步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)的設計論文

1、步進爐自動控制系統(tǒng)的設計摘要:目前，工業(yè)控制自動化技術正朝著智能化、網絡化和集成化的方向發(fā)展。通過步進梁式加熱爐系統(tǒng)的設計，體現了當今自動化技術的發(fā)展方向。同時介紹了軟件設計思想、脈沖燃燒控制技術的特點及其在該系統(tǒng)中的應用。1導言加熱爐是軋鋼行業(yè)必備的熱處理設備。隨著工業(yè)自動化技術的不斷發(fā)展，現代軋機應配備大型化、高度自動化的步進梁式加熱爐，其生產應滿足高產、優(yōu)質、低耗、節(jié)能、無污染和生產操作自動化的工藝要求，以提高產品質量，增強市場競爭力。中國軋鋼行業(yè)的加熱爐有兩種:推鋼爐和步進梁式爐。然而，推鋼爐長度短，產量低，燒損高。操作不當會導致生產出現問題，難以實現管理自動化。由于推鋼爐有不可克服的

2、缺點，步進梁爐依靠一種特殊的步進機構，使鋼管在爐內做直角運動，鋼管之間留有間隙，鋼管與步進梁之間沒有摩擦。出爐的鋼管通過提升裝置卸出，完全消除了滑痕。鋼管加熱段溫差小，加熱均勻，爐長不受限制，產量高，生產操作靈活。其生產符合高產、優(yōu)質、低耗、節(jié)能的特點。全連續(xù)全自動步進梁式加熱爐。這種生產線具有以下特點:生產能耗大大降低。產量大幅增加。生產自動化水平很高。原加熱爐的控制系統(tǒng)多為單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)多為模擬量控制的電源裝置?，F在加熱爐的控制系統(tǒng)都是PLC或者DCS系統(tǒng)，大部分還有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產管理系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)都是數字DC或交流電源設備。本項目是某鋼鐵集團新建的1

3、80小直徑無縫連續(xù)鋼管生產線熱處理線上的一臺步進梁式加熱爐。2流程描述該系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。圖1步進梁式加熱爐工藝流程圖淬火爐和回火爐都是步進梁式加熱爐。裝載方式:側進側出；爐布:單排?；顒恿汉凸潭河赡蜔徼T鋼制成，頂面有齒形面，鋼管直徑小于141.3毫米，每個齒槽內放置一根鋼管。每隔一顆牙放一根直徑153.7mm的鋼管?；顒訖M梁升降180mm，上下90mm，節(jié)距190mm，間隔145mm。因此，每走一步，鋼管都可以旋轉一個角度，使鋼管受熱均勻，防止爐內彎曲變形。步進梁可以進行正循環(huán)、正循環(huán)、單動和點動。提升時鋼管輕撐輕放，前進時緩慢啟停，無振動沖擊和失控。同時具有步進功能，向后步進距

4、離為45mm，使鋼管在原開坯中保持旋轉。固定梁的頂面比帶有隔熱柱的爐底高出520毫米。爐氣可以在鋼管周圍形成良好的循環(huán)，保證均勻加熱。淬火爐沿爐長方向分為裝料段、加熱段和保溫段。加料段爐頂凹陷，對熱鋼管不排煙(三個測溫點)，防止鋼管受到強熱流的突然沖擊而彎曲。加熱段沿爐寬方向分為四段，用于比例燃燒和溫度控制。保溫段沿爐寬方向分為四段進行脈沖燃燒和溫度控制(有兩套控制器)，以保證保溫段的爐溫為5，保溫后鋼管全長的溫度均勻性為10。同時，更方便用戶控制鋼管端頭溫度，滿足淬火需要。淬火爐最高控制溫度為960，允許最高1050?；鼗馉t沿爐長方向分為裝料段、加熱段、均溫段和保溫段。同一個裝載區(qū)沒有燃燒器

5、。加熱段沿爐寬分為兩個溫區(qū)，中間8個燃燒器為一個溫區(qū)，兩側4個燃燒器為一個溫區(qū)，由脈沖控制器控制。均溫段和保溫段沿爐寬方向分為四個區(qū)(每兩個溫區(qū)一個控制器)，均由脈沖燃燒溫度控制。確保爐溫控制在5，保溫后鋼管全長溫度均勻性為10?；鼗馉t最高控制溫度為750，允許最高800(作為生產高壓鍋爐管的儲備)。淬火爐和回火爐的煙氣通過加料段下方的八根分煙管引出，進入集煙管，從集煙管中部引至主煙管。煙氣余熱由空氣預熱器回收，然后通過煙道經煙囪排入大氣。這種方式可以有效地防止煙氣偏轉。淬火爐和回火爐的進料和出料采用側進側出方式。淬火爐的裝卸懸臂輥以80度斜角安裝，使鋼管在進出爐時旋轉，并與裝卸端壁的一側對齊

6、。其目的是防止鋼管入爐時彎曲，便于裝卸定位。3步進梁式加熱爐生產中的關鍵控制技術3.1生產節(jié)奏的控制在步進式加熱爐生產中，生產節(jié)奏的控制非常重要。當管道全自動連續(xù)工作時，加熱爐區(qū)的機械設備如進料輥道、步進梁、出料輥道、液壓站等公共和輔助設施的運行節(jié)奏必須高度統(tǒng)一，以實現管道物流全過程的精確定位和全自動連續(xù)工作。當爐內根據生產調度計劃需要上料時，通過上料架輸送到上料輥道，再通過光電開關和金屬探測器自動輸送到爐外輥道。當爐的裝料端騰空后，爐門自動打開，爐門和爐輥道被支撐入爐內并放置在固定梁上，從而可以開始跟蹤爐的管材流量。管子通過爐子的步進梁從爐子的進料端逐步轉移到出料端。安裝在出料端的光電開關檢

7、測到管子的邊緣，此時步進梁完成步進操作后，停止步進梁的轉移。同時，PLC測量等待排放的管道的位置。加熱爐收到出鋼信號后，會自動打開出鋼爐門，由出鋼輥道輸送到爐內出鋼輥道。當金屬檢測機檢測到管子時，它將被卸料輥輸送到其他設備進行下一步加工。管道運輸、計量、裝卸、物流跟蹤通過PLC和二級計算機系統(tǒng)與管道交換數據和信息，進行順序、定時、聯(lián)鎖和邏輯控制，實現作業(yè)自動化和計算機管理。3.2加熱爐的燃燒控制工業(yè)爐的燃燒控制水平直接影響產品質量和能耗等各項生產指標。目前我國工業(yè)爐普遍采用連續(xù)燃燒控制的形式，即通過控制燃料和助燃空氣的流量，使爐溫和燃燒氣氛達到工藝要求。由于這種連續(xù)燃燒控制方式往往受到燃料流量

8、調節(jié)和計量的制約，目前大多數工業(yè)爐的控制效果并不好。隨著工業(yè)爐行業(yè)的快速發(fā)展，脈沖燃燒控制技術應運而生，在國外得到了一定程度的應用，并取得了良好的效果。目前，高檔工業(yè)產品對爐膛溫度場的均勻性和燃燒氣氛的穩(wěn)定性、可控性要求很高，傳統(tǒng)的連續(xù)燃燒控制無法實現。隨著寬斷面大容量工業(yè)爐的出現，必須采用脈沖燃燒控制技術來控制爐膛溫度場的均勻性。該系統(tǒng)主要采用脈沖燃燒系統(tǒng)。它是一種間歇燃燒的方式，利用脈寬調制技術，通過調節(jié)燃燒時間的占空比(通斷比)來實現對窯爐的溫度控制。燃燒狀態(tài)下的燃油流量可以通過主燃油控制閥在線調節(jié)。燃燒器一旦燃燒，就會處于其設計的最佳燃燒狀態(tài)，保證燃燒器的出氣速度不會發(fā)生變化。該系統(tǒng)控

9、制爐子的燃燒器交替燃燒，通過對爐內氣體的不斷攪拌，使爐子的溫度場分布均勻。當需要升溫時，延長燃燒器的燃燒時間，減少間歇時間；當需要降低溫度時，減少燃燒器的燃燒時間，延長間歇時間。根據設定的爐膛溫度，控制燃燒時的燃料流量；當設定溫度較低時，主燃油控制閥關閉；當設定溫度較高時，主燃料控制閥開大，以避免爐膛處于低溫狀態(tài)時，煤氣與爐膛溫差過大對爐膛產品的直接熱沖擊。脈沖燃燒系統(tǒng)的主要優(yōu)點是:1)系統(tǒng)簡單可靠，成本低廉；2)可以提高爐膛溫度場的均勻性；3)傳熱效率高，大大降低能耗；4)燃燒器的負荷調節(jié)比；。5)可以實現空燃比的精確控制，無需在線調整。與傳統(tǒng)的比例燃燒控制相比，脈沖燃燒控制系統(tǒng)涉及的儀表數

10、量大大減少，只有溫度傳感器、控制器和執(zhí)行器，省去了大量昂貴的流量和壓力檢測及控制機構。而且由于只需要兩位開關控制，執(zhí)行機構由原來的氣(電)控閥改為電磁閥，增加了系統(tǒng)的可靠性，大大降低了系統(tǒng)成本。普通燃燒器的空燃比一般在1: 4左右。燃燒器滿負荷工作時，燃氣流量、火焰形狀和熱效率都能達到最佳狀態(tài)。而當燃燒器流量接近其最小流量時，熱負荷最低，燃氣流量大大降低，火焰形狀達不到要求，熱效率急劇下降。當高速燃燒器在50%全負荷流量以下工作時，上述指標與設計要求相差甚遠。脈沖燃燒不是這種情況。不管在什么情況下，燃燒器只有兩種工作狀態(tài)，一種是滿負荷工作，一種是不工作，只通過調節(jié)兩種狀態(tài)的時間比例來調節(jié)溫度。

11、因此，脈沖燃燒可以彌補燃燒器調節(jié)比低的缺陷，在需要低溫控制時，燃燒器仍能工作在最佳燃燒狀態(tài)。使用高速燃燒器時，燃氣噴射速度高，造成周圍負壓，大量爐膛煙氣被吸入主氣中，得到充分攪拌混合，從而延長煙氣在爐內的停留時間，增加煙氣與產品的接觸時間，提高對流熱效率。4系統(tǒng)介紹4.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)拓撲圖見圖2。圖2系統(tǒng)拓撲圖該加熱爐自動化控制系統(tǒng)由基礎自動化系統(tǒng)(L1)和過程計算機控制系統(tǒng)(L2)組成。本系統(tǒng)一級基礎自動化控制系統(tǒng)由四個控制站組成:淬火爐電氣傳動部分、回火爐電氣傳動部分、淬火爐儀表控制部分和回火爐儀表控制部分。淬火爐電氣傳動部分的PLC為S7 315-2DP西門子變頻器MM440系列，配有4

12、個ET200M從站和3個PROFIBUS-DP卡，實現了輥道的順序控制、鋼管在爐子輥道上的定位控制和步進梁的控制。淬火爐的傳動系統(tǒng)采用變頻控制，變頻器為西門子提供的MM440系列。三臺帶PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制三組輥道?；鼗馉t電氣傳動部分PLC為S7 315-2DP，配有3個ET200M從站和2臺帶PROFIBUS-DP卡的西門子變頻器MM440系列，實現輥道順序控制、鋼管在進料輥道上的定位控制和步進梁控制功能?；鼗馉t傳動系統(tǒng)采用變頻控制，變頻器為西門子提供的MM440系列。兩臺帶有PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制兩組輥道。淬火爐儀表控制部分的PLC

13、主要由S7 315-2DP和FM355C閉環(huán)控制模塊組成。每套PLC及其對應的PID模塊負責控制淬火爐的所有儀表，用于完成加熱爐工藝參數的數據采集和過程控制。西門子FM355C閉環(huán)控制模塊用于控制加熱爐的工藝參數，以達到最佳的燃燒控制效果?；鼗馉t儀表控制部分PLC和淬火爐儀表控制部分PLC的組成和功能基本相同。在過程計算機控制系統(tǒng)中，淬火爐和回火爐分別配有一臺計算機，計算機對各自的加熱爐系統(tǒng)進行硬件配置和參數設定、通信定義、用戶程序和畫面的編寫和調試、數據的監(jiān)視和記錄，最終實現集中監(jiān)控和操作。兩臺計算機為西門子工業(yè)計算機，配置為P4 2.0G，256M，配備工業(yè)以太網處理器CP1613。在CP

14、1613的幫助下，計算機通過OSM工業(yè)以太網光纖交換機與PLC通信。工業(yè)以太網光交換機OSM，具有兩個光接口和六個電接口。連接電纜為多模光纜，可用于強電磁干擾環(huán)境。冗余的10M/100M工業(yè)以太網大大提高了網絡性能，網絡配置和擴展也非常簡單。只需要兩根光纜，而且配置冗余，控制柜的布線也很簡單。4.2編程、配置和功能模塊FM355C(PLC編程軟件采用STEP7，運行在windows2000/XP下。STEP7編程語言提供了非常豐富的指令集，使得復雜函數的編程變得簡單快捷。STEP7提供了結構化的編程方法，以塊的形式管理用戶編寫的程序和資料，并可以通過調用語句形成結構化的用戶程序，增加了程序的可

15、讀性和可維護性。系統(tǒng)為用戶提供了大量預先編程的功能塊，用戶可以直接使用，大大縮短了編程時間。標準軟件包的功能標準軟件支持自動任務創(chuàng)建過程的所有階段，例如:建立和管理項目。為硬件和通信配置和分配參數。管理符號創(chuàng)建一個程序，例如為S7可編程控制器。將程序下載到可編程控制器測試自動化系統(tǒng)診斷設備故障。(2)計算機上安裝的SCADA軟件為WinCC，操作系統(tǒng)為windows2000。WinCC應用廣泛，兼容性強，提供成熟可靠的運行和高效的配置性能。Wincc可用于自動化領域的所有操作員控制和監(jiān)控任務。Wincc能以圖像、文字、條形圖、曲線或報警的形式清晰地表達生產過程中的狀態(tài)。同時可以記錄事件和過程數

16、據，用于歷史數據查詢。它可以方便地配置和生成所需的報告格式，并根據時間或事件觸發(fā)打印。Wincc可以在Windows環(huán)境下通過OLE和ODBC方便地將其他控件集成到應用軟件中。您還可以通過DDE與其他應用程序通信。Wincc中嵌套了一個標準的C語言，任務可以在項目中任意完成。同時可以訪問Wincc的API編程接口，實現一些特殊的功能。Wincc具有開放的通信協(xié)議，支持各種PLC系統(tǒng)。(3)FM355C是用于閉環(huán)控制任務的4通道閉環(huán)控制模塊。它具有以下功能:可用于溫度、壓力和流量控制。用戶友好的在線自尋優(yōu)溫度控制預編程控制器結構Fm355c用作連續(xù)動作控制器。四路模擬輸出用于控制執(zhí)行器。CPU在

17、關機或故障后仍能連接運行。FM 355C控制器具有以下性能:工廠預制控制器結構用于固定設定點控制、串聯(lián)控制、比例控制和三分量控制；根據所選的控制器結構，幾個控制器可以組合成一個結構。不同的操作模式自動、手動、安全模式、跟隨模式和備用模式。兩種控制算法；自尋優(yōu)溫度控制算法PID算法該系統(tǒng)應用了該模塊的基本功能，取得了良好的效果。5控制軟件的設計該系統(tǒng)的控制模式如下:1)手動模式:用于設備調試和維護。2)半自動模式:用于手動模式下單臺設備的自動控制。3)自動模式:用于所有設備的自動控制?？刂栖浖脑O計主要包括以下幾個部分:輥道控制；步進梁控制；爐溫控制；爐膛壓力控制；燃氣總管壓力控制；空氣歧管壓力

18、控制；熱空氣溫度控制；緊急停機保護其中以步進梁控制、爐溫控制和緊急停機保護為主。這里主要講步進梁控制、爐溫控制、緊急停機保護的控制思路。5.1步進梁控制步進梁的運動模式包括周期模式和步進模式。周期模式用于輸送鋼管前進，步進模式用于等待攻絲。步進光束的周期模式；活動梁上升180mm，前進145mm，下降180mm，后退145mm，鋼管前進一個節(jié)距。它的軌跡如下:圖3步進梁運動軌跡圖其運行速度如下圖所示:圖4步進梁運行速度圖當步進梁接近固定梁面時，減慢步進梁的上升速度，使步進梁輕輕碰到固定梁上的鋼管，下降時也是如此。步進梁的控制系統(tǒng)如圖所示。圖5步進梁控制原理圖光束步進模式:活動橫梁上升180毫米

19、，后退45毫米，下降180毫米，前進45毫米。鋼管在固定梁的原始齒槽中旋轉。運行軌跡如下圖所示:圖6步進梁的步進軌跡5.2爐溫控制爐溫區(qū)的劃分淬火爐中有8個溫度控制區(qū)。加熱段沿爐寬分為四個區(qū)域，即加熱1、加熱2、加熱3和加熱4。保溫段也沿爐寬分為四個區(qū)，即保溫1、保溫2、保溫3、保溫4。回火爐中有10個溫度控制區(qū)。加熱段沿爐寬分為兩段，加熱1為中段，加熱2為左右兩段。均溫段沿爐寬分為四個區(qū)域，即均溫1、均溫2、均溫3和均溫4。保溫段也沿爐寬分為四個區(qū)，即保溫1、保溫2、保溫3、保溫4。上述每個區(qū)域都有獨立的溫度控制。各區(qū)爐溫的設定方法有兩種方法可以設置每個區(qū)域的溫度:手動設置模式:也就是說，通

20、過在工控機上手動改變各個區(qū)域的溫度設定值來設定爐溫。程序設置方法:對于不同規(guī)格和材質的鋼管，根據工藝要求，需要不同的設定溫度。操作人員可以將不同規(guī)格和材質的鋼管爐溫設定值以數據庫的形式保存在PLC中，并可以根據需要通過工控機CRT的鋼管選擇界面上的“一鍵式”軟鍵批量設定各區(qū)的爐溫。各區(qū)溫度的調節(jié)方式采用PID調節(jié)方式，其過程是將熱電偶檢測到的實際爐溫傳送給FM355 PID模塊，并與該區(qū)域的設定值進行比較。該模塊實現PID運算，輸出4 20 mA信號，傳輸到Krom公司的連續(xù)控制或脈沖控制器的輸入，然后控制燃燒系統(tǒng)實現溫度控制。車身控制流程如下:對于淬火爐的加熱1、加熱2、加熱3、加熱4四個溫

21、區(qū)，空氣電磁蝶閥采用德國Krom公司的比例燃燒連續(xù)控制系統(tǒng)和溫度模塊的PID輸出4 20mA信號控制系統(tǒng)?？諝怆姶诺y的開度變化，通過空燃比調節(jié)閥改變燃燒器前的燃氣壓力，從而改變供熱，實現爐溫的自動控制。參見圖7。圖7連續(xù)燃燒控制示意圖1燃氣電磁閥2燃燒器控制器3點火變壓器4空燃比比例閥5流量調節(jié)閥6手動蝶閥7風箱8燃燒器對于淬火爐的保溫1、保溫2、保溫3、保溫4四個區(qū)域，以及回火爐的各個區(qū)域，采用德國Krom公司的脈沖控制器MPT-700，它接收PID模塊的PID輸出信號，轉換成脈寬調節(jié)定時信號，控制脈沖燃燒器的開關定時和開關時間比，從而調節(jié)空氣和煤氣的流量，控制爐溫。為保證爐溫均勻性5和鋼管全長溫度均勻性小于10，淬火爐和回火爐保溫段采用脈沖燃燒控制。在脈沖燃燒控制中，燃燒器只工作在開或關的狀態(tài)，根據燃燒器功率、混合比、噴涂速度等要求，一次性將燃燒器調整到最佳工作狀態(tài)。我們采用Krom的調溫燃燒器，可以明顯提高燃燒效率，降低排放物的污染程度。其控制系統(tǒng)的原理圖如圖8所示。圖8脈沖燃燒控制示意圖5.3緊急停車保護和聯(lián)鎖(1)自動停爐當出現以下情況時，熔爐應自動關閉:車間氣體主管壓力超低；熱空氣的超低壓力；冷卻水壓力過低或停水；助燃風機不運行；停電了。自動關斷流程:緊急切斷主氣管道氮氣吹掃管道氣體排放。