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，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　自動化系統(tǒng)組態(tài)

2.1概述

加熱爐自動化系統(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)場總線（PROFIBUSDP）用于就地收集現(xiàn)場信號。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)場總線

現(xiàn)場總線選用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、手動無憂轉(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。

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

通過雙交叉限幅的串級比值控制方法，有效控制動態(tài)空燃比。同時(shí)，該方法還可以根據(jù)溫度偏差自動修正限幅系數(shù)，大大提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。控制原理方框圖如圖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；當(dāng)任何一只熱電偶被燒壞，本回路立即切換到手動模式，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號；最大加熱速率對溫度調(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)自動控制，也可手動強(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)。

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

動作異常報(bào)警：當(dāng)換向閥閥位異?；蜷L時(shí)間動作不到位時(shí)，HMI上會出現(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活動梁的調(diào)速和步距控制

實(shí)際生產(chǎn)中，活動梁是按照“上升—前進(jìn)—下降—后退”的矩形運(yùn)動軌跡運(yùn)動以實(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，所有運(yùn)動過程中的速度是變化的，以保證運(yùn)動的開始和結(jié)束都是緩慢的，即動梁和定梁與鋼坯的接觸均為通常所說的“軟接觸”。如圖3所示。

圖3　活動梁的調(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自動輸出設(shè)定電壓給電液比例放大器，后者將輸入電壓信號按比例放大后輸出電流信號給電液比例調(diào)速閥線圈，此時(shí)比例閥自動調(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)測活動梁的位置信號，輸入PLC系統(tǒng)與設(shè)定位置信號比較，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)梁動作頻繁，加之日常檢修維護(hù)不規(guī)范?？赡軐?dǎo)致液壓油受到污染，偶爾會出現(xiàn)“卡閥”或密封破損等情況，導(dǎo)致推鋼機(jī)、活動梁運(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)中要定期對閥臺做好清洗。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、自動條件下進(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

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?？傊?，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、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的要求。

［1］ 西門子（中國）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）有限公司，SIMATICWinCCV7.0速成手冊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