一種退火爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)在工廠(chǎng)中的應(yīng)用

張文平

（山西太原鋼鐵集團(tuán)有限公司冷軋硅鋼廠(chǎng)， 山西 太原 030003)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-400 PLC控制器、S7-400編程軟件及WINCC組態(tài)畫(huà)面，用來(lái)完成溫度、壓力等參數(shù)的采集及溫度實(shí)時(shí)控制。主要實(shí)現(xiàn)退火爐溫度的設(shè)定和監(jiān)視、過(guò)程控制、設(shè)備的聯(lián)鎖控制、報(bào)警監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)的分析。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，溫控精度達(dá)到±5℃，很好地滿(mǎn)足了控制要求。

1 退火爐在生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用現(xiàn)狀

退火是一種金屬熱處理工藝，是將金屬按工藝溫度、工藝時(shí)間，以及冷卻速率的熱處理方法。其目的是，降低硬度，軟化工件，改善切削加工性；改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過(guò)程中造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，減少工件變形、開(kāi)裂或裂紋傾向；細(xì)化晶粒，改善組織以提高工件的機(jī)械性能，消除組織缺陷；均勻材料組織和成分，改善材料性能。退火溫度是整個(gè)工藝的主要控制目標(biāo)，是產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素。

退火爐由不同的加熱方式分為電加熱、燃油加熱、煤氣（天然氣）加熱三種不同類(lèi)型。分別是電加熱退火爐、燃油退火爐、煤氣（天然氣）退火爐。在退火爐工藝要求中，溫度是關(guān)鍵指標(biāo)，退火爐爐溫控制精度及穩(wěn)定性成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。

2 退火爐爐溫控制方案

本加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用單交叉控制方案，即可實(shí)現(xiàn)控制要求。爐溫測(cè)量原件采用K型和S型兩種熱電偶，根據(jù)不同的溫度范圍選擇相應(yīng)分度的熱電偶。

由熱電偶測(cè)出爐內(nèi)溫度與設(shè)定值比較，溫度調(diào)節(jié)回路與煤氣、空氣調(diào)節(jié)回路形成串級(jí)，調(diào)節(jié)煤氣和空氣量以達(dá)到規(guī)定的溫度，通過(guò)單交叉限幅可較好地實(shí)現(xiàn)充分燃燒。溫度測(cè)量需設(shè)置兩支熱電偶，正常時(shí)一支用于控制，一支用于監(jiān)視報(bào)警，發(fā)生損壞時(shí)通過(guò)HMI進(jìn)行切換。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)爐膛溫度受流量變化發(fā)生改變時(shí)，熱電偶的信號(hào)也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變，該信號(hào)最總轉(zhuǎn)化為測(cè)量溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，輸出量用于控制煤氣空氣的流量，通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣空氣的流量使膛溫度接近設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的控制要求。

3 退火爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)爐溫控制方案設(shè)計(jì)的加熱爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由加熱爐(調(diào)節(jié)對(duì)象)、熱電偶(檢測(cè)元件)、溫度變送器、調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）和顯示單元等六個(gè)部分組成。

TI為爐膛實(shí)際的測(cè)量溫度，F(xiàn)T_G為控制的煤氣流量，F(xiàn)T_A為控制的空氣流量。溫度信號(hào)由檢測(cè)元件進(jìn)入控制系統(tǒng)，與設(shè)定溫度即SV值進(jìn)行比較后經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，輸出信號(hào)至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制煤氣、空氣流量來(lái)以改變?nèi)細(xì)獾牧髁?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖1 加熱爐溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 流程圖

根據(jù)控制要求和結(jié)構(gòu)圖，繪制加熱爐溫控系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 加熱爐溫控系統(tǒng)流程圖

4 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵及控制指標(biāo)

采用爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要的問(wèn)題:溫度測(cè)量的精度及信號(hào)轉(zhuǎn)化；流量測(cè)量的精度；控制閥的穩(wěn)定；爐溫控制PID參數(shù)的調(diào)整；流量PID參數(shù)調(diào)整。

升溫過(guò)程中，流量需求值不一定是線(xiàn)性變化，而且隨著測(cè)量值接近目標(biāo)值的過(guò)程中，很容易引起溫度的大幅波動(dòng)。為保證穩(wěn)定的升溫速率，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求是很高的。這就關(guān)系到檢測(cè)元件的選擇和PID參數(shù)的調(diào)整。

總體改造思路:

1）選用K型或S型熱電偶作為一次測(cè)溫元件；空氣流量和煤氣流量用橫河EJA變送器測(cè)量，選用空氣流量調(diào)節(jié)閥和煤氣流量調(diào)節(jié)閥。

2）西門(mén)子S7-400PLC進(jìn)行軟件編程和調(diào)節(jié)；西門(mén)子WINCC進(jìn)行HMI畫(huà)面制作。

3）記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4）控制目標(biāo)。升溫時(shí)，溫度控制精度:±10℃；保溫時(shí)，溫度控制精度:±5℃。

5 控制系統(tǒng)的硬件

5.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)工藝要求，整個(gè)系統(tǒng)爐溫可以由二級(jí)機(jī)自動(dòng)下發(fā)爐溫，也可以在HMI畫(huà)面由操作人員輸入工藝爐溫值?；A(chǔ)自動(dòng)化級(jí)采用西門(mén)子公司傳統(tǒng)的PLC，實(shí)現(xiàn)各爐溫的測(cè)量、控制及聯(lián)鎖控制；爐壓測(cè)量，煤氣、空氣流量測(cè)量及控制。監(jiān)控級(jí)為臺(tái)灣研華生產(chǎn)的工業(yè)控制機(jī)，完成對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控、報(bào)警、制表等功能。

5.2 監(jiān)控系統(tǒng)

1）采用西門(mén)子WINCC監(jiān)控軟件，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，組態(tài)自由，具有統(tǒng)一的通訊、統(tǒng)一的組態(tài)工具、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，且能與電氣PLC和二級(jí)機(jī)便捷通訊。

2）WINCC監(jiān)控 采用開(kāi)放型全圖形化人機(jī)操作界面，組態(tài)方便，操作簡(jiǎn)單。

3）擁有完備的工業(yè)圖形庫(kù)，如模擬傳統(tǒng)顯示儀表、管道、閥門(mén)等，方便了工程師設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程畫(huà)面。

4）采用全漢化界面，并且具有動(dòng)態(tài)語(yǔ)言切換功能。

5）監(jiān)控系統(tǒng)有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”操作兩種控制模式，滿(mǎn)足工藝控制的要求。采用自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)操作人員設(shè)定的爐溫自動(dòng)控制煤氣、空氣流量，達(dá)到自動(dòng)控溫的目的。

6）工程師站采用研華工控機(jī)，21英寸大屏顯示器。WINCC軟件與PLC的進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，完成爐溫系統(tǒng)的控制和測(cè)量。具有歷史曲線(xiàn)記錄、查詢(xún)、報(bào)表、報(bào)警等界面。

圖3 退火爐溫度控制系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)配置圖

5.3 PLC控制單元

PLC控制單元是自動(dòng)控制的核心部分，采集爐溫測(cè)量信號(hào)，煤氣、空氣的實(shí)際流量信號(hào)，壓力信號(hào)等工作狀態(tài)信號(hào)，在HMI畫(huà)面顯示。并同時(shí)輸出對(duì)煤氣流量閥、空氣流量閥的控制。

6 控制系統(tǒng)的軟件

6.1 軟件功能描述

1）軟件通過(guò)編程主要完成以下功能:各個(gè)加熱區(qū)溫度顯示、控制，同時(shí)具有超高溫報(bào)警的功能；各個(gè)加熱區(qū)煤氣流量的測(cè)量顯示、控制；各個(gè)加熱區(qū)空氣流量的測(cè)量顯示、控制；煤氣消耗的總流量記錄；煤氣總管壓力顯示、記錄，并具有報(bào)警功能；主風(fēng)機(jī)壓力顯示，報(bào)警；點(diǎn)火空氣壓力顯示，報(bào)警；點(diǎn)火煤氣壓力低報(bào)警；排煙風(fēng)機(jī)壓力顯示、控制，并具有報(bào)警功能；排煙風(fēng)機(jī)入口溫度測(cè)量、控制，超溫報(bào)警；氮?dú)饬髁繙y(cè)量及控制；爐壓測(cè)量及控制。

2）從煤氣爐安全使用考慮，做為工廠(chǎng)必備的安全連鎖條件:煤氣總管切斷閥的連鎖；點(diǎn)火煤氣、點(diǎn)火空氣切斷閥的連鎖；排煙風(fēng)機(jī)的連鎖；主風(fēng)機(jī)的連鎖；點(diǎn)火風(fēng)機(jī)的連鎖。

3）編程軟件所用的開(kāi)發(fā)工具。操作系統(tǒng):Windows xp3；編程軟件西門(mén)子中文軟件step7 5.3；HMI組態(tài)畫(huà)面西門(mén)子WINCC V6.2。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì):整個(gè)系統(tǒng)控制軟件是由西門(mén)子WINCC組態(tài)控制軟件和STEP7編程軟件完成。軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

7 系統(tǒng)的功能

7.1 HMI畫(huà)面功能

總體畫(huà)面概貌頁(yè)顯示，用于查看總體畫(huà)面；歷史曲線(xiàn)顯示，用于查看歷史控制。

報(bào)警記錄的顯示和確認(rèn)，用于查看歷史報(bào)警記錄；標(biāo)準(zhǔn)操作面板，用于操作員HMI畫(huà)面操作；報(bào)告和報(bào)表的打印，用于打印生成的報(bào)表；系統(tǒng)自診斷結(jié)果的顯示，診斷系統(tǒng)故障。

7.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1）所有設(shè)備操作均在HMI畫(huà)面進(jìn)行操作，具體的操作均采用彈出式窗口進(jìn)行操作、修改。主要是爐溫的設(shè)定；煤氣、空氣流量設(shè)定；各種壓力的設(shè)定；閥門(mén)開(kāi)度手動(dòng)輸入等。

2）爐溫調(diào)節(jié)具有三種控制方式。全自動(dòng)方式:爐溫設(shè)定值由二級(jí)機(jī)自動(dòng)給定，爐溫自動(dòng)進(jìn)行控制；自動(dòng)方式:爐溫設(shè)定值由操作者給定，爐溫自動(dòng)進(jìn)行控制；手動(dòng)方式:操作者直接控制爐溫調(diào)節(jié)回路的輸出，手動(dòng)控制爐溫。調(diào)節(jié)回路為連續(xù)PID控制方式。

3）爐溫調(diào)節(jié)回路設(shè)定有上下限幅，防止燃燒量過(guò)大或過(guò)小。當(dāng)爐溫過(guò)高時(shí)，在報(bào)警畫(huà)面上有溫度高報(bào)警顯示。

4）一個(gè)加熱區(qū)爐溫監(jiān)控均設(shè)有兩根熱電偶，一根用于控制，另一根用于備用顯示及報(bào)警。當(dāng)控制用電偶輸入開(kāi)路時(shí)，爐溫調(diào)節(jié)回路將自動(dòng)變換為手動(dòng)方式，輸出保持原值。此時(shí)，可由維護(hù)人員將控制用電偶切換為另外一根，并適時(shí)進(jìn)行故障處理。

5）系統(tǒng)安全連鎖考慮。煤氣壓力低報(bào)警，低低限為防止回火切斷主煤氣及點(diǎn)火煤氣；主燃燒空氣壓力低報(bào)警，低于規(guī)定值連鎖主煤氣切斷；排煙風(fēng)機(jī)壓力高報(bào)警，高于規(guī)定值連鎖主煤氣切斷；點(diǎn)火空氣、點(diǎn)火煤氣壓力低報(bào)警，低于規(guī)定值連鎖點(diǎn)火煤氣及主煤氣切斷。

8 結(jié)語(yǔ)

退火爐爐溫自動(dòng)控制處系統(tǒng)是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，它包括與之相關(guān)的生產(chǎn)工藝流程、相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備。本文提出的爐溫自動(dòng)控制方案，已成功應(yīng)用于太鋼連續(xù)退火爐改造工程中，對(duì)于退火爐溫度自動(dòng)控制的應(yīng)用有十分積極的應(yīng)用和指導(dǎo)作用。