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摘要：介绍了120t转炉炼钢合金料自动称量控制系统的结构设计、编程、数据处理方法，分析了强振速度、弱振速度、弱振值、落差值等参数对称量精度的影响。该系统运用MB+通讯技术实现称量值反馈, 可以完成几种合金料连续称量过程。使用证明，系统称量误差控制在了1kg之内。
关键词：自动称量控制系统；称重模板；MB+网；弱振值；落差值
1前言
在转炉炼钢生产中，合金主要用来调节钢水的温度和成分，二者决定钢水的品种和质量。合金加的过多、过少都会造成整炉废钢的巨大损失。有些炼钢厂为了保证生产质量，一直采用人工称量合金的方法。随着工业计算机技术的飞速发展，开发、应用一套转炉炼钢合金料自动化称量控制系统取代人工称量，对促进炼钢工业的发展具有重要意义。
济南钢铁集团总公司第三炼钢厂（简称济钢第三炼钢厂）于2003年2月建成投产，目前有1座120t氧气顶吹转炉，单炉产钢量130t，每炉合金用量约3t。其合金加料采用了自动化加料技术，只须通过键盘和鼠标简单操作就能完成。自动称量控制系统主要采用现场就地安装PLC称重模板，通过计算机网络技术进行数据采集及反馈控制，自动调节振动给料机的转速。另外通过调整相关参数，最终达到合金的设定值和称量实际值相等的目的。
2工艺设备概况
济钢120t转炉有两个合金加料流程。1＃流程是在转炉出钢口加中位合金（约4～6min）,2＃流程是钢水进铸机前在炉后加第二次合金。两个流程的工艺设备基本相同，呈垂直型分布在车间内不同高度的平台，如图1所示。合金称量系统的工作原理是：（1）不同合金按顺序固定存放于料仓,通过振动给料机的不断振动,合金释放到称量斗里。（2）称量斗底部安装了称重传感器，能够检测出合金的重量。（3）称量斗以下设备用于完成投料功能。振动给料机和称量斗是合金自动称量系统的核心设备，它们直接影响称量的速度和精度。 （图片）
图1 合金投料工艺流程图
TZC 合金料仓TZVF 电机振动给料机 TWH 称量斗 XLG 旋转溜槽 3控制系统结构设计
为了保证炼钢生产的连续性，提高生产自动化水平，合金自动称量控制系统采用Schneider公司的TSX Quantum系列PLC 双机热备系统。在一套CPU出现异常情况停机时，热备中的CPU自动投入运行。来自现场设备的联锁信号和称重传感器信号通过MB+网络引入Quantum PLC，经过CPU运算后直接控制现场的振动给料机。而作为人机接口（HMI）的操作站采用客户机—服务器模式，选择MP7上位监控软件，由1台专用的HMI Server通过高速以太网和Quantum的NOE（以太网模板）进行数据的读写。现场称量斗部分，压头采用0.5级申克传感器，由于称量斗离控制室较远，所以信号处理和供电部分采用Schneider公司ISPMomentum称重模板，就地安装在现场保护箱内，采用现场总线连接，称重传感器信号就地采集进入ISP Momentum，通过MB+通讯将信号远传至CPU，完成称量的连锁和振动给料机频率的精确控制。系统硬件结构组成见图2。（图片）
图2 计算机系统配置 传统的称量系统由压头和二次表组成，通过电缆将标准信号传输到PLC进行相应的连锁。在本系统中二次表全部由计算机处理模块（Momentum）代替。它既能提供稳定可靠的桥路电压，测量反馈电压进行修正供电损失，处理传感器的毫伏信号并将之转换为重量信号，同时又能将重量（皮重、毛重、净重）等信号通过通讯的方式传送至CPU进行运算。其优点是：
（1）不存在信号衰减的问题，信号经Momentum模块就地处理，避免了由于电缆长度而影响微弱信号受干扰和衰减的程度。
（2）大大减少了电缆的数量和长度，减少了故障点。一根双绞通讯电缆代替了传统的十几根控制屏蔽电缆，效果明显。
（3）校正方便，可通过MB+网进行远程校正和清零。使用带有MB+网卡的编程器，完全可对料斗称进行参数的设置。
4关键程序
编写自动称量程序有两个关键环节：第一，通过令牌传递机制，实现几种合金料连续称量。操作人员只须在HMI操作画面上点一下称量按钮，几种合金料就能按顺序自动称量。第二，将设定值和称量值在程序中进行运算，结果用来恰当地调节振动给料机先高速运行，再低速运行至停止。从而控制合金料的流量由大到小，容易实现称量准确的目的。
4.1振动给料机之间的令牌（order）传递机制
根据所炼钢种的不同，每炉钢水加入合金的品种也不同。因此，在合金称量过程中，就会出现有的合金的设定值S大于0，有的合金的设定值S等于0。采用振动给料机之间的令牌（order）传递机制可以解决加入不同合金品种的问题。（图片）
图3 令牌传递机制示意图 如图3所示，称量命令控制第一台给料机的启动，以后各台振动给料机的启动由令牌来控制。当S等于0时，该振动给料机不运行，直接输出order1到下一台振动给料机；当S大于0时，该振动给料机按要求运行，称量结束后输出order2到下一台振动给料机。
4.2模块化的下位编程
在本程序的编写中，采用了大量的DFB（Derived Function Block）用于模块化编程。因为振动给料机具有相同的控制和连锁条件以及输出动作，所以首先编写通用的功能块，如给料机运行DFB1、自动称量DFB2等等。编程中可以频繁地调用这些功能块，就象调用一个普通的函数，只需修改一下输入参数和输出参数的变量名称。模块化编程节约了大量的程序空间，提高了程序的运行速度并且更加方便了软件的移植性和可扩展性。
4.3 振动给料机速度转换运算
称量精度是衡量称量系统好坏的一个重要指标。为了提高该系统的称量精度，振动给料机主回路采用变频器控制，输出频率0～50Hz，实现振动给料机以不同的转速运行。本系统主要通过控制振动给料机先高速、后低速运行，由大到小间接控制合金的流量。因为在振动给料机停止的瞬间，合金的流量越小，越容易提高称量的精确程度。为此，程序设计中引用了弱振值、落差值、强振速度、弱振速度的概念，并编制了程序流程图，如图4所示。（图片）
图4 程序流程图 接到称量信号或启动令牌后，PLC首先检测合金的CRT设定值(S)，若S大于0而且满足强振条件（S大于弱振值）, 则振动给料机TZVF立即高速振动 (40～50Hz) 。此时，合金以较大流量进入称量斗。与此同时,通过MB+通讯，称量值实时反馈到PLC程序中进行实时运算，得出一个不断减小的剩余料量。当剩余料量小于或等于弱振值时，给料机由高速振动转为低速振动(20～30Hz)，合金流量随之减小。当低速下料到剩余料量小于或等于落差值时(20～30Hz),振动给料机停止运行。延时5s后，将启动令牌交接给下一台电振。依次类推，直到所有设定值大于0的合金全部称量完毕。
4.4数据处理
数据处理是合金料自动称量控制系统的重点与难点。因为它与系统的称量精度息息相关，即称量值是否等于设定值。只有这样，系统才能满足生产工艺要求，自动称量系统才有利用价值。现在来看，对每一种合金料，影响其称量精度的参数主要有4个，如表1所示。表1 数据设定
| 项目 | TZC01(石灰) | TZC02(铁矿石) | TZC03(白云石) | | 弱振值/kg | 200 | 300 | 200 | | 落差值/kg | 30 | 40 | 30 | | 强振速度/Hz | 40 | 40 | 40 | | 弱振速度/Hz | 30 | 35 | 30 |
表1强振速度、弱振速度是振动给料机的输入频率，直接参与控制给料机的振动速度。设定这两个参数的主要依据有合金料的比重、合金料颗粒的大小及振动给料机的机械性能。强振速度、弱振速度调整及时，就能保证给料机停车点这一时刻抓取的称量值（V1）准确，而且能节约称量时间，提高生产率。
弱振值、落差值2个参数在程序中参与计算，经过计算得出振动给料机高速到低速、低速到停止的速度转换点。当操作人员在操作画面（表2）中设定好本炉钢水要加的合金料量S后，速度转换点其实是称量过程中经过不断计算得出的每种合金的剩余料量。假如转换点计算不准确，或者说弱振值、落差值设定不准确，容易产生几种现象：(1) 弱振值太大，延长了称量时间。（2）弱振值太小，在振动给料机弱振过程很短时，就要停机，很难保证称量精确。（3）落差值太大，容易造成少下料。落差值是振动给料机停止后，在余振的作用下进入称量斗的合金料，如果落差值大于给料机余振过程中实际下的合金，就造成了少料。（4）落差值太小，容易造成多下料。原理与（3）相反。表2 操作画面数据 kg
| 项目 | TZC01（石灰） | TZC02(铁矿石) | TZC03(白云石) | | 设定值（S） | 2000 | 500 | 1000 | | 实际值（V） | 2000 | 500 | 1000 |
表2 操作画面中的实际值V是合金称量结束后计算出的称量理论值。每一种合金称量结束，令牌输出给下一台振动给料机的同时，通过100M以太网通讯，PLC将称量理论值上传到HMI操作站并显示。
5结语
合金自动称量系统采用目前国内和国际先进的控制技术,是自动化炼钢系统的一个重要组成部分。目前该系统已在济钢120t转炉炼钢生产中得到了高效利用，称量误差控制在允许范围（约1kg）之内。
1/23/2006
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