1           引言

    莱钢特钢厂第一炼钢车间20T电弧炉是于2002年2月经过对原有15T电炉改造后正式投产的偏心底出钢的电炉。整个电炉系统由炉体本体、电极调节部分、液压站、高压开关柜和变压器组成。过程控制采用电气控制、仪表控制和计算机控制三电一体化，提高了控制的可靠性。其中，自动控制系统全部采用西门子S7-300系列PLC完成。

2           工艺概述

    电炉主要完成将废钢冶炼成钢水，供给精炼炉。加料时，高压开关柜分闸，旋转锁定打开，炉盖提起，炉体旋出，天车加料，加完料，炉体旋回，旋转锁定锁住，炉盖盖上，高压开关柜合闸，电极自动升降进行冶炼。出钢时，高压开关柜分闸，水平锁定打开，水平支撑打开，钢包车开到出钢位置，炉体后倾，出钢口打开，钢水流入钢包中，出完钢后由出钢车将钢包运到吊包位置，最后由天车将钢包运往精练炉冶炼。在冶炼工程中，随时可将水平锁定打开，操纵倾炉开关，炉体前倾出渣。

3           自动控制系统构成

    电炉自动控制系统采用2台SIMATIC S7-300 PLC 主站，其中主站I完成炉体本体、液压站、高压开关柜、变压器的控制及各测量监控信号采集、传输和报警,主站II主要完成电极调节控制。其配置主要有主机架、扩展机架、电源、CPU、接口模块、及开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块。一台工程师站完成系统的开发设计及修改优化，一台操作员站完成生产过程监控并修改部分控制参数。两台主站与工程师站和操作员站之间通过MPI现场总线完成数据通讯。自动控制系统构成如图1所示。

4 自动控制系统的功能

    整个电炉系统的自动控制由PLC控制程序完成，实现顺序逻辑控制、联动联锁控制、数据的采集和信号的传输、报警等。同时，在高压停送电控制上有人工紧急停止按钮。

4.1 工程师站与操作员站

    在工程师站，用基于WIN2000操作系统的SIMATIC STEP7 V5.1完成2台PLC主站的硬件组态、站址、地址的分配、站间通讯及用户程序的开发和调试工作。程序采用模块化、结构化编程，应用OB、FB、FC、DB构成整个控制系统。

    操作员站采用研华工控机，监控软件是基于WIN98操作系统的SIMATIC WinCC画面监控组态软件。WinCC实现生产过程的动态显示、部分参数设定、报警限位信息显示等功能，具有很强的实时性^[1]。

4.2 主站I

    主站I主要完成炉体本体控制、高压停送电控制、变压器换压控制、液压站基本控制及炉体、变压器、液压站等处的温度、压力、油位等信号的采集及处理控制。

4.2.1炉体倾动、炉盖旋转控制

    炉体倾动控制是由炉前操作台上的操作开关左右摇动，分别给出左倾/.右倾的信号到DI模块，经程序处理后，由AO模块分别给出0～10V或0～－10V信号到比例阀放大板，经比例阀放大板放大后，控制信号输送到比例阀，通过控制比例阀的动作控制炉体的倾动。炉盖旋转控制原理基本同炉体倾动一样，也是通过控制比例阀的动作控制炉盖的旋转。

4.2.2炉盖升降、炉体旋转锁定、水平支撑/锁定等控制

    炉盖升降控制是由炉前操作台上的操作开关发出升/降不同的信号到DI模块，经程序处理后，由DO模块输出信号经中间继电器控制液压站阀台上炉盖升降电磁阀，由电磁阀不同的动作控制炉盖的升降，其余的炉体支撑锁定及电极卡头的控制原理同炉盖升降一样，他们的控制开关都在炉前操作台上。

4.2.3出钢车控制

    出钢车控制是由炉前操作台上的操作开关发出左/右行的信号到DI模块，经程序处理后，由DO模块输出信号经中间继电器控制出钢车电机接触器的吸合，从而控制钢包车的运行。

4.2.4近控/远控

    倾炉控制和出钢车控制除了主控室炉前操作台上有控制开关外，为方便炉前操作在炉后操作盘上还设有一套操作开关，两套开关之间的切换通过操作炉前操作台上的“近控/远控”选择开关完成。

4.2.5高压停送电控制

    在主操作台有一钥匙旋钮输出停/送电信号给PLC的DI模块，经程序处理后，由DO模块输出经中间继电器控制高压开关柜动作，完成高压停送电。

4.2.6 变压器换压控制

    在主操作台上有一个转换开关控制变压器换压操作的地点是在主控室还是在变压器室，另有两个按钮分别控制升压和降压操作，升压或降压操作按钮发出的开关量信号输入DI模块，经程序处理后，由DO模块输出开关量信号经中间继电器后控制变压器换压继电器动作，从而控制变压器升压或将压，由于变压器档位不能循环操作，因此在程序中加上了换压操作中档位不能小于最低压档位不能大于最高压档位的控制。

4.2.7液压站基本控制

    液压站中高压罐、主液箱和漏夜箱的液位信号及压力信号输入到DI模块，经程序处理后，决定是否由DO模块输出信号，经中间继电器控制高压泵、回油泵、空压机接触器的启动。

4.2.8信号检测及控制联锁

    为了保证电炉系统安全运行，PLC对许多信号进行了采集并参与了控制，包括：旋转锁定锁定/打开限位、水平支撑支撑/打开限位、水平锁定锁定/打开限位、变压器温度、轻瓦斯、重瓦斯信号、过流信号、断路器合闸/分闸信号等。当变压器温度过高或有轻瓦斯、重瓦斯信号、过流信号时，高压开关将分闸；只有高压开关分闸后，炉体本体才能动作。

4.2.9安全联锁及紧急处理

    为保证电炉的安全运行，PLC程序控制中必须有可靠的联锁控制。在主操作台、炉前操作台、炉后操作盘上各安有一个“紧急停电按钮”，他们之间并联使用，并且其控制独立于PLC,当出现紧急情况时，按下此按钮即可使高压开关柜分闸，并处于自锁状态。

4.3 主站II

4.3.1电极手动控制

    主站II主要完成电极手动和自动调节的控制，另外还接收电极上下限位信号及主操作台上对弧流值、电极调节死区范围及灵敏度的修改。电极手动控制是由主操作台上的三个电极升降操作开关控制，操作开关的上摇或下摇分别给出一个开关量信号到DI模块上不同的位地址，经程序处理后，由AO模块分别输出0～10V或0～－10V到伺服阀放大板，信号经放大板放大后控制伺服阀阀芯的上升或下降，伺服阀的不同动作控制液压油路的不同流动方向，从而控制电极的上升或下降。

4.3.2电极自动控制

    在自动控制状态下，弧流、弧压信号分别经过电流电量变送器和电压电量变送器转换成4～20mA的信号到AI模块不同地址，经程序处理后，根据电炉冶炼过程中的实时情况，AO模块会输出不同大小方向的信号到伺服阀放大板，然后到伺服阀，以控制电极实时地以不同的速度上升或下降。另外，电极调节系统还设有一备用伺服阀以增强电极调节的稳定性，工作/备用伺服阀之间的转换通过主操作台上的三个电极控制“工作/备用”转换开关完成，根据转换开关输送的开关量信号，经程序处理后，AO模块会将模拟量信号输送到工作伺服阀或备用伺服阀，由于只有一个备用伺服阀，因此，三个电极控制中只要有一个用了备用伺服阀，另外两个将不能再使用备用伺服阀^[2]。

4.3.3电极调节参数调整

    在主操作台上有六个按钮分别用来调整电极调节中弧流值、死区范围和灵敏度的增减，六个按钮每按一下，发出的开关量信号会输送到DI模块中不同的位地址，经程序处理后，弧流值、死区范围和灵敏度会以一定的幅度增减，直到达到程序设定范围的极限值^[3]。

5  结束语

    系统投入运行至今稳定可靠，整套系统自动化水平高，故障率低，电炉冶炼时间由由改造前180分钟/炉变为现在90分钟/炉，加快了生产节奏，取得了较好的经济效益。

参考文献：

[1]   STEP 7 V5.1 编程手册.  西门子（中国）有限公司.

[2]   STEP 7  WINcc V5.0 速成手册.  西门子（中国）有限公司.

[3]   现代电气控制及PLC应用技术. 北京航空航天大学出版社.2003.8