冶金生產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化綜述

1、冶金工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展綜述前言：我們復(fù)興的偉大目標(biāo)，2020年我國實(shí)現(xiàn)GDP翻兩番。鋼鐵材料必定成為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必選材料。鋼鐵工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展是我國GDP翻兩番和實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化的重要支撐條件。在強(qiáng)勁市場需求的推動(dòng)下，近年來我國鋼產(chǎn)量以超過20的增幅高速增長，2003年達(dá)2.234億噸，連續(xù)8年位居世界第一。我國已成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費(fèi)國，鋼鐵業(yè)高速發(fā)展也造成了我國能源緊張，制約了鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。我國鋼鐵行業(yè)消耗的能源占整個(gè)工業(yè)總量的10，能源消耗比發(fā)達(dá)國家高15%20%，節(jié)能不僅是企業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品市場競爭力的重要途徑，更是企業(yè)必須承擔(dān)的促進(jìn)全社會(huì)資源永續(xù)利用的重要責(zé)任

2、，也是促進(jìn)企業(yè)以及整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的永恒主題，因此，利用冶金自動(dòng)化系統(tǒng)做好鋼鐵業(yè)的節(jié)能工作對(duì)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。 中國冶金自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)伴隨著現(xiàn)代化鋼鐵工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。就首鋼而言，從1919年成立至今已經(jīng)九十年了，前四十年受歷史時(shí)代的影響，首鋼冶金自動(dòng)化工作幾乎沒有發(fā)展，從1959年算起，水銀整流器、直流調(diào)速裝置等開始應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)，這也標(biāo)志著首鋼自動(dòng)化應(yīng)用開始走入人們的視野。1. 冶金自動(dòng)加熱控制技術(shù) 加熱爐是熱軋廠內(nèi)不可缺少的設(shè)備，其工作狀態(tài)將對(duì)熱軋產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本產(chǎn)生直接的影響。目前盡管整體上國內(nèi)冶金企業(yè)中加熱爐的自動(dòng)控制水平已有很大提高，但仍有一定數(shù)量的

3、加熱爐的控制水平比較落后，難以保證鋼坯的加熱質(zhì)量，同時(shí)還造成燃料浪費(fèi)及煙氣污染環(huán)境等問題。為解決這些問題提高加熱爐的控制水平，必須加速自動(dòng)化加熱控制技術(shù)的應(yīng)用與更新。2.1 DCS 系統(tǒng)在冶金加熱爐中的應(yīng)用DCS( Distributed Control System) 系統(tǒng)是一種在功能上分散, 管理上集中的新型控制系統(tǒng), 與常規(guī)儀表相比具有可靠性高, 控制功能豐富, 自動(dòng)化整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展, DCS 系統(tǒng)的控制功能更加完善。DCS 雙交叉溫度控制系統(tǒng)用于冶金加熱爐燃燒控制, 較好地解決了傳統(tǒng)溫度控制燃料熱損失大、熱效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重的缺點(diǎn), 提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低了能

4、源消耗, 極大地提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平。 圖1 表示出了以重油為燃料的軋鋼加熱爐燃燒過程中空氣過剩系數(shù)、熱損失和燃燒效率關(guān)系。 圖2 為改進(jìn)型雙交叉調(diào)節(jié)原理圖。這種改進(jìn)型雙交叉調(diào)節(jié)原理是在雙交叉調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上, 為克服雙交叉調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)而采取的一項(xiàng)改進(jìn)措施。 2.2 集散控制系統(tǒng)在連續(xù)式加熱爐中的應(yīng)用 為實(shí)現(xiàn)控制分散、危險(xiǎn)分散、操作與管理集中的目的，系統(tǒng)采用集散控制方式。根據(jù)加熱爐結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)由一臺(tái)管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)MC 和若干臺(tái)智能數(shù)字控制器SDC 組成。 管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)可對(duì)控制系統(tǒng)中各項(xiàng)控制參數(shù)及加熱爐的各項(xiàng)過程參數(shù)進(jìn)行管理，操作和監(jiān)視。通過各種外設(shè)提供的與爐內(nèi)各段溫度、

5、燃料流量及空氣流量有關(guān)的數(shù)據(jù)、圖像、曲線、報(bào)表等資料為操作人員實(shí)時(shí)掌握爐內(nèi)燃燒狀態(tài)并進(jìn)行正確的操作提供了依據(jù)，同時(shí)為生產(chǎn)管理人員統(tǒng)計(jì)分析加熱爐的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)帶來極大的方便。 各臺(tái) SDC 通過組合形成加熱爐內(nèi)各加熱段和均熱段的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)和抗干擾能力，各段控制均采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)由兩個(gè)并行的回路組成，即燃料流量調(diào)節(jié)回路和空氣流量調(diào)節(jié)回路，分別對(duì)燃料流量和空氣流量進(jìn)行控制外環(huán)為溫度環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)各段溫度的控制，從而保證各段的溫控精度及升降溫速度。由于內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)對(duì)燃料流量與空氣流量的波動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用，從而大大減小了由于二者的波動(dòng)而引起的溫度波動(dòng)，提高了系

6、統(tǒng)的溫控精度及抗干擾能力。3.對(duì)冶金系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐、連鑄、連軋機(jī)的基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)3.1 轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉周期短、產(chǎn)量高、反應(yīng)復(fù)雜，但用人工控制鋼水終點(diǎn)溫度和含碳量的命中率不高，精度也較差。為了充分發(fā)揮氧氣轉(zhuǎn)爐快速冶煉的優(yōu)越性，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，降低能耗和原料消耗，需要完善的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)它進(jìn)行控制。典型的氧氣轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化系統(tǒng)由過程控制計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)和各種自動(dòng)檢測(cè)儀表、電子稱量裝置等部分組成。按設(shè)備配置和工藝流程分為供氧系統(tǒng)，主、副原料系統(tǒng)，副槍系統(tǒng)，煤氣回收系統(tǒng)，成分分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制范圍包括：散狀料、轉(zhuǎn)爐本體、汽化冷卻、煙氣凈化及風(fēng)機(jī)房五

7、部分。有些大型的轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化系統(tǒng)除了有轉(zhuǎn)爐本身的控制系統(tǒng)外，還包括有鐵水預(yù)處理系統(tǒng)、鋼水脫氣處理系統(tǒng)和鑄錠控制系統(tǒng)等。3.2 連鑄自動(dòng)化連鑄自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由生產(chǎn)管理級(jí)計(jì)算機(jī)、過程控制級(jí)計(jì)算機(jī)、設(shè)備控制計(jì)算機(jī)、各種自動(dòng)檢測(cè)儀表和液壓裝置等組成。它能完成7種控制功能：中間罐和結(jié)晶器液面控制；結(jié)晶器保護(hù)渣裝入量控制；二次冷卻水控制；拉坯速度控制；鑄坯最佳切割長度控制；鑄坯跟蹤和運(yùn)行控制；連鑄機(jī)的自動(dòng)起鑄和停止控制。3.3 連軋機(jī)控制系統(tǒng)隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的要求日益提高，如軋制每卷重45噸的冷連軋薄帶鋼卷，要求厚度公差為±（550）微米，冷連軋機(jī)最高軋速達(dá)40米秒以上，熱連軋年產(chǎn)量達(dá)

8、500萬噸以上，冷連軋年產(chǎn)達(dá)100萬噸以上，對(duì)連軋機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。圖6為5機(jī)架冷連軋機(jī)利用17臺(tái)計(jì)算機(jī)組成集散控制系統(tǒng)，在主控制臺(tái)的控制下，分為過程監(jiān)控、操作監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控三級(jí)，包括各種自動(dòng)檢測(cè)儀表、電子裝置、液壓裝置等組成的局部控制系統(tǒng)。按功能來分，整套軋機(jī)控制系統(tǒng)分為速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓下位置控制系統(tǒng)、軋制力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、彎輥數(shù)字控制系統(tǒng)、板型控制系統(tǒng)、側(cè)導(dǎo)板自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)換輥系統(tǒng)、進(jìn)出料自動(dòng)控制系統(tǒng)等。從上卷、穿帶、軋制參數(shù)設(shè)定直到軋制厚度控制和數(shù)據(jù)記錄打印等已全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。4.水資源自動(dòng)循環(huán)利用與分析技術(shù)4.1 煉鋼RH 精煉裝置

9、循環(huán)水系統(tǒng) 梅鋼一煉鋼2 號(hào)RH 精煉裝置軟水閉路循環(huán)水系統(tǒng)主要為RH 精煉裝置的頂槍、預(yù)熱槍、真空槽、氣冷器、液壓站等主體設(shè)備提供冷卻水，水質(zhì)為軟水，水量為250 m3 /h，供水壓力1. 0 MPa。經(jīng)上述設(shè)備使用后的水僅提高了水溫，循環(huán)冷卻回水利用余壓經(jīng)過蒸發(fā)空氣冷卻器冷卻，冷卻后的水通過3 臺(tái)循環(huán)供水泵( 二用一備) 加壓后送用戶使用。蒸發(fā)空氣冷卻器自帶噴淋泵和風(fēng)機(jī)，自成噴淋循環(huán)水系統(tǒng)。整個(gè)閉路循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水量為8 m3 /h，通過兩臺(tái)補(bǔ)水泵( 一用一備) 向循環(huán)供水泵吸水管內(nèi)補(bǔ)充軟水。為確保系統(tǒng)的的水質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)中設(shè)置自動(dòng)加藥裝置，給系統(tǒng)投加緩蝕劑。 頂槍、預(yù)熱槍、真空槽、氣冷器等設(shè)

10、備事故用水的水質(zhì)、水壓要求均不同。真空槽、氣體冷卻器事故用水要求: 水質(zhì)為生產(chǎn)新水、壓力0. 3 MPa、水量70 m3 /h，這部分事故水采用室外生產(chǎn)新水管網(wǎng)直接供水方式，接管管徑為150 mm，停電時(shí)迅速打開管路氣動(dòng)閥即可安全供水。頂槍、預(yù)熱槍事故用水要求: 水質(zhì)為軟水、壓力0. 3 MPa、水量為80m3 /h，這部分事故水采用安全水箱的供水方式，此水箱既作為安全水箱又作為系統(tǒng)的穩(wěn)壓水箱，水箱設(shè)置高度40 m，有效容積45 m3，其中35 m3 作為事故狀態(tài)30 min 用水，5 m3 作為閉路系統(tǒng)水量膨脹變化用水，停電時(shí)迅速打開管路氣動(dòng)閥即可安全供水。事故水箱一般設(shè)置在室外水處理區(qū)域，

11、本工程事故水箱設(shè)置在2 號(hào)RH 精煉裝置的加料及抽真空系統(tǒng)主廠房屋頂( 標(biāo)高40 m) 上。4.2濁循環(huán)水系統(tǒng)例如，梅鋼一煉鋼2 號(hào)RH 精煉裝置濁循環(huán)水系統(tǒng)主要為其蒸汽冷凝器提供冷卻水，冷卻水經(jīng)過冷凝器后溫升16 ，懸浮物( SS) 平均增加量為70mg /L。本系統(tǒng)循環(huán)供水量為1 400 m3 /h，回水量1 430 m3 /h( 含30 m3 /h 蒸汽冷凝水) 。冷凝器回水通過直徑700 mm 回水管從主廠房重力流至室外濁循環(huán)水系統(tǒng)熱水池，熱水池的水經(jīng)上塔揚(yáng)送泵組送冷卻塔冷卻，冷卻后的水回冷水池，再通過系統(tǒng)供水泵組送至冷凝器。為滿足用戶對(duì)水質(zhì)的要求，系統(tǒng)設(shè)置2 臺(tái)處理能力為800 m3

12、 /h 的高速過濾器進(jìn)行全過濾。為減少冷卻塔水池中的細(xì)菌和藻類，在濁循環(huán)水泵房內(nèi)設(shè)置1 套加藥裝置。4.3 水儀表 水處理系統(tǒng)所用的儀表大致可以分為兩大類: 一類屬于檢測(cè)生產(chǎn)過程物理參數(shù)的儀表，如檢測(cè)溫度、壓力、液位、流量的熱電阻、壓力變送器、液位變送器和流量計(jì); 另一類屬于檢測(cè)水質(zhì)的分析儀表，如檢測(cè)水的濁度、酸堿度、電導(dǎo)率的濁度儀、pH 儀和電導(dǎo)率儀以及檢測(cè)有機(jī)碳和氧化還原的TOC 計(jì)和ORP 計(jì)。 例如，ORP( Oxidation-Reduction Potential) 計(jì)是測(cè)量氧化還原電位差的儀表。氧化還原電位能幫助我們了解水體中存在什么樣的氧化物質(zhì)或還原物質(zhì)及其存在量，是水體的綜合

13、指標(biāo)之一。氧化還原電位差是一個(gè)物質(zhì)與另一個(gè)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)作用時(shí)吸收電子而產(chǎn)生的電位差，氧化還原電位可用能斯特方程式表示:Eh = Eh0 + ( 2. 303RT /nF) × log( Ox /Red)式中，Eh0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位; Ox為氧化物溶液的濃度; Red為還原物溶液的法與pH 計(jì)相同: 比較被測(cè)量液中金屬電極( 金或鉑) 電位與比較電極電位的電位差。目前冷軋廢水區(qū)域有兩臺(tái)美國德菲公司產(chǎn)品，型號(hào)為T23-ORP /A-Vm 的ORP 分析儀用來測(cè)量含鉻廢水。5.大型物料輸送自動(dòng)控制系統(tǒng) 舉例介紹中冶京誠自主集成的大型物料輸送自動(dòng)控制系統(tǒng)及在秦皇島港煤五期項(xiàng)目中的應(yīng)用，在硬件配

14、置、軟件設(shè)計(jì)、算法研究與應(yīng)用等幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行情況證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和穩(wěn)定性。 秦皇島港煤五期工程自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場安全檢測(cè)元件( 拉線開關(guān)、跑偏開關(guān)、撕裂開關(guān)、堵塞開關(guān)、料流開關(guān)、欠速開關(guān)、溫度開關(guān)等) 、控制單元( PLC) 、監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。主要包括: 膠帶機(jī)流程控制系統(tǒng)、大機(jī)控制系統(tǒng)、灑水系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、工業(yè)電視和大屏幕顯示系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)廣播系統(tǒng)、皮帶秤管理系統(tǒng)和電能量管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)。以美國AB 公司ControlLogix 系列可編程控制器( PLC) 、新型檢測(cè)元件、現(xiàn)代化的總線技術(shù)和專門開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的

15、控制軟件包為核心，針對(duì)裝卸工藝特點(diǎn)制訂而成。主要完成工藝流程操作所要求的流程順序啟動(dòng)、順序停止、故障停機(jī)、流程切換及系統(tǒng)操作、監(jiān)控等功能。圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖6.鋼卷庫管理系統(tǒng)物流合理化 鋼卷庫管理系統(tǒng)是鋼廠制造執(zhí)行系統(tǒng)的子系統(tǒng), 主要負(fù)責(zé)對(duì)鋼卷庫內(nèi)進(jìn)行物流管理, 作業(yè)管理和設(shè)備跟蹤和控制。 鋼卷庫的物流主要是鋼卷從入庫到發(fā)貨經(jīng)過鋼卷下線、卸車、檢驗(yàn)、保管、包裝、撿出、裝車、發(fā)運(yùn)等作業(yè)環(huán)節(jié), 整個(gè)作業(yè)在計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的控制下進(jìn)行 2 。在熱軋生產(chǎn)線下線的鋼卷經(jīng)過稱重和噴印后, 軋線過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)立即向鋼卷庫管理系統(tǒng)傳送鋼卷的信息。操作人員根據(jù)鋼卷的屬性(原料卷或直發(fā)卷)、取樣狀態(tài)和

16、去向, 對(duì)鋼卷進(jìn)行垛位的預(yù)約。庫工選擇運(yùn)輸鋼卷入庫的車輛, 制定運(yùn)輸單。運(yùn)載車輛司機(jī)根據(jù)運(yùn)輸單, 將車?？吭阡摼矶馕凰诘膮^(qū)域。庫內(nèi)指車工根據(jù)庫內(nèi)天車任務(wù)量, 指派天車將鋼卷放入垛位。任務(wù)完成后以批處理的方式更新系統(tǒng)信息。同一批次入庫的鋼卷進(jìn)行取樣質(zhì)檢, 質(zhì)檢合格的鋼卷信息存入生產(chǎn)庫。生產(chǎn)庫的庫工對(duì)庫內(nèi)的鋼卷進(jìn)行巡查,判斷鋼卷的外形和包裝是否合格以及垛賬信息與實(shí)物信息是否對(duì)應(yīng), 然后對(duì)鋼卷進(jìn)行打捆、貼標(biāo)簽, 將鋼卷信息轉(zhuǎn)入銷售庫。在銷售庫質(zhì)檢合格的鋼卷進(jìn)行發(fā)貨作業(yè), 不合格的鋼卷轉(zhuǎn)到中間庫。鋼卷庫物流流程如圖1所示。圖1􀀁 鋼卷庫物流流程圖7.結(jié)論我國鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)狀況、技術(shù)裝備水平和企業(yè)管理水平各不相同，建設(shè)能源管理中心時(shí)，現(xiàn)代