摘要:本文结合鞍钢3#转炉和生产实际，全面分析了转炉生产中氧枪运行的可靠性和安全性问题，以PLC程序控制为主要解决手段，从逻辑联锁、电气保护、机械保护、过程状态监控、设备管理等方面论述了保证氧枪可靠安全运行的解决方案。并对软件程序的控制策略和逻辑设计作了详细阐述。
关键词:转炉;氧枪;逻辑联锁;可靠性控制;编码器;流程图
转炉氧枪是冶炼生产的关键设备。首先，由于工艺要求，氧枪需要作频繁的移动和定位，氧枪定位的快速、准确、可靠，可以提高冶炼效果及生产率。其次，吹氧炼钢属于高温、高压、气体大流量作业，如出现设备故障时操作错误，或安全措施不利，则可能发生爆炸，严重影响安全生产。所以，提高氧枪控制的可靠性和安全性具有重要意义。
1 工艺简述
如图1,氧枪连接在钢绳上，通过直流电机拖动，做垂直运动。吹炼时氧枪移动到炉内，距铁水液面有一定距离，并随冶炼时间及钢种变化做位置调整。氧枪与氧气、氮气冷却水管相连，并通过阀门控制流体的流量。冷却水由锅炉系统提供，通过汽包水位自动调节进行控制。两套氧枪，一用一备。氧枪控制特点:(1)负载大，惯性大，而工艺要求快速准确定位，控制难度大;(2)生产中移动频率高，要求自动化控制;(3)与其他设备的联锁较多，如转炉小在岑位时氧枪小能下移炉内，氧阀报警则停止吹氧并提升氧枪等;(4)高温高压作业危险性大，易造成设备及人身安全事故。
2 PLC控制系统构成
如图2,可编程控制器采用S7-400PLC,处理器为CPU416-V3.0,现场过程信号AI/AO, DI/D0输入输出模块通过ET200M挂在Profibus-DP总线上，OS监控操作站挂在Enthemet总线上。系统配置有如下优点:(1)坚固耐用可靠性高;(2)功能强大，控制性能好;(3)速度快实时控制性好;(4)模块化分布式结构，并设置了I/O模块带电插拔功能，系统风险较小;(5) CPU具有强大的故障诊断自检测能力。软件上设计了下列功能:OB84程序块(CPU硬件故障诊断)，OB85程序块(CPU系统错误检测)，OB86程序块(机架故障检测)，OB121程序块(程序执行错误检测)，OB122程序块(I/O存取错误检测);(6)控制程序设计根据功能和设备采用结构化模块式设计。整个系统的硬件软件都具有较高的可靠性。
3 控制程序的可靠性设计
3.1 操作方式设计
根据实际工艺，考虑不同需要，氧枪控制设计了四种操作方式。每种方式要求的设备条件和控制级别不同。
(1)1 COMP(计算机方式)，PLC接收来自上位机的枪位值、氧气流量值、氧气累积量值。氧枪移动、各阀门开关、过程检测及控制由PLC程序自动完成。此方式用于自动化炼钢。要求外部设备满足自动条件。所有控制由程序自动完成。
(2) 2 AUTO(自动方式)，冶炼方案预置在程序里，过程需要的设定值由程序自动给出，设备控制及过程监控由程序自动完成，但操作员可以修正设定值，干预过程控制。此方式要求外部设备完好并满足自动条件，可靠性控制由程序完成。
(3) MANU(手动方式)，过程设定值和设备控制操作由操作员通过人机对话完成。设备的安全联锁过程及监控由程序完成。
(4) LOCAL(现场方式)，有两种作用:①用于氧枪检修和更换，此时解除相关联锁，通过操作台按钮控制氧枪;②转炉炼钢有时需要溅渣护炉，在此方式完成溅渣操作，此种方式的可靠性主要由操作员控制。
四种方式的切换控制:(1)为保证系统的可靠控制，对COMP、AUTO方式有较高的外部条件要求，所以控制方式应执行低级方式优先选择的策略，(优先顺序:LOCAL→MANU→AUTO→COMP)，在条件不满足时可由高级方式自动转到低级方式，使生产控制不受影响;(2)方式转换时保持枪位设定值跟踪，以避免由于方式转换可能氧枪自动移动而造成意外事故;(3)为保证系统可靠控制，在PLC上电后自动转到LOCAL方式，然后由操作员作选择。以防意外事故。程序流程图如图3。
3.2 特殊位置设计
如图4,为了氧枪的安全运行，在行程范围内设置了一些特殊位置。采取了机械、电气、程序软件控制的三级保护措施。通过绝对位置编码器实时跟踪检测枪位，采样周期2Oms,误差±1㎝内。各位置的作用:(1)超上极限位。为机械开关停枪保护;(2)电气上极限位。为电气停枪保护;(3)换枪位。用于氧枪更换;(4)软上极限位。为程序上极限保护;(5)等候位。为氧枪非吹炼时的安全等待位置，该位置使氧枪不影响转炉及其他设备的运行，氧枪也处于安全状态，并可快速到达吹氧位置，在吹炼期间，当氧阀、氮阀、锅炉系统、电气系统等安全联锁动作时，或过程控制条件满足时，氧枪即回到该位置;(6)转炉联锁位。即氧枪在此位置下转炉不能摇动，转炉不在零位，氧枪不能移到该位以下;(7)开氮封位。即氧枪在该位以下，氮封阀打开，氮气阻止火焰上串烧坏其他设备;(8)吹氧位。即门常吹炼位置，该位置随工艺变化;(9)软下极限位，即程序下极限保护; (10)电气下极限位。即电气下极限保护。通过对各位置控制，氧枪可以安全可靠运行。
3.3 枪位检测码状态检测的相关联锁
氧枪位置检测码是判断氧枪位置，由此来决定是否动枪和摇动转炉的重要依据，可通过软件对氧枪位置检测码进行逻辑监控及安全联锁。具体如下:(1)氧枪超速监控。按下式计算，枪速=险测码差值×转换系数(每个码对应的枪移动距离)。检测时间，计算结果大于标准值则输出报警，用于提示操作员及设备参数调整。此检测可监控拖动设备失灵造成的自由坠枪事故;(2)编码器断线丢码监控，当编码器出现故障或某些数据线断路时，可能造成枪位失真，产生错误控制。通过对检测码的变化进行逻辑判断，产生报警;(3)编码器掉电监控。通过对检测码实时监控，输出报警与动枪进行联锁;(4)编码器机械连接装置故障监控。编码器与氧枪牵引钢绳滚筒通过机械相连，当连接松动或脱落时，会造成检测枪位与实际枪位严重不符，从而使所有安全联锁失灵。这种情况下，如果氧枪在炉内摇动转炉，或转炉不在零位而下移氧枪，都会造成严重设备事故。可以通过程序判断输出报警，与动枪、摇炉进行联锁。程序流程图如图5。
3.4 PLC掉电时枪位与摇炉的联锁
当氧枪PLC系统掉电时，氧枪的控制处于失灵状态，如果此时氧枪在炉内，摇炉会造成事故。通过把掉电时的枪位状态传送到电气PLC,来实现摇炉与枪位的联锁，从而避免事故发生。
3.5 氧枪与相关设备故障联锁及过程控制联锁
(l)氧气阀故障报警;(2)氮气阀故障报警;(3)进出水流量差和温度差报警;(4)余热锅炉水位报警;(5)转炉零位信号;(6)传动系统相关信号;(7)氧枪相关极限信号;(8)相关设备的动作信号;(9)氧气累积量等过程信号。通过控制程序对以上条件判断是否允许动枪，或氧枪由吹炼位回到等候位。比如冷却水锅炉系统报警必须停止吹氧抬枪至等候位，以避免烧坏设备。
3.6 张力报警联锁
为防止钢绳故障或氧枪机械上卡住而造成拉断钢绳自由坠枪事故发生，采用应力传感器对钢绳进行张力检测，当张力值超出上限或低于下限时发出报警，此时封锁动枪和动炉操作，防止事故发生。
3.7 操作站画面的实时监控
为了过程操作和状态监控我们设计了以下画面:(1)操作监视主画面。仿真显示转炉、氧枪、供氧设备、供氮设备、供水设备及相关命令按钮;显示流量、压力、温度、枪位等实际过程值及相关设定值;用红色、绿色、黄色及状态闪烁指示在线设备的运行状态及报警提示;提供了人机对话的控制功能;显示氧枪的有关联锁条件及状态。(2)趋势曲线跟踪画面。对氧气流量、枪位值、氮气流量等过程值进行趋势跟踪和归档存储，可以随时查询当前及历史数据，用于故障诊断、事故分析、生产及设备管理。(3)报警记事画面。对各个设备的故障报警、过程值报警、操作事件进行显示，故障的消除时间确认后进行实时记录，并按报警重要性分级管理，这有利于事故分析和作收管理。
3.8 对故障报警的两极保险确认措施
由于现场设备故障的复杂性、随机性，有时产生联锁报警会自动消除，这时有可能造成氧枪或其他设备的失控，产生自动动作，造成事故。在软件上设置了操作员故障确认功能，并且对氧枪故障在确认后必须重新输入动枪命令才能动枪，以防止自动移枪，这样大大提高了氧枪控制的可靠性。控制流程图如图6。
3.9 现场紧急提枪措施
为应付紧急情况，设置了紧急提枪控制，即不经过PLC直接按按钮提升氧枪，这用作应急措施。
4 结束语
鞍钢3#转炉PLC控制系统是1999年进行的升级改造，在软件控制上考虑了生产过程中所能发生的各种危险和各种安全因素。经过几年的生产运行，效果很好，没有发生类似的安全事故。对于不同的转炉氧枪，相关的控制参数可以适当调整。
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