PLC在榆鋼雙蓄熱步進梁式加熱爐的應用

李鈺平

（酒鋼集團榆鋼公司軋鋼廠，甘肅　榆中　730100）

PLC在榆鋼雙蓄熱步進梁式加熱爐的應用

李鈺平

（酒鋼集團榆鋼公司軋鋼廠，甘肅榆中730100）

加熱爐是軋鋼生產的關鍵設備，也是軋鋼系統的主要耗能設備，采用成熟、可靠、經濟、實用的加熱爐結構形式，對提升軋鋼產能、改進產品質量、降低能耗、促進指標進步，、減少環境污染、實現自動化生產具有重要作用。本文結合榆鋼軋鋼系統四座蓄熱式步進梁式加熱爐多年的使用情況，介紹其結構形式，分析自動化控制系統的組成，描述完成的主要控制功能和采用的關鍵技術，歸納蓄熱式步進梁式加熱爐的優點，最后提出使用中應注意的事項。

PLC應用；蓄熱式；步進梁式；加熱爐

1　雙蓄熱步進梁式加熱爐結構

榆鋼雙蓄熱步進式加熱爐主要由燃燒系統、步進機構和冷卻系統構成。其中燃燒系統主要包括：蓄熱式燒嘴、助燃空氣系統、高爐煤氣系統、排煙系統、點火烘爐系統、氮氣吹掃和放散系統及其他輔助設施；步進機構采用雙層框架斜坡雙滾輪式，通過液壓驅動，主要由平移框架、提升框架、平移導向裝置、提升導向裝置、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備組成；冷卻方式采用了強制汽化冷卻方式。

2　自動化系統組態

2.1概述

加熱爐自動化系統是由PLC系統以及工作站（HMI）組成。PLC用于過程數據采集、邏輯順序和閉環調節控制、計算和過程I/O處理等?，F場總線（PROFIBUSDP）用于就地收集現場信號。工作站（HMI）用于過程畫面顯示、參數設定和修改、報警和事故顯示、系統狀態顯示等。以太網通訊網絡用于加熱爐PLC、工作站（HMI）之間的信息傳遞。拓撲結構如圖1所示。

圖1　自動化系統拓撲結構圖

每座加熱爐設置兩套PLC系統，一套用于加熱爐前、爐底和風機等附屬設備及液壓系統的電氣控制，一套用于燃燒系統和汽化冷卻系統儀表控制。

2.2系統組態

2.2.1可編程序控制器（PLC）

PLC系統采用SIEMENSS7-300系列高性能可編程序控制器。

基本配置包括：中央機架、電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、計數器模塊。

編程軟件：STEP7V5.5。

2.2.2現場總線

現場總線選用PROFIBUSDP，按照分布式結構，實現遠程I/O與PLC通訊?；九渲冒ǎ航涌谀K、電源模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、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PC機。

硬件配置：

CPU：PentiumIV3.0GHz；RAM：2GBSDRAM；硬盤：200GB；顯示內存：64MB；顯示器：19"LCD；以太網卡：CP1613。

軟件部分：

操作系統為：WindowsXP；監控軟件：WinCC V7.0

3　主要控制功能

3.1電氣系統PLC完成的控制功能

·原始數據的采集和與其他相關系統間的數據通訊。

·坯料在爐內裝料輥道上按布料要求的定位。

·爐內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。

·推鋼機啟停及行程控制。

·步進梁的行程設定和控制。

·步進梁正循環、逆循環、踏步、中間保持的控制。

·爐內坯料位置跟蹤。

·液壓站的控制。

·助燃（引）風機的控制。

·爐區各設備間的連鎖。

3.2儀表系統PLC完成的控制功能

根據工藝要求，加熱爐由預熱、均熱段、加熱段三段組成，生產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、爐膛壓力的調節、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）儀控系統畫面主要包括：開爐允許畫面、系統總貌畫面、報警總貌畫面、參數設定畫面、分段顯示畫面、控制回路畫面、實時趨勢畫面、歷史記錄畫面。

2）電控系統畫面主要包括；爐內坯料定位畫面、步進機構運行狀態畫面、液壓站運行狀態畫面。

4　關鍵控制技術

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品質量、能源消耗等各項指標。在實際使用中有自動、手動無憂轉換兩種控制方式。通過設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，由熱電偶實測溫度值參與爐溫調節，操作員可以在HMI上任意選擇，實現手動控制。

通過雙交叉限幅的串級比值控制方法，有效控制動態空燃比。同時，該方法還可以根據溫度偏差自動修正限幅系數，大大提高了控制系統的響應速度?？刂圃矸娇驁D如圖2所示。

圖2　控制原理方框圖

當相應段的溫度超過允許值，系統發出超溫報警信號；當任何一只熱電偶被燒壞，本回路立即切換到手動模式，同時系統發出報警信號；最大加熱速率對溫度調節器輸出限幅，防止鋼坯過熱。

4.2蓄熱換向控制

蓄熱式燒嘴在爐墻兩側分上下兩層對稱布置，采用左右組合交叉式結構，每段每側空煤氣燒嘴分別并聯使用一套大型氣動二位三通換向閥。換向閥有3個進出口，其中有一個口通向空氣（或煤氣）蓄熱室，另外兩個口分別連接排煙機和空氣（或煤氣）管道，通過閥板的換向運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。

換向系統通過PLC實現分段分側自動控制，也可手動強制換向控制，并在HMI上設有功能顯示，工作狀態顯示等，使操作者對蓄熱燃燒系統工作情況一目了然，操作和監視十分方便。

換向控制系統主要功能有：

定時換向：當換向系統處于自動運行狀態時，換向閥以一定的時間間隔 （正常工作時換向周期為50～90s左右）完成換向動作。

定溫換向：當排煙溫度過高時，系統將強制換向閥換向，直至排煙溫度下降到設定的溫度范圍內。

手動換向：當系統處于手動狀態時，可在HMI上對系統中的每個換向閥進行手動換向，便于調試和故障處理。

動作異常報警：當換向閥閥位異?；蜷L時間動作不到位時，HMI上會出現報警指示燈閃爍并指示故障點所在位置，系統作出相應的應急反應或人工干預。

4.3活動梁的調速和步距控制

實際生產中，活動梁是按照“上升—前進—下降—后退”的矩形運動軌跡運動以實現鋼坯的步進運輸。為了防止步進機構產生沖擊和震動，所有運動過程中的速度是變化的，以保證運動的開始和結束都是緩慢的，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　活動梁的調速與步距控制

調速控制回路采用開環控制方式，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。在預先設定的位置上，PLC自動輸出設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速閥線圈，此時比例閥自動調整其閥芯的開口度，使其輸出流量與要求值相符，從而完成步進機構的速度控制。原理如圖4所示：

圖4　調速控制原理

同時，通過升降和平移液壓缸上的位移傳感器隨時監測活動梁的位置信號，輸入PLC系統與設定位置信號比較，從而使上一個步進行程的偏差在下一個步進行程得到了糾正，保證了坯料在爐內位置的精度。

5　雙蓄熱步進梁式加熱爐的優點

1）加熱溫度均勻，鋼坯四面受熱，加熱質量好。

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、后退或踏步，改變裝料間距。

4）便于與連鑄協調進行熱裝熱送，節約能耗。

5）氧化燒損少，爐底設有刮渣裝置，氧化鐵皮清理容易。

6　使用中應注意的事項

1）由于步進梁動作頻繁，加之日常檢修維護不規范?？赡軐е乱簤河褪艿轿廴?，偶爾會出現“卡閥”或密封破損等情況，導致推鋼機、活動梁運行速度不穩定，出現“亂步距”現象，嚴重時會有出“雙鋼”，現象，影響軋制節奏，甚至造成生產中斷。在故障處理時容易誤認為是PLC控制系統故障，但只要借助控制程序和監視畫面分析，故障也很容易發現。日常檢修維護中要定期對閥臺做好清洗。在作業過程中要防止液壓油受到污染。

2）由于加熱爐底部環境較為惡劣，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，防止電纜接地或虛接。要求每天檢查并及時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系統工作異常，影響生產。

3）更換完平移和升降液壓缸或位移傳感器后，務必做好控制程序中各種位置的標定工作，并在手動、自動條件下進行調試。

4）日常維護中應隨時注意HMI畫面和PLC機架上模塊的各種報警信息，及時查明原因，處理故障，保證系統工作可靠。

5）在加熱爐頂或周邊進行各種儀表的檢查和校驗時，應嚴格遵守煤氣區域作業相關安全規程，攜帶煤氣報警器并兩人同行，防止發生人身傷害事故。

7　結束語

榆鋼通過一期、二期項目建設，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，其余四座為步進梁式，均采用SIEMENSPLC控制系統。實踐證明，蓄熱式步進梁式加熱爐通過PLC系統對空燃比、煙氣殘氧量、燃料和空氣流量等參數的控制，使加熱爐內實現燃料的最佳燃燒，加熱后產品氧化程度低，產生污染低（形成NOx）。同時，通過步進梁采用交錯布置技術，完全消除了鋼坯“黑印”。另外，加熱爐采用汽化冷卻系統，具有節水、節能和富產蒸汽的特點，可以回收利用?？傊?，蓄熱式步進梁式加熱爐完全符合軋鋼生產高產、優質、低耗、節能、無公害以及生產操作自動化的要求。

［1］ 西門子（中國）有限公司，S7-300/400系統軟件和標準功能。

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

［3］ 《榆鋼支持地震災區恢復重建項目高線生產線150t/h、步進梁式加熱爐總承包工程合同》技術附件

TG307