步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)方案

個人資料整理僅限學習使用步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計1引言加熱爐是軋鋼工業(yè)必須配備的熱處理設(shè)備。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的軋鋼廠應該配置大型化的、高度自動化的步進梁式加熱爐，其生產(chǎn)應符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求，以提高其產(chǎn)品的質(zhì)量，增強產(chǎn)品的市場競爭力。我國軋鋼工業(yè)的加熱爐型有推鋼式爐和步進式爐兩種，但推鋼式爐有長度短、產(chǎn)量低，燒損大，操作不當時會粘鋼造成生產(chǎn)上的問題，難以實現(xiàn)管理自動化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點，而步進梁式爐是靠專用的步進機構(gòu)，在爐內(nèi)做矩形運動來移送鋼管，鋼管之間可以留出空隙，鋼管和步進梁之間沒有摩擦，出爐鋼管通過托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，鋼管加熱斷面溫差小、加熱均勻，爐長不受限制，產(chǎn)量高，生產(chǎn)操作靈活等特點，其生產(chǎn)符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求。全連續(xù)、全自動化步進式加熱爐。這種生產(chǎn)線都具有以下特點：①生產(chǎn)能耗大幅度降低。②產(chǎn)量大幅度提高。③生產(chǎn)自動化水平非常高，原加熱爐的控制系統(tǒng)大多是單回路儀表和繼電邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)也大多是模擬量控制式的供電裝置，現(xiàn)在的加熱爐的控制系統(tǒng)都是PLC或DCS系統(tǒng)，而且大多還具有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置。本工程是某鋼鐵集團新建的0180小口徑無縫連軋鋼管生產(chǎn)線中的熱處理線部分的步進式加熱爐設(shè)備。2工藝描述本系統(tǒng)的工藝流程圖見圖1。個人資料整理僅限學習使用圖1步進式加熱爐工藝流程圖淬火爐和回火爐均為步進梁式加熱爐。裝出料方式：側(cè)進，側(cè)出；爐子布料：單排?；顒恿汉凸潭壕鶠槟蜔徼T鋼，頂面帶齒形面，直徑小于141.3mm鋼管，每個齒槽內(nèi)放一根鋼管。直徑大于153.7mm的鋼管每隔一齒放一根鋼管?；顒恿荷?80mm，上、下各90mm，齒距為190mm，步距為145mm。因此每次步進時，鋼管都能轉(zhuǎn)動一角度，使鋼管加熱均勻，并防止在爐內(nèi)彎曲變形。步進梁能進行正循環(huán)，送循環(huán)、單動、點動各種動作，升降時對鋼管輕托輕放，前進時緩起緩停，無振動）沖擊和失控現(xiàn)象。同時，具有踏步功能，踏步時向后步距為45mm，使鋼管在原齒槽內(nèi)不斷轉(zhuǎn)動。固定梁用帶保溫支柱支撐其頂面高出爐底520mm。使爐氣能圍繞鋼管形成良好的循環(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。裝料段爐頂壓低，不裝排煙予熱鋼管＜三個測量溫度點），以免鋼管突然受到強大熱流）沖擊產(chǎn)生彎曲變形。加熱段沿爐寬方向分為四個區(qū)段進行比例燃燒和溫度控制。保溫段沿爐寬方向分4區(qū)段進行脈）中燃燒和溫度控制〈用二套控制器），以確保保溫區(qū)爐溫?！婧捅睾箐摴苋L溫度均勻性在10℃以內(nèi)的要求，同時更方便用戶控制鋼管端溫度，滿足淬火需要。淬火爐最高控制爐溫960℃，允許max1050℃?；鼗馉t沿爐長方向分為裝料段，加熱段，均溫段和保溫段。同樣裝料段不設(shè)燒嘴。加熱段沿爐寬方向分二個溫區(qū)，中間8個燒嘴為一個溫區(qū)，兩邊各4個燒嘴合起來為一溫區(qū)，用一個脈）中控制器控制。均溫段、保溫段沿爐寬方向各分為四區(qū)〈每二個溫區(qū)一個控制器），均采用脈）中燃燒溫度控制。個人資料整理僅限學習使用確保爐溫控制專℃,保溫后鋼管全長溫度均勻性10℃的要求。回火爐最高控制爐溫750℃,允許max800c＜為生產(chǎn)高壓鍋爐管作儲備）。淬火爐、回火爐爐內(nèi)煙氣均經(jīng)裝料段下方的八個分煙管引出，進入集煙管，由集煙管中部引至總煙管，通過空氣予熱器回收煙氣余熱，再經(jīng)煙道由煙囪排入大氣。這種方式可有效防止爐內(nèi)煙氣的偏流。淬、回火爐進出料均采用側(cè)進，側(cè)出方式。淬火爐裝出料懸臂輥采用斜80角安裝，使鋼管在入爐和出爐時產(chǎn)生自轉(zhuǎn)并靠向裝出料端墻一側(cè)靠齊，其目的是防止鋼管入爐時彎曲并有利裝出料定位。3步進式加熱爐生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制技術(shù)3?1生產(chǎn)節(jié)奏的控制步進式加熱爐生產(chǎn)中的生產(chǎn)節(jié)奏的控制是非常重要的，在管材線全自動、全連續(xù)工作時，加熱爐區(qū)的機械設(shè)備如進料輥道、步進梁、出料輥道、液壓站及其它公輔設(shè)施，設(shè)備運行節(jié)奏必須高度統(tǒng)一，才能實現(xiàn)管材物流全過程準確定位，以實現(xiàn)全自動、全連續(xù)工作。依據(jù)生產(chǎn)調(diào)度計劃而需要裝爐時，通過上料臺架輸送至裝料輥道，經(jīng)光電開關(guān)及金屬探測器而自動輸送到爐外輥道上。待爐內(nèi)裝料端空出位置時，自動開啟爐門，由其及爐內(nèi)輥道托入爐內(nèi)放置到固定梁上，并由此開始進行爐內(nèi)的管材物流跟蹤。管材通過爐子步進梁自裝料端一步步地移送到爐子的出料端。由裝在出料端的光電開關(guān)檢測到管材邊緣并在步進梁完成此時的步距運行后，暫停步進梁的移送動作，PLC同時測算等待出爐管材的位置。在加熱爐接到出鋼信號后，再自動開啟出料爐門，由出料輥道運至爐外出料輥道上。當金屬檢測器探測到管材時，在由出料輥道輸送至其他設(shè)備，進行下一道工藝。管材輸送、測量、裝出料、物流跟蹤以及管材的數(shù)據(jù)信息交換通過PLC和二級計算機系統(tǒng)進行順序、定時、聯(lián)鎖與邏輯控制，實現(xiàn)操作自動化和計算機管理。3.2加熱爐燃燒控制工業(yè)爐的燃燒控制水平直接影響到生產(chǎn)的各項指標，例如：產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗等。目前國內(nèi)的工業(yè)爐一般都采用連續(xù)燃燒控制的形式，即通過控制燃料、助燃空氣流量的大個人資料整理僅限學習使用小來使爐內(nèi)的溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。由于這種連續(xù)燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調(diào)節(jié)和測量等環(huán)節(jié)的制約，所以目前大多數(shù)工業(yè)爐的控制效果不佳。隨著工業(yè)爐工業(yè)的迅猛發(fā)展，脈）中式燃燒控制技術(shù)也應運而生，并在國內(nèi)外得到一定程度的應用，取得了良好的使用效果。目前高檔工業(yè)產(chǎn)品對爐內(nèi)溫度場的均勻性要求較高，對燃燒氣氛的穩(wěn)定可控性要求較高，使用傳統(tǒng)的連續(xù)燃燒控制無法實現(xiàn)。隨著寬斷面、大容量的工業(yè)爐的出現(xiàn)，必須采用脈）中燃燒控制技術(shù)才能控制爐內(nèi)溫度場的均勻性。本系統(tǒng)主要采用脈）中燃燒系統(tǒng)。它是一種間斷燃燒的方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時間的占空比＜通斷比）實現(xiàn)窯爐的溫度控制。燃燒狀態(tài)下的燃料流量可通過主燃料控制閥門在線調(diào)節(jié)，燃燒器一旦燃燒，就處于其設(shè)計的最佳燃燒狀態(tài)，保證燃燒器燃燒時的燃氣出口速度不變?？刂葡到y(tǒng)使爐內(nèi)燃燒器交替燃燒，通過燃氣在爐內(nèi)的不斷攪拌，使爐內(nèi)溫度場均勻分布。當需要升溫時，燃燒器燃燒時間加長，間斷時間減小；需要降溫時，燃燒器燃燒時間減小，間斷時間加長。并根據(jù)爐內(nèi)的設(shè)定溫度來控制燃燒時的燃料流量，當設(shè)定溫度較低時，將主燃料控制閥門關(guān)小，當設(shè)定溫度較高時，將主燃料控制閥門開大，避免爐內(nèi)處于低溫狀態(tài)時，燃氣與爐內(nèi)的溫度差過大，對爐內(nèi)制品造成的直接熱）沖擊。脈）中燃燒系統(tǒng)的主要優(yōu)點為：1）系統(tǒng)簡單可靠，造價低2）可提高爐內(nèi)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(diào)節(jié)比大5）無需在線調(diào)整，即可實現(xiàn)空燃比的精確控制與傳統(tǒng)的比例燃燒控制相比，脈）中燃燒控制系統(tǒng)中參與控制的儀表大大減少，僅有溫度傳感器、控制器和執(zhí)行器，省略了大量價格昂貴的流量、壓力檢測控制機構(gòu)。并且，由于只需兩位式開關(guān)控制，執(zhí)行器也由原來的氣動＜電動）控制閥門變?yōu)殡姶砰y門，增加了系統(tǒng)的可靠性，大大降低了系統(tǒng)造價。普通燒嘴的空燃比一般為1：4左右，當燒嘴在滿負荷工作時，燃氣流速、火焰形狀、熱效率均可達到最佳狀態(tài)，但當燒嘴流量接近其最小流量時，熱負荷最小，燃氣流速大大降低，火焰形狀達不到要求，熱效率急劇下降，高速燒嘴工作在滿負荷流量50%以下時，上述各項指標距設(shè)計要求就有了較大的差距。脈）中燃燒則不然，無論在何種情況下，燒嘴

個人資料整理僅限學習使用只有兩種工作狀態(tài)，一種是滿負荷工作，另一種是不工作，只是通過調(diào)整兩種狀態(tài)的時間比進行溫度調(diào)節(jié)，所以采用脈）中燃燒可彌補燒嘴調(diào)節(jié)比低的缺陷，需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態(tài)。在使用高速燒嘴時，燃氣噴出速度快，使周圍形成負壓，將大量爐內(nèi)煙氣吸入主燃氣內(nèi)，進行充分攪拌混合，延長了煙氣在爐內(nèi)的滯留時間，增加了煙氣與制品的接觸時間，從而提高了對流傳熱效率。4系統(tǒng)簡介4.1系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)拓撲圖見圖2。Lnwors圖2系統(tǒng)拓撲圖本加熱爐自動化控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)＜L1）和過程計算機控制系統(tǒng)＜L2）共同構(gòu)成。個人資料整理僅限學習使用本系統(tǒng)一級基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)由淬火爐電氣傳動部分、回火爐電氣傳動部分和淬火爐儀控部分、回火爐儀控部分四個控制站。淬火爐電氣傳動部分PLC為S7315-2DP帶4個ET200M從站和3個PROFIBUS-DP卡的西門子變頻器MM440系列，實現(xiàn)輥道的順控，鋼管在入爐輥道上的定位控制，步進梁控制的功能。淬火爐傳動系統(tǒng)采用變頻控制，變頻器是由西門子公司提供的MM440系列。3個帶PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制3組輥道?；鼗馉t電氣傳動部分PLC為S7315-2DP帶3個ET200M從站和2個帶PROFIBUS-DP卡的西門子變頻器MM440系列，實現(xiàn)輥道的順控，鋼管在入爐輥道上的定位控制，步進梁控制的功能。回火爐傳動系統(tǒng)采用變頻控制，變頻器是由西門子公司提供的MM440系列。2個帶PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制2組輥道。淬火爐儀控部分PLC主要由S7315-2DP及功能模板FM355C閉環(huán)控制模塊構(gòu)成，每套PLC及其相應的PID模塊負責控制淬火爐的全部儀表，用來完成加熱爐工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與過程控制。采用西門子FM355C閉環(huán)控制模塊控制加熱爐的工藝參數(shù)以達到加熱爐最佳燃燒的控制效果。回火爐儀控部分PLC與淬火爐儀控部分PLC的構(gòu)成與功能基本上是一樣的。在過程計算機控制系統(tǒng)中，淬火爐和回火爐各設(shè)置一臺計算機，對各自的加熱爐系統(tǒng)進行硬件的組態(tài)與參數(shù)設(shè)置、通訊的定義、編寫、調(diào)試用戶程序及畫面的監(jiān)控與數(shù)據(jù)的紀錄，最終實現(xiàn)集中監(jiān)控和操作。兩臺計算機為SIEMENS工控機，配置為P42.0G，256M，并且?guī)в泄I(yè)以太網(wǎng)處理器CP1613。計算機借助于CP1613,通過工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機OSM，與PLC進行通訊。工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機OSM，帶有兩個光纖接口和6個電氣接口。連接電纜采用多模纖維光纜，可用于強電磁干擾環(huán)境。冗余10M/100M工業(yè)以太網(wǎng)大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)配置和擴展也十分簡單。用兩根光纜即可，而且是冗余配置，控制柜接線也很簡單。4-2編程和組態(tài)及功能模塊FM355C<1)PLC編程軟件采用STEP7，STEP7編程軟件在windows2000/XP下運行。STEP7編程語言提供了非常豐富的指令集，它使復雜功能的編程變得簡單快捷。STEP7提供了結(jié)個人資料整理僅限學習使用構(gòu)化的程序設(shè)計方法，以塊形式管理用戶編寫的程序和資料，可以通過調(diào)用語句將它們組成結(jié)構(gòu)化的用戶程序，增加了程序的可讀性和易維護性。系統(tǒng)為用戶提供了大量預先編制的功能塊，用戶可直接使用這些功能塊，從而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)建過程的各個階段，如：建立和管理工程對硬件和通訊作組態(tài)和參數(shù)賦值管理符號創(chuàng)建程序，例如為S7可編程控制器創(chuàng)建程序下載程序到可編程控制器測試自動化系統(tǒng)診斷設(shè)備故障<2)計算機上安裝的SCADA軟件為WinCC，操作系統(tǒng)為windows2000。WinCC具有廣泛的應用和極高的兼容性，提供成熟可靠的操作和高效的組態(tài)性能。Wincc可用于自動化領(lǐng)域中所有的操作員控制和監(jiān)控任務。Wincc可將生產(chǎn)過程中的狀態(tài)以圖像、文字、棒圖、曲線或報警形式清楚地表達出來。它同時能夠?qū)⑺l(fā)生的事件、過程數(shù)據(jù)記錄下來，供歷史數(shù)據(jù)查詢使用?？珊芊奖愕亟M態(tài)產(chǎn)生所需的報表格式，按時間或事件觸發(fā)打印。Wincc在Windows環(huán)境下，通過OLE和ODBC很容易將其他控件集成到應用軟件中。也可通過DDE方式與其他應用程序進行通信。在Wincc中，嵌套一個標準C語言，在工程中，可隨意地完成任務。同時可訪問Wincc的API編程接口來達到某些特殊功能。Wincc的具有開放通信協(xié)議，支持多種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，它有如下功能：可用于溫度、壓力和流量控制方便用戶的在線自優(yōu)化溫度控制頓編程的控制器結(jié)構(gòu)FM355C作為連續(xù)動作控制器4個模擬輸出端用于控制執(zhí)行元件CPU停機或故障后仍能連接運行FM355C控制器具有下列性能：工廠預制的控制器結(jié)構(gòu)用于：固定設(shè)定點控制，串聯(lián)控制，比例控制，分量控制。根個人資料整理僅限學習使用據(jù)所選擇的控制器結(jié)構(gòu)，幾個控制器可結(jié)合到一個結(jié)構(gòu)中。不同的操作方式?自動?手動?安全方式?跟隨方式?后備方式■種控制算法?自優(yōu)化溫度控制算法?PIIW法本系統(tǒng)應用了模塊基本的功能，取得了較好的效果。5控制軟件的設(shè)計本系統(tǒng)的控制方式有以下幾種：1）手動方式：用于設(shè)備調(diào)試、檢修時的操作。2）半自動方式：用于在手動方式下對單體設(shè)備的自動控制。3）自動方式：用于對所有設(shè)備的自動控制?？刂栖浖O(shè)計主要有以下幾部分：?輥道控制?步進梁控制?爐溫控制?爐壓控制?煤氣總管壓力控制?空氣總管壓力控制?熱風溫度控制?緊急停爐保護其中主要的是步進梁的控制和爐溫控制及緊急停爐保護，下面主要說一下步進梁控制、爐溫控制、緊急停爐保護的控制思想。

個人資料整理僅限學習使用5.1步進梁控制步進梁的動作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于運送鋼管向前移動，而踏步方式用于等待出鋼。步進梁的周期方式：活動梁上升180mm，前進145mm，下降180mm，后退145mm，鋼管前進一個齒距。其運行軌跡如下:圖3圖3步進梁動作軌跡圖其運行速度如下圖所示：區(qū)?「水平位移）Iwors圖4步進梁運行速度圖在步進梁接近固定梁面時，放慢步進梁的上升速度，以使步進梁輕接觸固定梁上的鋼管，同樣下降時也是如此。步進梁的控制系統(tǒng)如圖5。液壓缸周期,踏步命號圖5步進梁控制原理圖比例閥液壓缸周期,踏步命號圖5步進梁控制原理圖比例閥|位置測量裝置，..wors個人資料整理僅限學習使用步進梁踏步方式：活動梁上升180mm，后退45mm,下降180mm，前進45mm,鋼管在固定梁原齒槽內(nèi)轉(zhuǎn)動。運行軌跡如下圖所示：圖6步進梁踏步軌跡圖5.2爐溫控制?爐子溫區(qū)劃分淬火爐共8個控溫區(qū)。加熱段沿爐寬分四個區(qū)，即加熱1、加熱2、加熱3、加熱4、。保溫段沿爐寬也分4個區(qū)，即保溫1、保溫2、保溫3和保溫4。回火爐共10個控溫區(qū)。加熱段沿爐寬分二個區(qū)，加熱1為中間段，加熱2為左右兩段組成。均溫段沿爐寬分4個區(qū)，即均溫1、均溫2、均溫3、均溫4。保溫段沿爐寬也分4個區(qū)，即保溫1、保溫2、保溫3和保溫4。以上每個區(qū)均為獨立控溫。?各區(qū)爐溫的設(shè)定方式各區(qū)的溫度有二種設(shè)定方式：手動設(shè)定方式：即在工控機上手動改變各區(qū)溫度設(shè)定值對爐溫進行設(shè)定。程序設(shè)定方式：對于不同規(guī)格及材質(zhì)的鋼管，按工藝要求對應不同的設(shè)定溫度，操作者可予先將不同規(guī)格和材質(zhì)的鋼管的爐溫設(shè)定值以數(shù)據(jù)庫形式保存在PLC內(nèi)，并在工控機CRT的鋼管選擇界面上，可按需要，通過一觸式，軟按鍵對各區(qū)爐溫進行批量設(shè)定。?各區(qū)溫度的調(diào)節(jié)方式采用PID調(diào)節(jié)方式，其過程是由熱電偶檢測來的實際爐溫傳給FM355PID模塊，并與該區(qū)設(shè)定值進行比較，由該模塊實現(xiàn)PID運算并輸出4-20mA信號，并將此信號傳輸至Krom公司的連續(xù)控制或脈）中控制器的輸入端，再去控制燃燒系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度控制。具體控制過程如下：對于淬火爐加熱1、加熱2、加熱3、加熱4四個溫區(qū)，是采用德國Krom公司的比例個人資料整理僅限學習使用燃燒連續(xù)控制系統(tǒng)，溫度模塊的：?口輸出4-201^信號控制系統(tǒng)的空氣電磁蝶閥?？諝怆姶诺y開度發(fā)生變化，通過空嬤比例調(diào)節(jié)閥使燒嘴前煤氣壓力發(fā)生變化，從而使供熱發(fā)生變化，實現(xiàn)爐溫的自動控制，見圖7?？諝?燃氣電磁閥2燒嘴控制器3點火變壓器4空燃比例用5流量調(diào)節(jié)閥6手動蝶加波皴管S魂「圖7連續(xù)燃燒控制原理圖對于淬火爐的保溫1、保溫2、保溫3、保