PLC在榆鋼雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐的應(yīng)用

李鈺平

（酒鋼集團(tuán)榆鋼公司軋鋼廠，甘肅　榆中　730100）

PLC在榆鋼雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐的應(yīng)用

李鈺平

（酒鋼集團(tuán)榆鋼公司軋鋼廠，甘肅榆中730100）

加熱爐是軋鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是軋鋼系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，采用成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的加熱爐結(jié)構(gòu)形式，對(duì)提升軋鋼產(chǎn)能、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、促進(jìn)指標(biāo)進(jìn)步，、減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)具有重要作用。本文結(jié)合榆鋼軋鋼系統(tǒng)四座蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐多年的使用情況，介紹其結(jié)構(gòu)形式，分析自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成，描述完成的主要控制功能和采用的關(guān)鍵技術(shù)，歸納蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)，最后提出使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

PLC應(yīng)用；蓄熱式；步進(jìn)梁式；加熱爐

1　雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐結(jié)構(gòu)

榆鋼雙蓄熱步進(jìn)式加熱爐主要由燃燒系統(tǒng)、步進(jìn)機(jī)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。其中燃燒系統(tǒng)主要包括：蓄熱式燒嘴、助燃空氣系統(tǒng)、高爐煤氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、點(diǎn)火烘爐系統(tǒng)、氮?dú)獯祾吆头派⑾到y(tǒng)及其他輔助設(shè)施；步進(jìn)機(jī)構(gòu)采用雙層框架斜坡雙滾輪式，通過液壓驅(qū)動(dòng)，主要由平移框架、提升框架、平移導(dǎo)向裝置、提升導(dǎo)向裝置、平移液壓缸、提升液壓缸、平移滾輪、提升滾輪以及提升斜軌座等設(shè)備組成；冷卻方式采用了強(qiáng)制汽化冷卻方式。

2　自動(dòng)化系統(tǒng)組態(tài)

2.1概述

加熱爐自動(dòng)化系統(tǒng)是由PLC系統(tǒng)以及工作站（HMI）組成。PLC用于過程數(shù)據(jù)采集、邏輯順序和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制、計(jì)算和過程I/O處理等?，F(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUSDP）用于就地收集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。工作站（HMI）用于過程畫面顯示、參數(shù)設(shè)定和修改、報(bào)警和事故顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)用于加熱爐PLC、工作站（HMI）之間的信息傳遞。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

每座加熱爐設(shè)置兩套PLC系統(tǒng)，一套用于加熱爐前、爐底和風(fēng)機(jī)等附屬設(shè)備及液壓系統(tǒng)的電氣控制，一套用于燃燒系統(tǒng)和汽化冷卻系統(tǒng)儀表控制。

2.2系統(tǒng)組態(tài)

2.2.1可編程序控制器（PLC）

PLC系統(tǒng)采用SIEMENSS7-300系列高性能可編程序控制器。

基本配置包括：中央機(jī)架、電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、計(jì)數(shù)器模塊。

編程軟件：STEP7V5.5。

2.2.2現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線選用PROFIBUSDP，按照分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O與PLC通訊?；九渲冒ǎ航涌谀K、電源模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。

2.2.3工作站（HMI）

HMI采用高性能的工業(yè)PC機(jī)。

硬件配置：

CPU：PentiumIV3.0GHz；RAM：2GBSDRAM；硬盤：200GB；顯示內(nèi)存：64MB；顯示器：19"LCD；以太網(wǎng)卡：CP1613。

軟件部分：

操作系統(tǒng)為：WindowsXP；監(jiān)控軟件：WinCC V7.0

3　主要控制功能

3.1電氣系統(tǒng)PLC完成的控制功能

·原始數(shù)據(jù)的采集和與其他相關(guān)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊。

·坯料在爐內(nèi)裝料輥道上按布料要求的定位。

·爐內(nèi)裝料輥道的速度控制以及和爐外入爐輥道的同步。

·裝/出料爐門開閉及行程控制。

·推鋼機(jī)啟停及行程控制。

·步進(jìn)梁的行程設(shè)定和控制。

·步進(jìn)梁正循環(huán)、逆循環(huán)、踏步、中間保持的控制。

·爐內(nèi)坯料位置跟蹤。

·液壓站的控制。

·助燃（引）風(fēng)機(jī)的控制。

·爐區(qū)各設(shè)備間的連鎖。

3.2儀表系統(tǒng)PLC完成的控制功能

根據(jù)工藝要求，加熱爐由預(yù)熱、均熱段、加熱段三段組成，生產(chǎn)中需要分段完成如下控制功能：爐溫控制、煤氣總管壓力及低壓切斷控制、空氣總管壓力控制、爐膛壓力的調(diào)節(jié)、蓄熱換向控制、排煙溫度控制、水封槽液位測(cè)量。

3.3工作站HMI畫面

1）儀控系統(tǒng)畫面主要包括：開爐允許畫面、系統(tǒng)總貌畫面、報(bào)警總貌畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、分段顯示畫面、控制回路畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面、歷史記錄畫面。

2）電控系統(tǒng)畫面主要包括；爐內(nèi)坯料定位畫面、步進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)畫面、液壓站運(yùn)行狀態(tài)畫面。

4　關(guān)鍵控制技術(shù)

4.1雙交叉限幅爐溫控制

加熱爐的燃燒控制水平直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗等各項(xiàng)指標(biāo)。在實(shí)際使用中有自動(dòng)、手動(dòng)無(wú)憂轉(zhuǎn)換兩種控制方式。通過設(shè)定各部分加熱的溫度值，控制各段燃料量的輸入，保證出鋼溫度及溫度的均勻性。

對(duì)于每段的爐溫控制回路，由熱電偶實(shí)測(cè)溫度值參與爐溫調(diào)節(jié)，操作員可以在HMI上任意選擇，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

通過雙交叉限幅的串級(jí)比值控制方法，有效控制動(dòng)態(tài)空燃比。同時(shí)，該方法還可以根據(jù)溫度偏差自動(dòng)修正限幅系數(shù)，大大提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度?？刂圃矸娇驁D如圖2所示。

圖2　控制原理方框圖

當(dāng)相應(yīng)段的溫度超過允許值，系統(tǒng)發(fā)出超溫報(bào)警信號(hào)；當(dāng)任何一只熱電偶被燒壞，本回路立即切換到手動(dòng)模式，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；最大加熱速率對(duì)溫度調(diào)節(jié)器輸出限幅，防止鋼坯過熱。

4.2蓄熱換向控制

蓄熱式燒嘴在爐墻兩側(cè)分上下兩層對(duì)稱布置，采用左右組合交叉式結(jié)構(gòu)，每段每側(cè)空煤氣燒嘴分別并聯(lián)使用一套大型氣動(dòng)二位三通換向閥。換向閥有3個(gè)進(jìn)出口，其中有一個(gè)口通向空氣（或煤氣）蓄熱室，另外兩個(gè)口分別連接排煙機(jī)和空氣（或煤氣）管道，通過閥板的換向運(yùn)動(dòng)使燒嘴連通或切斷空氣（或煤氣）與排煙管路。換向過程中為防止各通道的連通，采用先切斷后換向的原理，換向過程安全可靠。

換向系統(tǒng)通過PLC實(shí)現(xiàn)分段分側(cè)自動(dòng)控制，也可手動(dòng)強(qiáng)制換向控制，并在HMI上設(shè)有功能顯示，工作狀態(tài)顯示等，使操作者對(duì)蓄熱燃燒系統(tǒng)工作情況一目了然，操作和監(jiān)視十分方便。

換向控制系統(tǒng)主要功能有：

定時(shí)換向：當(dāng)換向系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，換向閥以一定的時(shí)間間隔 （正常工作時(shí)換向周期為50～90s左右）完成換向動(dòng)作。

定溫?fù)Q向：當(dāng)排煙溫度過高時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)制換向閥換向，直至排煙溫度下降到設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

手動(dòng)換向：當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可在HMI上對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)換向閥進(jìn)行手動(dòng)換向，便于調(diào)試和故障處理。

動(dòng)作異常報(bào)警：當(dāng)換向閥閥位異?；蜷L(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作不到位時(shí)，HMI上會(huì)出現(xiàn)報(bào)警指示燈閃爍并指示故障點(diǎn)所在位置，系統(tǒng)作出相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)或人工干預(yù)。

4.3活動(dòng)梁的調(diào)速和步距控制

實(shí)際生產(chǎn)中，活動(dòng)梁是按照“上升—前進(jìn)—下降—后退”的矩形運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)鋼坯的步進(jìn)運(yùn)輸。為了防止步進(jìn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊和震動(dòng)，所有運(yùn)動(dòng)過程中的速度是變化的，以保證運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束都是緩慢的，即動(dòng)梁和定梁與鋼坯的接觸均為通常所說(shuō)的“軟接觸”。如圖3所示。

圖3　活動(dòng)梁的調(diào)速與步距控制

調(diào)速控制回路采用開環(huán)控制方式，通過升降液壓缸和平移液壓缸上的傳感器分別檢測(cè)爐底升降框架和平移框架的位置，并輸入PLC。在預(yù)先設(shè)定的位置上，PLC自動(dòng)輸出設(shè)定電壓給電液比例放大器，后者將輸入電壓信號(hào)按比例放大后輸出電流信號(hào)給電液比例調(diào)速閥線圈，此時(shí)比例閥自動(dòng)調(diào)整其閥芯的開口度，使其輸出流量與要求值相符，從而完成步進(jìn)機(jī)構(gòu)的速度控制。原理如圖4所示：

圖4　調(diào)速控制原理

同時(shí)，通過升降和平移液壓缸上的位移傳感器隨時(shí)監(jiān)測(cè)活動(dòng)梁的位置信號(hào)，輸入PLC系統(tǒng)與設(shè)定位置信號(hào)比較，從而使上一個(gè)步進(jìn)行程的偏差在下一個(gè)步進(jìn)行程得到了糾正，保證了坯料在爐內(nèi)位置的精度。

5　雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)

1）加熱溫度均勻，鋼坯四面受熱，加熱質(zhì)量好。

2）加熱速度快，有利于降低鋼坯的氧化燒損，有利于易脫碳鋼種對(duì)脫碳層深度的控制。

3）操作靈活，可前進(jìn)、后退或踏步，改變裝料間距。

4）便于與連鑄協(xié)調(diào)進(jìn)行熱裝熱送，節(jié)約能耗。

5）氧化燒損少，爐底設(shè)有刮渣裝置，氧化鐵皮清理容易。

6　使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

1）由于步進(jìn)梁動(dòng)作頻繁，加之日常檢修維護(hù)不規(guī)范。可能導(dǎo)致液壓油受到污染，偶爾會(huì)出現(xiàn)“卡閥”或密封破損等情況，導(dǎo)致推鋼機(jī)、活動(dòng)梁運(yùn)行速度不穩(wěn)定，出現(xiàn)“亂步距”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有出“雙鋼”，現(xiàn)象，影響軋制節(jié)奏，甚至造成生產(chǎn)中斷。在故障處理時(shí)容易誤認(rèn)為是PLC控制系統(tǒng)故障，但只要借助控制程序和監(jiān)視畫面分析，故障也很容易發(fā)現(xiàn)。日常檢修維護(hù)中要定期對(duì)閥臺(tái)做好清洗。在作業(yè)過程中要防止液壓油受到污染。

2）由于加熱爐底部環(huán)境較為惡劣，作為位置檢測(cè)元件的位移傳感器安裝在爐底升降和平移液壓缸上，必須要做好防護(hù)，防止電纜接地或虛接。要求每天檢查并及時(shí)包扎或更換損傷的傳感器電纜，防止因位移傳感器信號(hào)失真造成PLC系統(tǒng)工作異常，影響生產(chǎn)。

3）更換完平移和升降液壓缸或位移傳感器后，務(wù)必做好控制程序中各種位置的標(biāo)定工作，并在手動(dòng)、自動(dòng)條件下進(jìn)行調(diào)試。

4）日常維護(hù)中應(yīng)隨時(shí)注意HMI畫面和PLC機(jī)架上模塊的各種報(bào)警信息，及時(shí)查明原因，處理故障，保證系統(tǒng)工作可靠。

5）在加熱爐頂或周邊進(jìn)行各種儀表的檢查和校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守煤氣區(qū)域作業(yè)相關(guān)安全規(guī)程，攜帶煤氣報(bào)警器并兩人同行，防止發(fā)生人身傷害事故。

7　結(jié)束語(yǔ)

榆鋼通過一期、二期項(xiàng)目建設(shè)，采用交鑰匙工程方式先后建成了五座軋鋼蓄熱式加熱爐，其中一座為推鋼式，其余四座為步進(jìn)梁式，均采用SIEMENSPLC控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明，蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐通過PLC系統(tǒng)對(duì)空燃比、煙氣殘氧量、燃料和空氣流量等參數(shù)的控制，使加熱爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的最佳燃燒，加熱后產(chǎn)品氧化程度低，產(chǎn)生污染低（形成NOx）。同時(shí)，通過步進(jìn)梁采用交錯(cuò)布置技術(shù)，完全消除了鋼坯“黑印”。另外，加熱爐采用汽化冷卻系統(tǒng)，具有節(jié)水、節(jié)能和富產(chǎn)蒸汽的特點(diǎn)，可以回收利用。總之，蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐完全符合軋鋼生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無(wú)公害以及生產(chǎn)操作自動(dòng)化的要求。

［1］ 西門子（中國(guó)）有限公司，S7-300/400系統(tǒng)軟件和標(biāo)準(zhǔn)功能。

［2］ 西門子（中國(guó)）有限公司，SIMATICWinCCV7.0速成手冊(cè)09。

［3］ 《榆鋼支持地震災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建項(xiàng)目高線生產(chǎn)線150t/h、步進(jìn)梁式加熱爐總承包工程合同》技術(shù)附件

TG307