【卖】步进式加热炉自动控制系统的设计

目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。本文通过对步进式加热炉系统的设计，从而反映出当今自动化技术的发展方向。同时，介绍了软件设计思想和脉冲式燃烧控制技术原理特点及在本系统的应用。
1 引言
　　加热炉是轧钢工业必须配备的热处理设备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。
　　我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、
　　产量低，烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送钢管，钢管之间可以留出空隙，钢管和步进梁之间没有摩擦，出炉钢管通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢管加热断面温差小、加热均匀，炉长不受限制，产量高，生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。
　　全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点:
　　①生产能耗大幅度降低。
　　②产量大幅度提高。
　　③生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大多是单回路仪表和继电逻
　　辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热炉的控制
　　系统都是PLC或DCS系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系
　　统。传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。
　　本工程是某钢铁集团新建的φ180小口径无缝连轧钢管生产线中的热处理线部分的步进式加热炉设备。
2 工艺描述
　　本系统的工艺流程图见图1

图1 步进式加热炉工艺流程图

　　淬火炉和回火炉均为步进梁式加热炉。装出料方式：侧进，侧出;炉子布料：单排。活动梁和固定梁均为耐热铸钢，顶面带齿形面，直径小于141.3mm钢管，每个齿槽内放一根钢管。直径大于153.7mm的钢管每隔一齿放一根钢管。活动梁升程180mm，上、下各90mm，齿距为190mm，步距为145mm。因此每次步进时，钢管都能转动一角度，使钢管加热均匀，并防止在炉内弯曲变形。步进梁能进行正循环，送循环、单动、点动各种动作，升降时对钢管轻托轻放，前进时缓起缓停，无振动冲击和失控现象。同时，具有踏步功能，踏步时向后步距为45mm，使钢管在原齿槽内不断转动。
　　固定梁用带保温支柱支撑其顶面高出炉底520mm。使炉气能围绕钢管形成良好的循环，保证均匀加热。
　　淬火炉沿炉长方向分为装料段、加热段和保温段。装料段炉顶压低，不装排烟予热钢管（三个测量温度点），以免钢管突然受到强大热流冲击产生弯曲变形。
　　加热段沿炉宽方向分为四个区段进行比例燃烧和温度控制。保温段沿炉宽方向分4区段进行脉冲燃烧和温度控制（用二套控制器），以确保保温区炉温±5℃和保温后钢管全长温度均匀性在10℃以内的要求。同时更方便用户控制钢管端温度，满足淬火需要。
　　淬火炉最高控制炉温960℃，允许max1050℃。
　　回火炉沿炉长方向分为装料段，加热段，均温段和保温段。同样装料段不设烧嘴。加热段沿炉宽方向分二个温区，中间8个烧嘴为一个温区，两边各4个烧嘴合起来为一温区，用一个脉冲控制器控制。均温段、保温段沿炉宽方向各分为四区（每二个温区一个控制器），均采用脉冲燃烧温度控制。
　　确保炉温控制±5℃，保温后钢管全长温度均匀性10℃的要求。
　　回火炉最高控制炉温750℃，允许max800℃（为生产高压锅炉管作储备）。
　　淬火炉、回火炉炉内烟气均经装料段下方的八个分烟管引出，进入集烟管，由集烟管中部引至总烟管，通过空气予热器回收烟气余热，再经烟道由烟囱排入大气。这种方式可有效防止炉内烟气的偏流。
　　淬、回火炉进出料均采用侧进，侧出方式。淬火炉装出料悬臂辊采用斜80角安装，使钢管在入炉和出炉时产生自转并靠向装出料端墙一侧靠齐，其目的是防止钢管入炉时弯曲并有利装出料定位。
3步进式加热炉生产中的关键控制技术
　　3.1 生产节奏的控制
　　步进式加热炉生产中的生产节奏的控制是非常重要的，在管材线全自动、全连续工作时，加热炉区的机械设备如进料辊道、步进梁、出料辊道、液压站及其它公辅设施，设备运行节奏必须高度统一，才能实现管材物流全过程准确定位，以实现全自动、全连续工作。
　　依据生产调度计划而需要装炉时，通过上料台架输送至装料辊道，经光电开关及金属探测器而自动输送到炉外辊道上。待炉内装料端空出位置时，自动开启炉门，由其及炉内辊道托入炉内放置到固定梁上，并由此开始进行炉内的管材物流跟踪。管材通过炉子步进梁自装料端一步步地移送到炉子的出料端。由装在出料端的光电开关检测到管材边缘并在步进梁完成此时的步距运行后，暂停步进梁的移送动作，PLC同时测算等待出炉管材的位置。在加热炉接到出钢信号后，再自动开启出料炉门，由出料辊道运至炉外出料辊道上。当金属检测器探测到管材时，在由出料辊道输送至其他设备，进行下一道工艺。
　　管材输送、测量、装出料、物流跟踪以及管材的数据信息交换通过PLC和二
　　级计算机系统进行顺序、定时、联锁与逻辑控制，实现操作自动化和计算机管理。
　　3.2 加热炉燃烧控制
　　工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，例如：产品质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，所以目前大多数工业炉的控制效果不佳。随着工业炉工业的迅猛发展，脉冲式燃烧控制技术也应运而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。
　　目前高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高，对燃烧气氛的稳定可控性要求较高，使用传统的连续燃烧控制无法实现。随着宽断面、大容量的工业炉的出现，必须采用脉冲燃烧控制技术才能控制炉内温度场的均匀性。
　　本系统主要采用脉冲燃烧系统。它是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现窑炉的温度控制。燃烧状态下的燃料流量可通过主燃料控制阀门在线调节，燃烧器一旦燃烧，就处于其设计的最佳燃烧状态，保证燃烧器燃烧时的燃气出口速度不变。控制系统使炉内燃烧器交替燃烧，通过燃气在炉内的不断搅拌，使炉内温度场均匀分布。当需要升温时，燃烧器燃烧时间加长，间断时间减小;需要降温时，燃烧器燃烧时间减小，间断时间加长。并根据炉内的设定温度来控制燃烧时的燃料流量，当设定温度较低时，将主燃料控制阀门关小，当设定温度较高时，将主燃料控制阀门开大，避免炉内处于低温状态时，燃气与炉内的温度差过大，对炉内制品造成的直接热冲击。
　　脉冲燃烧系统的主要优点为：
　　1） 系统简单可靠，造价低。
　　2） 可提高炉内温度场的均匀性。
　　3） 传热效率高，大大降低能耗。
　　4） 燃烧器的负荷调节比大。
　　5） 无需在线调整，即可实现空燃比的精确控制。
　　与传统的比例燃烧控制相比，脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少，仅有温度传感器、控制器和执行器，省略了大量价格昂贵的流量、压力检测控制机构。并且，由于只需两位式开关控制，执行器也由原来的气动（电动）控制阀门变为电磁阀门，增加了系统的可靠性，大大降低了系统造价。
　　普通烧嘴的空燃比一般为1：4左右，当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，但当烧嘴流量接近其最小流量时，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰形状达不到要求，热效率急剧下降，高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时，上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃烧则不然，无论在何种情况下，烧嘴只有两种工作状态，一种是满负荷工作，另一种是不工作，只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节，所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷，需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时，燃气喷出速度快，使周围形成负压，将大量炉内烟气吸人主燃气内，进行充分搅拌混合，延长了烟气在炉内的滞留时间，增加了烟气与制品的接触时间，从而提高了对流传热效率。
4 系统简介
　　4.1系统构成
　　系统拓扑图见图2

图2 系统拓扑图

　　本加热炉自动化控制系统由基础自动化系统（L1）和过程计算机控制系统（L2）共同构成。
　　本系统一级基础自动化控制系统由淬火炉电气传动部分、回火炉电气传动部分和淬火炉仪控部分、回火炉仪控部分四个控制站。
　　淬火炉电气传动部分PLC为S7 315-2DP带4个ET200M从站和3个PROFIBUS-DP卡的西门子变频器MM440系列,实现辊道的顺控，钢管在入炉辊道上的定位控制，步进梁控制的功能。
　　淬火炉传动系统采用变频控制，变频器是由西门子公司提供的MM440系列。3个带PROFIBUS-DP卡的MM440系列变频器控制3组辊道。
　　回火炉电气传动部分PLC为S7 315-2DP带3个ET200M从站和2个带PROFIBUS-DP卡的西门子变频器MM440系列,实现辊道的顺控，钢管在入炉辊道上的定位控制，步进梁控制的功能。
　　回火炉传动系统采用变频控制，变频器是由西门子公司提供的MM440系列。2个带PROFIBUS-DP卡的MM440系列变频器控制2组辊道。
　　淬火炉仪控部分PLC主要由 S7 315-2DP及功能模板FM355C闭环控制模块构成，每套PLC及其相应的PID模块负责控制淬火炉的全部仪表，用来完成加热炉工艺参数的数据采集与过程控制。采用西门子FM355C闭环控制模块控制加热炉的工艺参数以达到加热炉最佳燃烧的控制效果。
　　回火炉仪控部分PLC与淬火炉仪控部分PLC的构成与功能基本上是一样的。
　　在过程计算机控制系统中，淬火炉和回火炉各设置一台计算机，对各自的加热炉系统进行硬件的组态与参数设置、通讯的定义、编写、调试用户程序及画面的监控与数据的纪录，最终实现集中监控和操作。
　　两台计算机为SIEMENS 工控机，配置为P4 2.0G，256M，并且带有工业以太网处理器CP1613。计算机借助于CP1613，通过工业以太网光纤交换机OSM，与PLC进行通讯。工业以太网光纤交换机OSM，带有两个光纤接口和6个电气接口。连接电缆采用多模纤维光缆，可用于强电磁干扰环境。冗余10M/100M 工业以太网大大提高了网络性能，网络配置和扩展也十分简单。用两根光缆即可，而且是冗余配置，控制柜接线也很简单。
4.2 编程和组态及功能模块FM355C
　　（1） PLC编程软件采用STEP7，STEP 7编程软件在windows2000/XP 下运行。STEP7编程语言提供了非常丰富的指令集，它使复杂功能的编程变得简单快捷。 STEP7提供了结构化的程序设计方法，以块形式管理用户编写的程序和资料，可以通过调用语句将它们组成结构化的用户程序，增加了程序的可读性和易维护性。系统为用户提供了大量预先编制的功能块，用户可直接使用这些功能块，从而大大缩短了编程时间。
　　标准软件包的功能
　　标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段，如：
　　• 建立和管理项目
　　• 对硬件和通讯作组态和参数赋值
　　• 管理符号
　　• 创建程序，例如为S7可编程控制器创建程序
　　• 下载程序到可编程控制器
　　• 测试自动化系统
　　• 诊断设备故障
　　（2）计算机上安装的SCADA软件为WinCC，操作系统为windows2000 。WinCC具有广泛的应用和极高的兼容性，提供成熟可靠的操作和高效的组态性能。
　　Wincc可用于自动化领域中所有的操作员控制和监控任务。Wincc可将生产过程中的状态以图像、文字、棒图、曲线或报警形式清楚地表达出来。它同时能够将所发生的事件、过程数据记录下来，供历史数据查询使用。可很方便地组态产生所需的报表格式，按时间或事件触发打印。
　　Wincc在Windows环境下，通过OLE和ODBC很容易将其他控件集成到应用软件中。也可通过DDE方式与其他应用程序进行通信。在Wincc中，嵌套一个标准c语言，在工程中，可随意地完成任务。同时可访问Wincc的API编程接口来达到某些特殊功能。Wincc的具有开放通信协议，支持多种PLC系统。
　　（3）FM355C是用于闭环控制任务的4 通道闭环控制模块， 它有如下功能:
　　• 可用于温度、压力和流量控制
　　• 方便用户的在线自优化温度控制
　　• 预编程的控制器结构
　　• FM 355C 作为连续动作控制器
　　• 4 个模拟输出端用于控制执行元件
　　• CPU 停机或故障后仍能连接运行
　　FM 355C 控制器具有下列性能:
　　• 工厂预制的控制器结构用于 固定设定点控制，串联控制，比例控制，3 分
　　量控制;根据所选择的控制器结构，几个控制器可结合到一个结构中。
　　• 不同的操作方式
　　自动
　　手动
　　安全方式
　　跟随方式
　　后备方式
　　• 2 种控制算法;
　　自优化温度控制算法
　　PID 算法
　　本系统应用了模块基本的功能，取得了较好的效果。
5 控制软件的设计
　　本系统的控制方式有以下几种：
　　1）手动方式：用于设备调试、检修时的操作。
　　2）半自动方式：用于在手动方式下对单体设备的自动控制。
　　3）自动方式：用于对所有设备的自动控制。
　　控制软件设计主要有以下几部分：
　　● 辊道控制
　　● 步进梁控制
　　● 炉温控制
　　● 炉压控制
　　● 煤气总管压力控制
　　● 空气总管压力控制
　　● 热风温度控制
　　● 紧急停炉保护
　　其中主要的是步进梁的控制和炉温控制及紧急停炉保护，下面主要说一
　　下步进梁控制、炉温控制、紧急停炉保护的控制思想。
　　5.1步进梁控制
　　步进梁的动作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于运送钢管向前移动，而踏步方式用于等待出钢。
　　步进梁的周期方式：
　　活动梁上升180mm，前进145mm，下降180mm，后退145mm，钢管前进一个齿距。
　　其运行轨迹如下：

图3 步进梁动作轨迹图

　　其运行速度如下图所示：

图4 步进梁运行速度图

　　在步进梁接近固定梁面时，放慢步进梁的上升速度，以使步进梁轻接触固定梁上的钢管，同样下降时也是如此。
　　步进梁的控制系统如图

图5 步进梁控制原理图

　　步进梁踏步方式：
　　活动梁上升180mm，后退45mm，下降180mm，前进45mm
　　钢管在固定梁原齿槽内转动。运行轨迹如下图所示：

图6 步进梁踏步轨迹图

　　5.2 炉温控制
　　● 炉子温区划分
　　淬火炉共8个控温区。加热段沿炉宽分四个区，即加热1、加热2、加热3、加热4、。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。
　　回火炉共10个控温区。加热段沿炉宽分二个区，加热1为中间段，加热2为左右两段组成。均温段沿炉宽分4个区，即均温1、均温2、均温3、均温4。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。
　　以上每个区均为独立控温。
　　● 各区炉温的设定方式
　　各区的温度有二种设定方式：
　　手动设定方式：
　　即在工控机上手动改变各区温度设定值对炉温进行设定。
　　程序设定方式：
　　对于不同规格及材质的钢管，按工艺要求对应不同的设定温度，操作者可予先将不同规格和材质的钢管的炉温设定值以数据库形式保存在PLC内，并在工控机CRT的钢管选择界面上，可按需要，通过“一触式”软按键对各区炉温进行批量设定。
　　● 各区温度的调节方式
　　采用PID调节方式，其过程是由热电偶检测来的实际炉温传给FM355 PID模块，并与该区设定值进行比较，由该模块实现PID运算并输出4～20mA信号，并将此信号传输至Krom公司的连续控制或脉冲控制器的输入端，再去控制燃烧系统，实现温度控制。
　　其体控制过程如下：
　　对于淬火炉加热1、加热2、加热3、加热4四个温区，是采用德国Krom公司的比例燃烧连续控制系统，温度模块的PID输出4～20mA信号控制系统的空气电磁蝶阀。空气电磁蝶阀开度发生变化，通过空/燃比例调节阀使烧嘴前煤气压力发生变化，从而使供热发生变化，实现炉温的自动控制。见图7

图7 连续燃烧控制原理图
1燃气电磁阀 2烧嘴控制器 3点火变压器 4空燃比例阀5流量调节阀 6手动蝶 7波纹管8烧嘴

　　对于淬火炉的保温1、保温2、保温3、保温4四个区和回火炉的各区而言，是采用德国Krom公司的脉冲燃烧控制系统，脉冲控制器MPT-700，接受PID模块的PID输出信号并将该信号变成具有脉冲调宽时序信号去控制脉冲烧嘴的开关时序及开关时间比例，从而达到调节空气、煤气的流量，达到控制炉温的目的。
　　为保证炉温均匀度±5℃和沿钢管全长温度均匀性小于10℃要求，淬火炉的保温段及回火炉均采用脉冲燃烧控制，在脉冲燃烧控制中，烧嘴只工作在开或关两种状态下，根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求，将烧嘴一次性调至最佳工作状态，我们采用的是Krom公司的调温烧嘴，这样对于提高燃烧效率，降低排放物污染程度都有明显效果。
　　其控制系统示意图见图 8

图8 脉冲燃烧控制原理图

　　5.3 紧急停炉保护和连锁
　　（1）自动停炉
　　当发生以下情况时应自动停炉：
　　● 车间煤气总管压力超低限;
　　● 热风压力超低限;
　　● 冷却水压力超低限或断水;
　　● 助燃风机故障停转;
　　● 停电。
　　自动停炉过程：总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。
　　（2）紧急手动停炉
　　它用于控制系统出现故障等特殊情况。
　　该系统为独立于PLC控制的联锁系统，由操作者按急停按钮完成停炉。
　　停炉过程仍具有下面联锁功能：
　　总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。
6 结束语
　　本系统设计采用了先进的自动化技术，达到了加热炉生产的高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。现在该系统自投运以来，运行稳定可靠，操作简便，深受现场工作人员的欢迎，达到了比较好的预期效果。