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1 引言

　　喂线技术是钢水炉外精炼过程中脱氧、脱硫减少夹杂物数量，改变夹杂物形态、成分微合金化的一种简单、易行、投资少、见效快且可靠的钢水炉外精炼工艺技术之一。喂线技术的关键在于，针对不同合金芯线和钢种确定合理的喂线速度、喂线深度、喂线量、喂线位置、喂线时的钢水成分、渣况及氩气搅拌等条件。因此，喂线工艺要求自控系统具有良好的人机界面和喂线调速性能，以适应不同钢种的不同控制参数设置及具备炉号等工艺参数的统计功能。

　　2喂线工艺自控系统组成及其控制流程

　　喂线工艺的实现流程及其具体要求是：钢水包由平板车移动到喂线位置停止，喂线机导管由放置位下降至喂线状态，由此二者共有确定钢水包的喂线位置。随后由手动、自动、远程上位自动3种模式控制喂线机对钢水包进行喂线操作。喂线工艺示意图如图1所示，一般要求合金线于钢水包的偏心位置(约偏离钢水包中心线200~300mm)垂直液面喂入钢水。对应不同成分的钢水，通过设置不同的喂线速度和喂线量，来实现科学合理的喂线，达到钢水成分的净化和精炼控制，甚至是钢水挽救的目的。而喂线速度一经确定，喂线深度便在一定程度上随之确定。喂线深度合适时，能使芯线与钢液充分反应，得到高度而稳定的收得率。如果喂线速度过低，芯线未进入钢液之前就有部分在渣中烧损;而喂线速度快，芯线进入钢液后不能完全溶解而聚集盘绕在钢水液面上则烧毁。为了能够实现合金芯线在钢水中一定深度熔化(一般距钢水液面2350～2500mm为宜)，混匀，合金线中的钙质尽可能多地溶解于钢水中或与夹杂物接触反应，喂线速度一般应参考v=45h/t(经验公式，h为钢包内钢水液面高度，单位m)设定。在喂线工艺中，喂线速度至关重要：一是决定喂线处理过程能否取得预想结果的关键因素;二是当处理包的尺寸和所装入的钢水量一定时，一种包芯线只有一个佳速度;三是喂线机在佳速度条件下的有效工作时间越长，钙的利用率与效率越高。因此，控制系统应具有良好的速度设定界面和传动控制实现性能，尤其是传输速度的动态响应和稳定性。

　　按照以上的喂线工艺技术要求，控制系统由西门子s7-300plc模块，实现开关量主令信号、外接导管控制信号和喂线传输速度的检测采集及变频调速的方向控制;上位触摸屏td200实现喂线速度、喂线总长(质量)、芯线回退量及炉号钢种等生产参数的设定，作为就地自动控制;同样控制功能的远程通讯上位计算机控制通过rs-485与链接模块profibus-cp343实现。另外还设有就地手动控制，有多个主令开关，需要人工逐一操作完成相应控制功能。此三者为单选控制模式。为满足工艺技术对合金芯线传输速度的调节性能的严格要求，系统采用模拟量控制交流变频传动。设置模拟量输出模块sm332，将上位设定的数字信号，由cpu处理转换为电压模拟信号并输出，经过信号隔离器干扰滤波后，接入艾默生变频器(ev-2000)的电压给定回路上，配合以plc开关量输出的正/反转控制信号，再通过对芯线传输速度的检测、计算，形成速度的负反馈闭环控制系统，达到精良的调速控制性能。在设定的喂线长度(质量)加入完毕，应反向回送一定量的芯线，以便移开外接导管，不致影响钢水包向下一工序运送。控制系统还可以接钢包吹氩传动设备，在完成钢水喂线后，适时地启动吹氩，进行混匀搅拌，增强钢水精炼效果。

　　控制系统的流程见图2。考虑到工业现场的具体情况非常重要，plc控制系统的上位自动控制权限以现场就地控制优先，现场控制又分为手动控制和自动控制。自动控制由触模屏td200进行参数设置后完成;手动控制作为现场人工操作，是进行新钢种喂线工艺参数试验初定的必要手段，待对应新钢水产品的喂线速度/喂线长度(质量)确定优数量之后，为避免人工操作的误差影响，就可改由自动控制的两种模式来自动完成钢水喂线、吹氩等精炼工艺操作。其中远程上位计算机通过组态界面编程，完成相应控制功能的同时，将每炉炉号、钢种等生产工艺参数，一起纳入管理数据库，是产品质量跟踪的重要依据性。

　　3系统控制功能的实现

　　该控制系统包含了开关量的逻辑连锁控制功能，和模拟量输出变频调速并传输速度检测负反馈闭环控制功能，及上位机远程通讯控制和td200触模屏就地控制两种人机界面控制功能。系统控制原理见图3，为双路独立控制钢包喂线，开关量i/o控制功能见表1。系统功能全面，性能优良，而且集成度高。例如：整个系统只需对cpu模块提供24vdc电源，模拟量输出模块sm332和通讯链接模块cp343及触模屏td200，还有起信号隔离作用的导管移动控制继电器等所需的24vdc电源，均由cpu模块的24vdc输出电源通道供应，未设独立直流电源。尤其是作为负反馈闭环调速控制的喂线速度检测及其参与控制，实现得十分巧妙，不仅完成了性能优良的调速控制，而且实现成本大幅降低。

　　3.1喂线速度的闭环负反馈控制功能的实现

　　喂线速度的闭环负反馈控制功能通过plc系统数据处理信号及信号检测和艾默生交流变频传动模拟量电压信号调节控制两部分实现。

3.1.1速度信号的检测和闭环控制的构成

　　为了实现稳定的喂线传输速度和获得喂线传输长度(质量)的实际值，需要检测芯线传输的实际速度，作为负反馈信号与上位给定数据信号作比较，控制输出信号的大小。

　　利用西门子s7-300plccpu模块支持一定的高度开关量信号输入(高速计数器输入速率20~200khz)的优势，在如图4所示第三道传输轮从动轮的固定支架上装设开关型外设(行程开关或接渐开关)，由从动轮同轴检测凸轮片来检测从动轮的转速，经过一定的比例换算，即可得到合金芯传输速度，并且可以通过plc程序设计，直接作为负反馈信号与给定值比较共同作用，控制输出信号及变频器给定信号大小。

　　该速度信号的检测机制，不仅巧妙地由简易的开关型外设和plc开关量模块结合计数/计算编程功能，完成了应由专设的速度传感器和模拟量输入输出模块共同完成的模拟量测控功能，而且可以直接参与决策控制，构成负反馈闭环控制，使系统的动态响应快速，调速传动性能优良。该类模拟量的测控机制具有普遍的实用借鉴意义，在很多工控领域，都可以通过简单的开关型外设结合plc的计数/计算等丰富的功能实现诸如流量、压力、阀门开度等复杂模拟量的检测和控制，而且实现成本非常低。此外，喂线速度信号的检测点设在后一道传动轮的从动轮上，在芯线因为折断或“打滑”或变频器故障等诸多意外情况，芯线没有实际传送时，控制系统能够迅速地“发觉”并报警，保障设备安全运行，同时避免“假喂线”现象的发生。芯线传输发生“打滑”时，可调整从动轮的夹持力调节机构，以保证足够的摩擦力，又不使芯线破损为宜。

　　3.1.2 变频传动控制功能的实现及抗干扰措施

　　plc系统根据上位远程计算机或就地触摸屏所给定的喂线速度，通过数据处理，转换为0~10v电压信号，由模块sm332输出，经过信号隔离器后，接入艾默生变频器的模拟量输入电压端子12和11(变频器型号frn7.5p11s-4ce)，因为是有源信号输入，尤其要注意端子13应悬空。艾默生变频器的相关设置见表2。通过plccpu对设定喂线速度值和芯线传输速度检测到信号相比较，共同完成喂线速度的负反馈闭环控制，实现速度稳定且符合工艺技术要求的喂线操作。另一方面，将设定的喂线长度与喂线速度的时间累积作比较，直至二者之差为零，表明所设定的喂线长度已经全部传输完毕，此时即停止喂线。同样地通过plc程序设计，经过约3s，再反方向启动变频器运转，以plc程序设定的约20m/min恒速将喂线导管中的芯线反向回退。回退长度视现场情况而定，原则是能够使导管方便地移开，以不影响钢水包向下一道工序运送;二是为保证喂线量的计量准确，芯线以不退出装设速度检测装置的第三组夹持传输轮为宜。这样，不但下次喂线操作喂入量的精度可以保证，而且无需再次手工穿线。芯线回退长度在喂线机与钢水包的现场位置一经确定后，测量;测量出其距离长度，由上位计算机或触摸屏设定，与设定喂线速度(对应不同钢种设定不同喂线速度)不同的是，只要前述二者位置不变，就不需在每次喂线操作时都要改变。需要进一步说明的是，因为plc具备支持高速输入的开关量接入点，所以该类电路完成的模拟量的取样，不仅能够满足一般测控要求，而且在精度上还可以达到一定程度的计量要求。

　　为提高信号的抗干扰能力，plcsm332输出的电缆电压信号，先接入信号隔离器zyh-el-6a，信号隔离器输出接入变频器模拟信号控制输入端。为避免信号线路的耦合干扰，信号输入线路应使用带金属屏蔽层的控制电缆，屏蔽层与plc一侧良好接地屏蔽。为消除共模信号的干扰，电压信号隔离器外壳，模拟量输出模块sm332、通讯链接模块cp343三者应共同接地。plc系统中的各模块m点和cpu模块屏蔽接地点及整个机箱金属外壳应接ac220v电源的零线端相连。

　　3.2远程上位计算机通讯控制功能的实现

　　通过cp343profibus通讯链接模块，采用dp标准协议与主站通讯，大有效通讯距离可达1200m。

　　4 结束语

　　经过实践应用证明，由plc控制技术结合变频传动构成的精炼炉喂丝机控制系统，调速性能优良，动态响应迅速，控制性能精良，计量准确，完全满足工艺技术要求。