環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)研究

蘇永權(quán)

（南寧八菱科技股份有限公司 廣西南寧 530003）

環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)研究

蘇永權(quán)

（南寧八菱科技股份有限公司 廣西南寧 530003）

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。文中詳細(xì)介紹了廣西某公司環(huán)形爐控制系統(tǒng)中燃燒控制及爐膛壓力控制和爐底旋控制、水封槽水位控制、液壓站控制、流量計(jì)量、歷史數(shù)據(jù)記錄等。研究實(shí)踐結(jié)果表明，環(huán)形爐控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定展開(kāi)運(yùn)行，而且用戶操作界面能夠友好交互，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，滿足了該公司的發(fā)展需要。

環(huán)形加熱爐；電氣控制系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言

該公司在我國(guó)廣西某地承建了一臺(tái)中徑為φ15m的環(huán)形加熱爐，爐膛斷面尺寸4540mm×18000mm。該電氣控制系統(tǒng)出料采用有軌取料機(jī)，采用無(wú)軌裝料機(jī)進(jìn)行裝料作業(yè)。如果按照42CrMo進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，則加熱冷坯料過(guò)程中環(huán)形加熱爐的實(shí)際產(chǎn)量可達(dá)20t/h；如果按照熱裝溫度500℃進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，則熱裝時(shí)此環(huán)形加熱爐的最大產(chǎn)量為30t/h。當(dāng)此環(huán)形加熱爐爐膛內(nèi)鋼錠加熱過(guò)程中溫度上升到1250℃時(shí)，鋼錠出爐。因此，將此環(huán)形加熱爐的爐膛最高溫度與預(yù)熱段爐溫分別控制在500～800℃之間和800℃以下。除此之外，該環(huán)形加熱爐的升溫速度可進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)。具體可將其控制在20～200℃/h范圍內(nèi)。環(huán)形加熱爐溫差與溫控精度分別設(shè)置在±10℃與±2℃以下，而環(huán)形加熱爐的爐面實(shí)際標(biāo)高與金屬氧化燒損率分別設(shè)置為0.6m和1.25%。

1 環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)造

首先，按照具體工藝運(yùn)行要求，本項(xiàng)目在實(shí)踐過(guò)程中分別將該環(huán)形加熱爐的自裝料端到出料端依次設(shè)計(jì)為預(yù)熱段與一、二、三加熱段、均熱段及出口保溫段，而且將該環(huán)形加熱爐的爐頂設(shè)計(jì)為平直結(jié)構(gòu)，將三道隔墻設(shè)置于裝出料機(jī)位置。在一、二、三加熱段分別通過(guò)高速燒嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在出料保溫段通過(guò)爐頂平焰燒嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用各類型鋼結(jié)構(gòu)及鋼板結(jié)構(gòu)，共同組成環(huán)形加熱爐的總體框架結(jié)構(gòu)，并從不同方位對(duì)其采用焊接結(jié)構(gòu)及螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

以上結(jié)構(gòu)主要用于安裝電氣控制系統(tǒng)的儀表裝置及自動(dòng)化檢修設(shè)備、爐門、燒嘴、支撐環(huán)形加熱爐的耐火材料和環(huán)形加熱爐兩側(cè)附件、環(huán)形加熱爐自動(dòng)化燃燒系統(tǒng)的管道設(shè)備等。除此之外，該環(huán)形加熱爐的燃料采用發(fā)熱值為1250×4.18kJ/m3的混合煤氣。為了延長(zhǎng)該環(huán)形加熱爐的使用周期，減少加熱爐爐膛內(nèi)的燃燒焦油，在環(huán)形加熱爐的側(cè)墻安裝供熱段外燒嘴。該環(huán)形加熱爐共包括4個(gè)不同供熱段，同時(shí)將三臺(tái)爐頂平焰燒嘴設(shè)置于出料部位的爐頂中，從而保證出料發(fā)生延誤情況時(shí)，出料口錠料溫度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

與此同時(shí)，本項(xiàng)目在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免出現(xiàn)焦油堵塞環(huán)形加熱爐的情況，需對(duì)該燃燒爐的上燃燒嘴進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證煤氣旋流芯可進(jìn)行在線更換，同時(shí)該環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)采用大小火切換方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)各段燃燒嘴的實(shí)際燃燒能力按照額定供熱量的120%進(jìn)行配置。如圖1為該環(huán)形加熱爐電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)流程運(yùn)行情況[1]。

2 環(huán)形加熱爐電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

該環(huán)形加熱爐的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由儀表控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)組成，另外通過(guò)友好的人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)運(yùn)行。系統(tǒng)主要設(shè)備型號(hào)為西門子S7-400PLC電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)主站與HMI站進(jìn)行科學(xué)連接。為了保證該電控系統(tǒng)能夠科學(xué)、穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)科學(xué)將PLC主站與PLC遠(yuǎn)程I/O站連接，同時(shí)確保該環(huán)形加熱爐的電氣控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面切換時(shí)間在1s以下，系統(tǒng)預(yù)留點(diǎn)保持在20%左右，并利用加隔離器對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)進(jìn)行科學(xué)采集。具體的分控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如下[2]：

圖1 環(huán)形加熱爐電氣控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2.1 環(huán)形加熱爐電氣控制系統(tǒng)中的儀控系統(tǒng)

這一運(yùn)行系統(tǒng)的主要運(yùn)行功能包括壓力檢測(cè)與記錄、溫度控制、流量檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄、環(huán)形加熱爐的水冷系統(tǒng)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)控制等。按照技術(shù)工藝設(shè)計(jì)要求，該環(huán)形加熱爐的自動(dòng)化控制系統(tǒng)分別由1個(gè)不供熱的預(yù)熱段與5個(gè)供熱段組成，且在電氣控制部位通過(guò)出料段及均熱區(qū)和加熱區(qū)共同輔助系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)行。對(duì)于該自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行爐溫調(diào)節(jié)，主要采用自動(dòng)化溫度傳感設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)控制與調(diào)節(jié)。

2.2 環(huán)形加熱爐爐溫控制調(diào)節(jié)與自動(dòng)化預(yù)警控制系統(tǒng)

該運(yùn)行系統(tǒng)的主要功能是針對(duì)此環(huán)形加熱爐的運(yùn)行溫度進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)。采用雙交叉限幅控制優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大提升了該環(huán)形加熱爐的空燃比，且能夠?qū)Νh(huán)形加熱爐進(jìn)行動(dòng)態(tài)化控制。為了進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的運(yùn)行精度與穩(wěn)定性，采用改進(jìn)型的雙交叉方式進(jìn)行系統(tǒng)控制，可對(duì)環(huán)形加熱爐的運(yùn)行溫度進(jìn)行自動(dòng)糾錯(cuò)。當(dāng)運(yùn)行溫度超過(guò)限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將限幅系數(shù)取消，因此有效提升了環(huán)形加熱爐的自動(dòng)化控制響應(yīng)速度，如圖2所示。

圖2 環(huán)形加熱爐爐溫控制調(diào)節(jié)與自動(dòng)化預(yù)警控制

與此同時(shí)，該電控系統(tǒng)安裝了超溫預(yù)警功能裝置。當(dāng)此環(huán)形加熱爐的運(yùn)行溫度超過(guò)允許值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而發(fā)揮電控系統(tǒng)的報(bào)警功能與熱電偶斷偶保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)中的任何一只熱電偶被燒壞，本回路會(huì)立即切換到其中一只熱電偶。同時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)具體運(yùn)行溫度發(fā)揮其限幅功能，結(jié)合環(huán)形加熱爐的最大加熱速率，對(duì)系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)器輸出具體的溫度限幅值，從而有效避免環(huán)形加熱爐內(nèi)鋼錠過(guò)熱情況出現(xiàn)。

2.3 環(huán)形加熱爐爐壓控制系統(tǒng)

該自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要功能是針對(duì)該環(huán)形加熱爐爐膛內(nèi)的運(yùn)行壓力進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。通過(guò)將調(diào)節(jié)閥設(shè)置于引風(fēng)機(jī)入口部位，從而對(duì)爐膛的煙氣流量及爐膛開(kāi)啟度進(jìn)行控制，確保熱段爐中的爐壓保持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。一般情況下，環(huán)形加熱爐爐膛中的運(yùn)行壓力參數(shù)最好控制在10Pa左右，同時(shí)需防范環(huán)形加熱爐中的爐焰外延及外部冷空子進(jìn)入爐膛。為了起到自動(dòng)調(diào)節(jié)氣壓的效果，本項(xiàng)目在實(shí)施運(yùn)行過(guò)程中，按照前饋——反饋的自動(dòng)化控制方式，對(duì)此環(huán)形加熱爐的爐壓進(jìn)行科學(xué)控制，具體結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

3 環(huán)形加熱爐電氣控制系統(tǒng)中的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

除了上述自動(dòng)化控制系統(tǒng)外，本項(xiàng)目在實(shí)施運(yùn)行過(guò)程中將HMI操作站設(shè)置于該總體控制系統(tǒng)儀表一級(jí)系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視環(huán)形加熱爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行情況。另外，設(shè)一操作站于順控一級(jí)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)該環(huán)形加熱爐的裝料操作及PDI信息的錄入等，兩臺(tái)設(shè)備一備一用。

圖3

在此總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中還分別設(shè)置了環(huán)形加熱爐的燃?xì)饬髁坑?jì)量系統(tǒng)及水封槽水位控制系統(tǒng)、環(huán)形爐電控系統(tǒng)、液壓站控制系統(tǒng)、環(huán)形加熱爐爐底旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、環(huán)形加熱爐出料控制系統(tǒng)及物料運(yùn)行跟蹤定位系統(tǒng)等。通過(guò)流量計(jì)量系統(tǒng)可對(duì)環(huán)形加熱爐的燃?xì)饬髁窟M(jìn)行科學(xué)計(jì)量，因此為收取燃?xì)赓M(fèi)用提供了依據(jù)。

水槽水位控制系統(tǒng)可避免環(huán)形加熱爐中爐氣發(fā)生嚴(yán)重泄露情況，使水封槽中的水對(duì)爐氣起到良好的密封作用。在此過(guò)程中，控制系統(tǒng)的主要作用是始終將水槽中的水位控制在預(yù)設(shè)參數(shù)范圍內(nèi)。在電控系統(tǒng)中，環(huán)形加熱爐的電氣基礎(chǔ)自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)裝置及出料運(yùn)行裝置和裝料運(yùn)行裝置及其它電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。從開(kāi)啟爐門到出料過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了物料的全程跟蹤管理，而且通過(guò)信息參數(shù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能夠?qū)埦€控制系統(tǒng)的運(yùn)行信息進(jìn)行資源共享。比如鋼錠爐號(hào)、鋼號(hào)及支號(hào)和入爐具體時(shí)間、在爐時(shí)間、出爐時(shí)間等，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)都能將上述運(yùn)行信息清晰展示出來(lái)，監(jiān)測(cè)圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)行時(shí)參數(shù)監(jiān)控設(shè)置

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)該公司連續(xù)多年的運(yùn)行實(shí)踐，結(jié)果表明，該環(huán)形加熱爐在使用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)，大大提升了系統(tǒng)的工作運(yùn)行效率。且環(huán)形加熱爐的熱錠產(chǎn)量與冷錠產(chǎn)量分別可達(dá)30t/h和20t/h。而且環(huán)形加熱爐的出料鍛爐均勻性可控制在10℃左右，大大改善了環(huán)形加熱爐的空燃比。在此運(yùn)行實(shí)踐過(guò)程中，在加工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有產(chǎn)生明顯的氧化鐵皮，而且使用煤氣熱值可達(dá)到1250×4.18kJ/m3，冷錠與熱錠過(guò)程中的環(huán)形加熱爐控制系統(tǒng)能耗分別為388m3/t和259m3/t。因此，從上述實(shí)踐應(yīng)用效果來(lái)看，大大提升了該公司環(huán)形加熱爐控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。與傳統(tǒng)加工運(yùn)行設(shè)備相比，自動(dòng)化程度較高，為該公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]金君.軋鋼節(jié)能加熱爐電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)電信息，2013，31（27）：154～155.

[2]楊金鼎，戚丙申，王驥，李建江.環(huán)形加熱爐電氣控制策略的優(yōu)化[J].冶金能源，2011，30（04）：61～64.

TG307

A

1004-7344（2016）24-0223-02

2016-8-12

蘇永權(quán)（1986-），男，大專，主要從事電氣自動(dòng)化技術(shù)工作。