炉前三大机之泥炮机控制系统的研究

1、炉前三大机之泥炮机控制系统的研究姓名：唐维夫 工作单位：首自信炼铁二班摘要：高首钢迁钢炼铁分厂3#高炉炉前设备引进德国TMT公司的炉前三大机泥炮机、开口机、移盖机系统。高炉炉前出铁设备中，泥炮主要负责堵铁口，是高炉生产的重要设备，其自动控制必须非常稳定可靠，这样才能保证高炉顺利稳定持续的生产。关键词：钢铁；高炉；出铁口；泥炮机Abstract: 3# Blast Furnace of the the Shougang Qiangang iron-smelting factory equipment introduction of the German company TMT blast fur

2、nace three machine clay gun machine, opening machine, the move cover machine system. In blast Furnace iron equipment, clay gun is mainly responsible for plugging the taphole and the necessary equipment for the production of blast furnace, its automatic control must be very stable, so as to ensure th

3、e blast furnace smooth stable continuous production.Key words: iron and steel; blast furnace; taphole; clay gun0 前言 首钢迁钢炼铁分厂3#高炉引进德国TMT公司的炉前三大机泥炮机、开口机、移盖机系统，应用此系统标志着首钢迁钢自动化炼铁技术又实现了一个新的突破。在炉前TMT三大机自动化控制中，这套设备的工艺复杂、要求严格、安全系数高、连锁关系繁多、控制设备及网络复杂、自动化程度高，是一项较难消化吸收与应用的项目。泥炮是高炉炉前最主要的设备，它主要负责关闭铁口。泥炮现场工作环境恶劣，工

4、作任务重要，所以它最主要的因素就是可靠性与安全性。确保泥炮正常运行，是高炉正常生产的重要保障。通过下图表示铁口是高炉是唯一出产品的地方，高炉内铁水和铁渣只能通过铁口排除，必须保证炉前设备正常工作，才能保证高炉正常运转。图 1 炼铁高炉Fig. 1 Blast furnace1 炉前系统介绍1.1 一、二号炉炉前设备介绍一、二号高炉采用通用的液压泥炮、开口机、凿岩机，手动操作液压阀控制炉前设备运转，无自动化检测和控制，三大机缺乏安全保证和操作依据，全凭经验操作，主观意识太强，所以设备故障率高，可靠性差。控制框图及现场设备图如下：炉前液压站手动操作台阀台现场设备图 1 控制框图Fig. 1 con

5、trol-menu box  图 2 现场设备Fig. 2 locale equipment1.2三炉炉前三大机系统介绍三高炉炉前TMT系统采用西门子S7400PLC控制，两套PLC通过DP网络进行数据交换，每套都由通讯模块IM460和两个IM461连接两个子站，两块功能模块FM451采集现场6个编码器的信号。两个交换机把PLC数据上传到上位机和三高炉环网，上位用WinCC操作。组成两套控制系统E10、E11和E20 、E21，两套液压站，四套出铁场设备TM1、TM2、TM3和TM4，四套开口机雾化装置，四套泥炮机恒温装置。现场设备都是由液压提供动力，自动化主要通过控制阀台

6、的电磁阀、比例阀来控制液压驱动现场设备动作。其中E10、E11电气自动化控制系统控制1#液压站，控制出铁场设备TM1、TM4及附属装备雾化装置和恒温装置；E20、E21电气自动化控制系统控制2#液压站，控制出铁场设备TM2、TM3及附属装备雾化装置和恒温装置。电气MCC柜为所有设备提供电源，包括液压泵电机、现场润滑泵电机供电、现场水泵电机供电和自动化控制系统供电。自动化控制柜是TMT系统控制中心，负责采集现场信号、控制现场设备。系统框图如下所示： 图 3 设备控制框图Fig. 3 Device control block diagramPLC1PLC2交换机1交换机2备用三高炉主控室以太网DP

7、网多模光纤网硬件组态网HMI上位机1HMI上位机2进高炉环网图4 TMT网络图Fig. 5 TMT network diagram炉前TMT三大机有三种操作方式：操作台操作、HMI操作、遥控器操作，每一种操作方式有三种操作模式：正常模式、覆盖模式、安装模式。 正常模式：此模式下操作是非常安全的，所有的机械动作都有连锁，机械的每一步动作必须按顺序操作到位，主要连锁都是通过现场的压力变送器和编码器来实现。正常生产都用正常模式，这样能确保人身、设备的安全。覆盖模式：此模式已没机械连锁，所有的编码器都没连锁，但还有一部分压力变送器参与连锁，机械的每一步动作都是单独执行，且动作都变慢了。这是一种非正常、

8、不安全的操作模式，用于非正常操作设备。安装模式：这种模式不能用于生产，因为它的动作太慢，只用于设备的安装调试，此模式也没连锁。操作台还有一种操作模式紧急模式：此模式不需PLC控制，所有的动作都是通过操作台按钮控制继电器和模拟信号发生器，这些设备直接控制液压阀。所以这种模式没有连锁保互，一般用于紧急情况，如PLC停止或损坏，也可以用于设备的紧急撤回。下图是TMT操作台、遥控器设备图：图5 。TMT操作台、遥控器Fig. 5 TMT main desk、romote controlTMT采用的两套液压站输出压力最高315bar，为设备提供强大的动力，保证在堵铁口时，泥炮能快速旋转到铁口，有足够的动

9、力保证泥炮打泥时不会跑泥和退炮（堵铁口时跑泥或退炮,可造成打泥压力和打泥量不足,造成铁口孔道内有积铁,造成下次开口机难度提供），保护炉门正常。两套液压站互为备用，其中任何一套出现故障时，只要倒换几个液压手动阀，就能实现备用功能，提供炉前设备的稳定和可靠性。下图是液压站和阀台设备图：图6 。TMT液压站、阀台Fig. 6 TMT hydraulic system、valve desk 1.3 总结炉前工作是一项非常重要而又有危险的活，而出铁口是炉缸最薄弱的部位，搞好炉门操作与维护是炉前的关键环节也是高炉生产的重要保证，炉内顺行的重中之重,只有炉门正常，才能保证炉内顺稳、不憋风、多下料。

10、炉前设备是完成炉前工作的重要设备， 他们的稳定运行直接关系到高炉运行状况。从上面的介绍就能知道，三炉采用的都是业界最先进的设备和技术，相比一、二炉的设备，三炉炉前设备加入自动化控制、先进的机器制造技术，对设备有一个质的飞跃，这样不但可以减少操作人员，还提高设备的稳定性及人身安全，最终可以提高铁水生产效率。2 泥炮功能与应用2.1 主要工作此论文的重要意义就是通过学习和解读首钢迁钢3#高炉炉前TMT泥炮、开口机、移盖机自动控制系统、生产工艺及控制思想，研读德国TMT公司炉前三大机之泥炮机的基础自动化控制系统的程序，掌握其控制原理和思想，实现由初步的消化吸收，升级到能够自主进行炉前TMT三大机之泥

11、炮机的自动化系统改造以及开发的目标。2.2 泥炮功能炉前一共有四个出铁口，每个出铁口都有一套开口机、泥炮机、移盖机，泥炮的主要功能就是关闭高炉出铁口，防止出完铁水后喷出炉内焦炭以及矿物质。下面介绍泥炮的主要参数和功能：泥炮机工作参数：机器运行液压压力：315bar、打泥量：0300L、泥炮旋转角度范围：1147°，泥炮还具有检测、实时显示和记录旋转压力、打泥压力、炮泥数量、打泥速度和其他参数的功能。泥炮本身也有冷却/加热水系统、润滑系统等保护系统。 图7. 泥炮Fig 7. Clay Gun2.2 泥炮应用泥炮主要作用就是在高炉某个铁口出完铁水时，把事先泥缸里填满的炮泥打入铁口中，在

12、这个过程中HMI实时显示泥炮选择角度和记录泥炮打泥压力和打泥量，以便生产人员分析铁口状况。下图是铁口切面图：1炉缸焦炭；2炉墙渣皮；3旧堵泥；4残存的炉堵砖；5出铁时泥包被渣铁侵蚀变化情况；6残存的炉底砖；7新堵泥 .图8. 出铁口Fig 8. Taphole泥炮操作顺序：1操作泥炮时确保所有的设备都在初始状态（设备休息位置），液压站设备正常运行，输出油压在315bar，此时阀台泥炮机系统压力变送器显示315bar。2选择操作方式，操作台操作、遥控器操作、电脑操作，操作方式确认。选取泥炮机操作，选取设备确认，现场信号指示红灯常亮。3泥炮准备就绪后，即可操作泥炮机向前旋转，先控制旋转压力先导阀打

13、开，同时旋转比例阀控制按照程序设定开启，当编码器位置到达软接触点7572时（从休息位置到工作位置距离是8620，每次堵铁口时软接触点都是不一样的，它有一个自学习过程），开始控制旋转比例阀减速到压实到位。当旋转编码器位置大于7500并且压实力（旋转向前压力）大于220bar，泥炮到工作位，此时比例阀开最大，保证泥炮在打泥时不会退炮。4当泥炮机压到位时，此时开始打泥，程序先开打泥先导阀，输出液压后再控制打泥比例阀，开始打泥堵铁口。同时显示打泥数量、速度和打泥压力。下图是打泥数量和打泥压力实时记录曲线。图9. 泥炮打泥压力、数量记录曲线Fig 9. The mud gun fight mud pre

14、ssure, the number of recorded curve3 泥炮程序控制泥炮的主要程序功能块，是控制泥炮的核心部件，包括泥炮的旋转、泥炮软接触、泥炮打泥、泥炮恒温柜控制、打泥计算等，下面解读一部分程序：图10. 泥炮主要程序块Fig 10。he main Program block of clay gunFC150泥炮旋转功能块转进：当电源系统正常、液压系统正常并选择泥炮操作时，此时备用泵启动，和主泵一起输出压力315bar；此时选中操作台或遥控器后泥炮允许操作（M150.0）；当操作员操作转进时，并且开口机在休息位、移盖机在休息位、开口机小车在休息位，以上条件满足时转进中间点M

15、150.0得电，打开泥炮旋转先导阀（Q0.0）；此时如果泥炮转进未到减速点（编码器角度大于120°减速，距离铁口300），泥炮比例阀会给出85%输出快速转进，当泥炮旋转角度大于减速点（到减速点后不再需要操作人员给转进操作，程序会保持转进状态）、并未到压实角度时，泥炮比例阀会给出40%输出慢速转进软接触铁口，到压实角度时泥炮比例阀会给出60%输出压实转进，当转进压力大于250bar两秒后，泥炮压实铁口，先导阀、比例阀输出保持，转进操作完毕。转退：当电源系统正常、液压系统正常并选择泥炮操作时，此时备用泵启动，和主泵一起输出压力315bar；此时选中操作台或遥控器后泥炮允许操作；当操作员操

16、作转退时，并且开口机在休息位、移盖机在休息位、开口机小车在休息位，以上条件满足时转进中间点M150.2得电，程序会给出-45%输出控制比例阀开度，泥炮快速转退，如果旋转距离已过减速点（<=7200），程序会给出-20%控制比例阀输出，慢速转退。当旋转距离小于300并延时5秒时，表明泥炮已退回到休息位置。下图是泥炮的旋转速度控制曲线，蓝色线表示，从图中可以看出信号的变化都是缓和增减到设定值。调节蓝色线的斜率和峰值就能控制机器移动速度，这就是TMT软接触的控制思想：这是泥炮堵铁口的流程，在这个过程中泥炮的恒温柜一直在自动调节泥炮的体温，确保泥缸温度合适堵铁口。下图为泥炮正常堵铁口的一些重要参

17、数记录曲线：图11。 泥炮旋转速度曲线Fig 11.The Clay Gun rotation speed curve.图12。 泥炮旋转速度控制功能块Fig 12.The Clay Gun rotation speed functional  control blockFC151 泥炮软接触控制在这段程序中主要是处理泥炮旋转编码器采集的数据，首先把编码器的数据08620转换为0147°的角度值放到DB52.DBW8中，在上位机设定的值都是跟DB150.DBD32（量程08620）中的数做计算。每次堵铁口后，会把这次泥炮旋转的最后位置记录下来，已确定铁口泥套的位置

18、，用于判断泥套是否正常。泥炮最后位置还用于计算下次软接触点，确保每次堵铁口时泥炮以相同的速度撞击泥炮。图13. 泥炮工作点Fig 13。Clay gun work pointFC152泥炮打泥泥炮有打泥和装泥：装泥都在泥炮处于休息位子用本按钮操作，这时别的操作方式都无法操作泥炮，打泥：正常模式只有在泥炮在工作位即M151.0为1时（覆盖模式没有此连锁要求），在泥炮准备好，这时操作泥炮打泥，程序输出M152.0，泥炮打泥先到阀开Q0.2，比例阀输出开63%，当打泥压力大于310bar时，说明泥已全部打完活塞顶到头了，关闭程序。退打泥活塞没有连锁，只要在泥炮本地操作或其他操作方式连锁，操作退打泥活塞，程序输出M152.1，泥炮打泥先到阀开Q0.2，比例阀输出开-60%，泥炮活塞退回，当推活塞压力大于280bar时，即活塞退到位，关闭程序。FC153泥炮恒温控制系统温度采集PLCPLC输出气动调节阀PID控制HMI温度设定恒温系统中循环水泵，在供电正常，操作台把恒温系统打开，只是水泵就允许。现场采集泥炮循环水进口和出口两个PT100的温度点，用于PID控制，调节冷水和热水阀的开度来调节泥炮泥缸温度。保证炮泥有合适的温度利于堵铁口。下图是控制框图和程序主功能块图14. 恒温柜PID控制Fig 14。temperature control by P