏放慢，加大了能耗，严重时会打乱全厂的生产秩序。为了确保上述的升温速度，实际上就是要保证有相当大小的有功功率输入，以及一个有一定静动态指标的电极调节系统。基于快速性和冶炼初期控制精度要求相对较低，所以拟采用快速最优方案-恒阻抗控制，实现电极升降控制系统能无超调的快速调整。
3.1.2 保证钢包的寿命
精炼钢包的使用次数是影响精炼钢经济效益的关键环节。但是，在LF炉电弧加热时并没有向超高功率钢包精炼炉那样装备有水冷炉壁，因而外露的电弧将对钢包耐火材料产生直接的，强烈的辐射、烧损作用，如果不采取措施，将大大降低钢包的寿命。由于第二相短网阻抗对于其它两相为小，在同样电压下电弧功率就大，所以导致2号电极附近的钢包耐火材料早期局部烧损，钢包其他部位耐火材料仍完好，致使钢包寿命大大降低。为了从根本上解决这一问题，需通过对三相电极调节系统的适当调整来改善功率不平衡问题。因而引入了恒功率及三相功率平衡控制的设计思想。
3.1.3 确保严格的LF炉处理时间
为了保证LF炉的全部处理时间为规定值，除了要有足够的升温速度之外，其它非升温占用的处理时间也要在规定时间内完成。因而LF炉处理过程的全部电气设备必须满足以下要求，配合整个冶炼生产线的快速节奏。钢包车、炉盖升降系统工作可靠，有一定的静态工作速度;由于在加料、测温等过程均需停电并手动升起电极，因而电极调节系统的手动升降速度必须满足要求;测温系统、风动送样系统要求快速、准确。
3.1.4 现场采集经验，丰富完善软件智能
在现场数据采集期间，与岗位操作人员及管理人员广泛交谈，听取操作人员的工作经验和操作方法，结合实际反复对比、分析、验证，收集整理后，吸取其精华，对软件程序进一步修改完善，增设功能。如针对精炼期钢液平稳，电弧较稳定，但起明弧，热效率低，设计了恒弧长控制的方案。使电极调节系统的控制方式更灵活，具有更强的智能性、多段特性，获得最佳调节效果。
3.2 控制策略确定及系统工作原理
钢包精炼炉炼钢是复杂的物理化学过程，冶炼过程各阶段千变万化，干扰不同，功能不同，对电极升降控制性能要求也不相同。因而国内外学者对电极升降自动控制曾做了大量工作，以期能实现低能耗和高功率因数的目标。自1970年以来，先后提出了电极动态最优控制、电极动态功率控制、电极阻抗在线控制、电极调节系统参数辨识方法、电极调节系统辨识和自校正控制等。本方案是根据LF炉炼钢过程特点，在深入分析其机理的基础上，提出的LF炉精炼模型控制，是一种基于快速性和灵敏性相结合的智能复合控制方案。
电极升降智能复合控制框图如图2所示:
图2中Ih、Uh为弧压、弧流实时采样信号，ls为给定弧长，lp为根据实测值计算所得弧长。规则集根据弧长偏移量确定，组成简单的规则集。伺服阀，控制电极上升或下降，从而实现对Z值的调节。
4 计算机系统硬件配置
4.1 系统硬件选型
从钢厂的实际情况出发，针对工艺的繁杂性，考虑到备品备件的一致性，本着先进、可靠的原则，进行各种方案分析、对比，最后决定选用Rockwell公司的Logix5000系列PLC。监控软件采用Rockwell公司的INTACH,运行于windows nt平台。通过INTACH,可以实现对生产过程的全面监控，并且可以对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过c语言脚本，可以把各种报警通过声卡播放出来。
4.2 系统硬件配置
4.2.1 精炼炉电极调整PLC硬件配置
选用Logix5000L55M控制器, Logix5000的出色表现在于:极高的可靠性，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模板，便捷的操作。其中，选用1756系数字量、模拟量输入\输出模块，DeviceNet接口模板用以完成和车间级控制总线网络的连接，一套智能测温取样检测仪，监控站（和PLC通讯通过EtherNet/IP以太网控制协议）。
4.2.2 精炼炉本体控制PLC硬件配置
Logix5000L55M具有速度相应快，用户内存大，内置RS-232通讯接口,而且可以选配EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、Data Highway Plus、Universal Remote I/O、serial DH-485、SynchLink通讯卡间，满足编程需要。它的数字量处理能力和模拟量处理能力完全能够满足实际I/O点数的需求，并且预留了将来的扩展能力。另外配置一块DeviceNet通讯卡以完成和DeviceNet网络的连接。
数字量输入模板选用1756-IB系列,输出模板选用1756-OB系列,它们均是24vdc,32点的数字量模板。所有的输出通道通过24v继电器和外部强电设备隔离，这样保证了信号不受外部电磁干扰。
模拟量输入模板采用1756-IF:它是16路模拟量输入模板，除能够接受标准信号外，还可以接受热电阻，热电偶等信号以及标准4~20ma和1~5v以及热电偶等信号。
所选模板大都具有自诊断功能，能够通过自身的状态指示灯指示各种故障或将故障信息发给CPU。这样，维护人员可以尽快的查出故障原因，采取相应的措施。
所有的模板均可以带电插拔，并且由于采用后联接器连接，维护人员可以在不进行全系统停电的情况下迅速更换损坏的模板，保证生产的连续进行。
本工程自动化总体方案以“集散控制、分层结构”为主要特点，整个自动化系统可分为三层:
第一层:现场参数检测与终端执行
第二层:分散的数据处理、过程控制
第三层:集中操作监视
精炼炉生产线系统结构如图3所示。
5 计算机系统控制功能的实现
5.1 精炼炉电极自动调整控制
精炼炉电极升降自动控制系统，是一个PC+PLC+智能检测仪表组成的分布式控制系统，根据控制方案中所述控制思想，利用数学模型，通过定义规则集，复合恒阻抗控制、恒功率控制、三相功率平衡控制、恒弧长控制、自适应的PID控制多种控制方法，以实现电极升降的精确调节。
5.1.1 弧流、弧压给定检测:采用电压变送器和电流变送器将弧流、弧压转变为标准4~20mA信号，送入模拟量输入模块1756-IF，同时上位机将给定信号送入PLC，线路简单，结构紧凑，减少了故障点，提高了可靠性。
5.1.2 精炼炉变压器电参数测量:该系统使用一套智能表计，输入标准的三相5A和100V电信号就可以检测到精炼炉运行状态的电参数，如三相或单相的电流有效值，电压有效值，有功功率，无功功率等传向PLC和上位机，从而对精炼炉的运行状态进行分析，为优化提供必要的依据。
5.1.3 调节器采用可组合多种控制方法的模型控制，具有多段特性、智能型，以适应炉内的变化，获得最佳效果调节。
5.1.4 系统具有最大电流限流保护、短路快速提升保护、单电极触及物料自停保护、正常跳闸保护功能。
5.1.5 手动操作系统:以保证在自动调节有故障时，不影响冶炼。
5.2 精炼炉本体控制功能
5.2.1 检查故障、报警
包括:流量、温度、变压器瓦斯保护、高压保护、液压系统保护等共34项报警，进行声光及画面报警。
5.2.2 液压泵与变压器油泵
l液压泵工作情况
两台液压泵运行，一台液压泵为备用。当有液压系统最高油温、液压系统过滤器污染、液压系统最低油位故障信号时，自动切断液压泵。
l变压器油泵
控制起动、关闭。设备本体机旁控制，集中监视。
5.2.3 炉盖上升/下降
炉盖上升到上位后，自动停止上升;炉盖下降为点动。
5.2.4 炉盖上的门开/关
自动控制/机旁均能打开、关闭，以便于测温、取样、加合金。
5.2.5 炉子工作状态及电极1-3逆止阀工作情况
实现炉子冶炼处于自动/手动状态的控制。电极1-3逆止阀的自动动作用于配合电极智能升降调整的控制。
5.2.6 炉子高压开关闭合/断开
联锁所有高压相关信号:位置、流量、温度、过载保护、紧急切断、电源、电极自动调节相关信号，安全可靠的实现了高压开关合闸、紧急自动分闸、正常分闸。
5.2.7 分级开关控制电压
实现方法:通过选择开关输入计算机当前所需电压（对应调压开关的档位），与当前所用电压比较来控制电压的升降。
5.3 监控画面
我们绘制了一幅工艺监控画面，一幅电气参数画面，两幅生产运行画面，三幅仪表监控画面，四幅相应的报警画面以及历史趋势画面。
工艺监控画面分别是精炼炉炼钢工艺画面。在工艺画面中形象的绘制了其工艺流程以及当前电压档位和电极、炉盖、钢包车的实时位置等。
电气参数画面显示三相电极运行的各相电气参数，有功功率，无功功率，视在功率，cosφ等。
生产运行画面显示日历时间、炉号、班次、送电时间、出钢时间、热停工时间、电耗，电极各相运行的电弧电流、各相电压。
仪表监控画面实时显示冷却水流量、温度，炉身冷却室温度等重要工艺热工参数。
程序中每个报警信号均在相应的画面中显示，同时伴有声光报警。INTACH具有综合报警管理功能，在报警总汇里显示所有的报警信号，报警时间，报警值，报警优先级，通过c语言脚本，可以把各种报警通过声卡播放出来。
5.4 报表功能与历史趋势
生产中的一些参数，需要及时打印，可形成报表。报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可手动任意时间打印。一些重要参数，如高压合闸、电极调节柜故障等，我们对其进行历史数据存储，形成历史趋势，可以随时进行查看。
结束语
LF炉精炼模型控制技术达到的效果: 电极响应时间