Scientific Journal of Control Engineering December 2013, Volume 3, Issue 6, PP.391-396
Design and Application of Control System for KR Desulfurization in Hot Metal Pretreatment of Xuanhua Iron and Steel Corporation Yong Li WISDRI Engineering Technology Co., Ltd, the Second Department of Automation, Wuhan Hubei 430223, China Email: yliwisdri@163.com
Abstract The KR desulfurization is applied in hot metal pretreatment of Xuanhua Iron and Steel Corporation, and its control system is composed by the Preparing and adding control system, the stirring head lifting control system, and the control system of rotational speed, etc. Combined with the debugging process, the whole control system is deeply investigated. Indeed, the PLC system produced by AB Corporation is illustrated; the approach of controlling the rotational speed and lifting is introduced. In particular, the control of lifting is with high-accuracy and accurate positioning of the alignment device could be achieved. Keywords: Desulfurization; ControlLogix; Rotation Velocity Control; Lift Control
宣钢铁水预处理 KR 脱硫控制系统设计与应用 李永 中冶南方工程技术有限公司 自动化二所，湖北 武汉 430223 要：宣化钢铁公司炼钢厂铁水预处理系统采用 KR 工艺，其控制系统主要包括备料与加料控制系统、搅拌头提升
摘
控制系统、搅拌头旋转速度控制系统等。本文结合电气调试过程，对整个控制系统进行了深入研究，重点对 AB 公司 PLC 系统进行了说明、对转速控制和提升控制进行了介绍。其中搅拌头的提升控制效果明显，系统对位能设备可以做 到精确定位。 关键词：脱硫；ControlLogix；转速控制；提升控制
引言 宣钢铁水预处理项目是宣化钢铁公司新建炼钢 150 吨转炉配套项目，含两套单工位机械搅拌法（KR）铁 水脱硫站，每套脱硫能力设计为 188.5 万 t/年，已分别于 2011 年和 2012 年投产。 本文对宣化钢铁公司炼钢厂铁水预处理控制系统的构成、软/硬件配置、网络架构、特殊功能等方面做了 详细介绍，对备料、加料、搅拌、提升等环节进行了说明，其中对转速控制和提升控制的原理和功能进行了 重点描述，最后对现场应用结果进行了分析。
1 工艺特点 目前主流的铁水预处理脱硫工艺有以下两种： （1）镁粉喷吹法，用氧化镁喷吹至铁水处与铁水中的硫反 应；宣化钢铁公司现有一套镁粉喷吹法脱硫，其工艺设备简单、操作方便、投资少；但其能耗高、环境污染 大、原料成本高，储藏危险，不符合经济合理、节约资源、安全实用、保护环境的原则。（2）机械搅拌法； 虽然一次性投资稍高，但脱硫效果好，原料价格低廉，环境污染小，维护成本低[1]。本项目采用机械搅拌法。 - 391 http://www.sj-ce.org
机械搅拌法的流程如下：铁水罐进入倒罐间，直接翻罐到 200t 转炉铁水罐，然后过跨到转炉加料跨。在 转炉加料跨的 200t 转炉铁水罐，用吊车吊到脱硫铁水罐车上，开至搅拌扒渣位，先进行第一次测温取样和扒 渣，然后加脱硫剂进行搅拌法脱硫处理。处理完毕，再进行第二次测温取样和扒渣，最后将处理完毕的铁水 罐车返回到吊罐位，直接兑入转炉炼钢。 一套完整的机械搅拌法脱硫生产系统主要包括备料与加料系统、铁水罐车、渣罐车、提升系统、搅拌系 统、气动扒渣机（成套）、液压系统、烟气除尘系统等子系统。根据宣钢实际情况，在处理工艺上消化吸收 了国内外先进经验，采取了一些改进措施和方法，主要表现为： （1） 搅拌头采用十字结构。 （2） 搅拌头机电控制是由电机配减速机,并且电机采用变频调速技术来实现搅拌头的恒扭矩调速。 （3） 扒渣机采用气动模式。
2 控制系统 宣化钢铁公司机械搅拌法铁水预处理系统采用 AB 公司生产的 ControlLogix 系列 PLC 作为控制设备，实 现自动监视，设备控制及事件报警等功能。其主要控制设备有：操作站（安装有 FactoryTalk View 监控软件 运行版，2 台） ，工程师站（安装有 Logix 5000 编程软件 FactoryTalk View 监控软件开发版，2 台），两套 L62 系列高性能 CPU，现场 DeviceNet 总线，工业通讯网络交换机及打印机。系统结构见图 1- PLC 配置图。 ControlLogix 系统结构以以太网（EtherNet），控制网（ControlNet）、设备网（DeviceNet）三层网络为构 架，以 Logix 控制器为核心，配以功能强大的编程软件 RSLogix5000 和网络组态软件 RSLinxs。ControlLogix 系统提供了单一的集成化控制架构，能够实现离散、传动、运动、过程控制等类型的任务[2]。 两个脱硫站每站各一套 LOGIX5562 系列 PLC 系统主要对电气室内 IO 及现场仪表信号进行采集， DeviceNet 网络接口卡主要对变频器进行控制和采集状态信息，对绝对值编码器读取提升高度信息。
图 1 PLC 配置图
每个脱硫站各设一个工程师站和操作站。操作站是系统的 HMI（人机界面） ，操作员通过完成对 KR 脱 - 392 http://www.sj-ce.org
硫工艺过程的监视，控制功能。工程师站用于 PLC 程序编程，标签生成，画面组态，报表生成以及过程趋势 和参数设置等，也能接管生产的操作，作为操作站故障时的备用措施。
图2
DeviceNet 网络配置图
3 软件架构 本系统计算机操作系统为 Windows XP 专业版，采用 FactoryTalk View 为操作监控的人机界面，采用 ControlLogix 自动化系统作为现场控制单元实现顺序控制。系统应用软件由系统组态软件、监控软件组成。其 基本构如下图： 宣钢铁水预处理脱硫控制系统
数据处理
监控&操作
采
报
自
集
警
动
控
设
备
制
定
料
铁 水 车 电 机 控 制
渣 车 电 机 控 制
辅助系统
自 动 搅 拌 过 程 控 制
报
用
帮
表
户
助
打
管
文
印
理
档
图 3 应用软件架构图
4 主要控制方法 脱硫系统设备众多，关键设备为加料溜槽及旋转电机，搅拌头提升装置，这几个设备均采用变频控制， 对控制的精度要求很高。在下文将分别以生产中的关键环节如加料与备料控制、搅拌头转速精确控制、提升 电机转矩控制为例，逐一加以阐述。
4.1
加料与备料控制 石灰脱硫剂用槽罐车运送到脱硫站旁，通过氮气输送到脱硫站高位料仓。当脱硫需要时，启动料仓下旋
转给料器，粉料加到称量斗称量，最后启动称量斗下旋转给料器，粉料通过升降溜槽直接加到铁水罐中。先 储备一定量的脱硫剂，保证一段时间内的生产需要，再在料斗环节里精确定量，达到更好的加料效果，做到 既能实现工艺脱硫深度要求，又不浪费脱硫剂，同时也减少了多余的铁渣和石灰粉尘。 1） 定量给料。料仓有独立的定量控制系统，称重压头输出的模拟量信号送入控制系统后，其信号转换、运 算、显示、累计和报警功能由系统完成，最后向下级设备送出控制信号。 2） 备料参数设置。为达到良好的脱硫效果，并且不浪费脱硫剂，需要针对每次脱硫计算出准确的所需脱硫 剂数量。在此处是将脱硫剂的相关参数，本次铁水罐的重量，扒渣前的铁水温度等参数输入在计算机内设置 - 393 http://www.sj-ce.org
好的计算模型，自动得出本次脱硫需要的脱硫剂数量。 3） 自动备料操作。在本次铁水包重量信息和铁水温度信息到来之后，系统可以自动计算脱硫剂数量，此时 操作工根据画面上各相关设备是否具备自动工作条件，如果前提条件具备，可以在 HMI 上进行备料的全自动 操作，杜绝人为因素造成的操作误差。
4.2
搅拌头转速精确控制 实践证明：在温度和脱硫剂参数不变的情况下，搅拌头搅拌速度越大，脱硫剂与高温铁水的反应面积越
大，保持一定的搅拌速度可以达到最短的搅拌时间，缩短生产周期，同时减少铁水热损和烟气排放。所以， 对搅拌头的精确控制，很有必要。 在旋转电机尾部设置了增量编码器，在搅拌过程中可以根据其实时反馈的速度值，实时与目标值进行修 正，最终达到精确转速控制。 ~
M --
3~
TG
------
电 压 电 流 反 馈
转速给定
转 速 反 馈
控制器
图 4 转速闭环变频调速示意图
图 5 旋转电机闭环效果曲线图
4.3 提升电机转矩控制 由于搅拌头在一个完整脱硫周期中有多次提起放下，且放置在铁水中的深度对于脱硫效果有相当重要的 - 394 http://www.sj-ce.org
影响，因此搅拌头的提升精确控制，相当重要。利用 PLC 控制程序，使抱闸在系统起动后转矩建立在一定的 输出转矩时松开，在系统停止后转矩下降至一定的输出转矩时抱紧。悬停定义为当变频器在零赫兹下保持负 载并不用机械抱闸的情况。
图 6 转矩校对示意图
图 7 提升装置提升过程相关曲线
图 8 提升装置下降过程相关曲线 - 395 http://www.sj-ce.org
根据高度绝对值编码器实测效果，可以达到 0.01m 的精确度。完全消除了提升设备的惯性影响，实现了 精准位置控制。
5 结束语 宣化钢铁公司炼钢厂铁水预处理系统投入生产半年多来，生产稳定，脱硫效果好（可达 0.005%） ，且原 料成本极低，经济效益明显，达到了预期建设目的。其控制系统运行稳定，控制精确，自动化程度高，极大 的减少了操作强度。
REFERENCES [1] 李凤喜, 喻承欢, 周子华. 对KR法喷吹法两种铁水脱硫工艺的探讨[J]. 炼钢, 2000, (2): 47-48[Discussion on Two Process of HOT Metal Desulphurization with Methods of KR and Injection [J]. Steelmaking, 2000, (2): 47-48] [2] 邓李. ControlLogix系统实用手册 [J]. 机械工业出版社, 2008年第一版 [3] 向其良, 吴敏, 向婕, 冯国辉. 韶钢105 m2烧结机过程控制系统的设计与应用[J]. 冶金自动化, 2005, (5): 38-42 [Design and application of process control system for 105 m2 sintering machine in Shaoguan Iron and Steel Co. [J]. Metallurgical Industry Automation, 2005(5): 38-42]
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