再加熱步進(jìn)爐儀表系統(tǒng)自動化節(jié)能改造

唐　毅

（洛伊熱工工程（天津）有限公司天津300192）

再加熱步進(jìn)爐儀表系統(tǒng)自動化節(jié)能改造

唐毅

（洛伊熱工工程（天津）有限公司天津300192）

本文描述了采用SIEMENS S7 414-5H CPU和WINCC等自動化產(chǎn)品實現(xiàn)再加熱步進(jìn)爐的自動控制。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)合了Profibus-DP冗余現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)（TCP/IP），使用STEP7編程實現(xiàn)了雙交叉PID，使用WINCC軟件實現(xiàn)了各工藝子系統(tǒng)畫面以及參數(shù)監(jiān)控、報表打印等功能。實現(xiàn)了用戶控溫節(jié)能的目的。

SIEMENS；S7 414-5H；WINCC；雙交叉PID；節(jié)能

1　項目簡介

1.1概述

天津鋼管公司（TPCO）軋管一部Ф250機(jī)組再加熱爐始建于上世紀(jì)80年代，2000年進(jìn)行了油改氣，爐溫控制采用施耐德（Modicon）PLC控制系統(tǒng)，至今已工作十多年，為TPCO的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)繁瑣，而且已進(jìn)入設(shè)備老化和故障多發(fā)階段，爐溫波動大，鋼管加熱質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端日益明顯。

公司對該項目的改造主要是對再加熱爐熱工控制系統(tǒng)改造。改造后的控制系統(tǒng)采用西門子當(dāng)時最先進(jìn)的S7 414-5H冗余控制系統(tǒng)、從站采用熱插拔冗余設(shè)計、主流的WINCC7.0可視畫面操作系統(tǒng)軟件，采用我司研發(fā)的基于PID控制的雙交叉控溫程序，改造后溫度控制精度高、均勻性號好、能耗低。該項目在2013年12月經(jīng)用戶正式驗收使用后,一直保持正常生產(chǎn)運行,為客戶創(chuàng)造了重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)利益。

1.2項目概況

1.2.1用戶要求保留全部原有的儀表控制功能，如：爐溫超過1000℃、熱風(fēng)溫度超過500℃、總管煤氣壓力低于6kPa時設(shè)聲音報警裝置。另外，添加停爐報警燈。配備彩色打印機(jī)。保存5年爐況記錄。爐溫曲線保存一個月，隨時能打印。PLC主站更換，從站系統(tǒng)更換。PLC程序編制及調(diào)試，HMI程序編制及調(diào)試等主要內(nèi)容。

1.2.2本次升級改造必須要在規(guī)定的時間內(nèi)完成，不能影響正常的工業(yè)生產(chǎn)。（含在現(xiàn)場拆除、安裝及調(diào)試時間最多7天）。

1.2.3項目完成后達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：溫度控制精度0.8%（溫控精度:預(yù)熱段±10℃，加熱段和均熱段±8℃），爐子能耗降低1%。

1.3控制系統(tǒng)主要控制設(shè)備

主要控制設(shè)備的自動化產(chǎn)品數(shù)量及型號見表1。

表1　主要控制設(shè)備的型號與數(shù)量

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2　控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（見圖1）

本系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括控制層(系統(tǒng)操作層)、設(shè)備層（I/O層）。（1）設(shè)備層。CPU采用西門子的S7 414-5H冗余CPU，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP冗余總線連接各個遠(yuǎn)程I/O站。（2）控制層。采用標(biāo)準(zhǔn)的100M以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)和PLC之間通過交換機(jī)通訊。

圖1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2上位機(jī)配置

上位機(jī)設(shè)備屬于控制層設(shè)備，此部分包含了2臺西門子工控機(jī)站、1臺D_LINK 8口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、1臺激光打印機(jī)、1臺IBM便攜式計算機(jī)作為工程師站。

2.3上位組態(tài)軟件配置

操作員站采用WINCC7.0 8K運行版作為上位機(jī)的組態(tài)軟件,上位機(jī)內(nèi)配備CP1613通訊網(wǎng)卡以連接冗余CPU，操作系統(tǒng)為Windows 7 Professional。

工程師站內(nèi)安裝編程軟件STEP-7 v5.5，組態(tài)軟件采用WINCC 7.0開發(fā)版，8K帶授權(quán)，操作系統(tǒng)為Windows 7 Professional。

2.4監(jiān)控畫面（見圖2）

圖2　畫面概況

3　控制系統(tǒng)功能及要點

3.1雙交叉PID控溫

該控溫方法是我司在基本雙交叉PID控溫的理論下自行開發(fā)出來的一種比例偏差型雙交叉控溫方法，其控制溫度變化的反應(yīng)速度較之前的方法有了很大的提高，不再僅限于穩(wěn)定工況的控溫，十分符合用戶步進(jìn)爐現(xiàn)場多變的負(fù)荷情況。為了保持跟以前一致的控制習(xí)慣，將雙交叉K1、K2、K3、K4參數(shù)端口外置，便于用戶修改。雖然現(xiàn)場閥門沒有在本次改造范圍內(nèi)，一些閥門的控制精度和滯后性，對控溫精度產(chǎn)生了一些影響，但在連續(xù)生產(chǎn)的工況下，控溫精度達(dá)到：預(yù)熱段±5℃，加熱段和均熱段±4℃（系統(tǒng)），滿足了用戶的控制精度要求。經(jīng)過能耗統(tǒng)計，也達(dá)到了用戶的節(jié)能1%指標(biāo)要求。

3.2溫控連鎖

PLC程序中設(shè)定爐溫安全聯(lián)鎖觸發(fā)條件：空氣壓力低、煤氣壓力低、壓縮空氣壓力低、凈環(huán)冷卻水壓力低、急停繼電器觸發(fā)、HMI手動停爐報警。有以上聯(lián)鎖條件觸發(fā)后：煤氣總管切斷閥切換為手動狀態(tài)，并關(guān)閉；各區(qū)溫控PID由切換為手動狀態(tài)，并關(guān)閉空煤氣閥門；熱風(fēng)壓力調(diào)節(jié)閥、熱風(fēng)放散調(diào)節(jié)閥、煤氣總管調(diào)節(jié)閥切換為手動狀態(tài)，并設(shè)置為0%開度；煙道閘板調(diào)節(jié)閥切換為手動狀態(tài)，并設(shè)置為5%開度。

3.3集中降溫

當(dāng)用戶在HMI上手動觸發(fā)該功能后，可以實現(xiàn)分段（1-4,5-8,9-12）集中降溫功能。降低的溫度可以通過HMI設(shè)定，但不能超限（一般為10℃）。降溫時以1℃/10s的速率進(jìn)行，并可以隨時取消該功能。

3.4集中關(guān)斷

當(dāng)用戶在HMI上手動觸發(fā)該功能后，可以實現(xiàn)分段（1-4,5-8,9-12）集中關(guān)斷功能。當(dāng)關(guān)斷時，各PID環(huán)節(jié)都切換為手動模式，空煤氣閥門輸出為0；但空氣閥按照閥門下限控制，可以對下限進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到空氣閥關(guān)閉時留量的目的。

3.5集中恢復(fù)

當(dāng)用戶在HMI上取消集中關(guān)斷后，可以實現(xiàn)分段（1-4,5-8,9-12）集中恢復(fù)功能。溫度設(shè)定值逐漸恢復(fù)到集中關(guān)斷前的溫度值。集中降溫、集中關(guān)斷、集中恢復(fù)這三個功能實現(xiàn)了用戶待料時降溫節(jié)能的目的。

3.6自動報表打印功能

設(shè)置打印報表溫度門檻，當(dāng)最高爐溫超過該設(shè)定值時，啟動自動打印報表功能，按照設(shè)定時間間隔，輸出規(guī)定的溫度流量值到報表，該報表以.CSV的格式存儲，便于EXECL讀取。

4　項目運行

經(jīng)過前期的仔細(xì)準(zhǔn)備，在2013.9.1軋管一部開始年檢后，僅用2天就完成了新舊電氣柜的更換和接線，再經(jīng)過2天的冷調(diào)后，提前進(jìn)入烘爐準(zhǔn)備階段。在接下來的3個月生產(chǎn)測試過程中，設(shè)備運行良好，狀態(tài)穩(wěn)定，溫控精度和節(jié)能效果都達(dá)到、超出了設(shè)計要求，圓滿完成了改造項目的任務(wù)。

5　結(jié)語

通過整個項目的實施過程，從設(shè)計、安裝到調(diào)試，對改造項目工有了更深層次的了解和認(rèn)識。（1）西門子S7 414-5H該CPU是當(dāng)年西門子最新推出的冗余CPU，按照我們的經(jīng)驗一般是不會采用如此未經(jīng)過市場時間驗證的產(chǎn)品，但是由于用戶的堅持，我們采用了它，在設(shè)備投產(chǎn)后系統(tǒng)長期無故障的使用，還是證明了這款西門子的產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠。（2）由于本項目是改造項目，要求現(xiàn)場停機(jī)時間短，恢復(fù)生產(chǎn)后控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，較以前的系統(tǒng)控溫精度高。這就要求我們在前期必須做好大量的準(zhǔn)備工作，仔細(xì)核對設(shè)備圖紙和現(xiàn)場實際的差別，設(shè)計好對應(yīng)的線路和電纜接口，設(shè)計好完善的程序，并對改造方案仔細(xì)斟酌，力求在盡量少的時間內(nèi)完成電氣系統(tǒng)設(shè)備更換及測試，保證設(shè)備正常投產(chǎn)、為用戶創(chuàng)造更大的利潤。

[1]西門子STEP 7編程手冊.