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罩式爐

罩式退火爐基于上位機(jī)的集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

 

    全氫罩式爐因其具有建設(shè)成本低，運(yùn)行維修費(fèi)用低、靈活性高、擴(kuò)充性高、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，所以在磁性材料和鋼材料退火工藝中經(jīng)常使用，主要是用來(lái)改善材料的物理和機(jī)械性能。
 
    然而實(shí)際生產(chǎn)中罩式退火爐工藝非常復(fù)雜，生產(chǎn)條件苛刻，對(duì)于控制系統(tǒng)的要求相對(duì)于其他加熱設(shè)備就要高很多。本文以12臺(tái)罩式退火爐的自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案為例，介紹一種以PLC和PID智能溫控儀表組成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。
 
 
 
一、罩式爐退火工藝流程的簡(jiǎn)要介紹
 
    罩式爐主要設(shè)備包括退火爐臺(tái)、加熱罩、內(nèi)罩、冷卻罩、閥站等。爐臺(tái)是整個(gè)罩式爐的基礎(chǔ)設(shè)備，爐底安裝有利于對(duì)熱對(duì)流循環(huán)的電機(jī)和葉輪，內(nèi)罩放置爐料進(jìn)行退火，加熱罩內(nèi)電阻絲分兩區(qū)均勻分布，加熱時(shí)罩在內(nèi)罩外部，加熱完成后換上冷卻罩。閥站由公輔管道、控制閥門和儀表組成，用于提供氫氣、氮?dú)狻⑺雀鞣N介質(zhì)的輸入與輸出及壓力和流量的控制。
 
    工藝過程如下：將爐料裝好后扣上內(nèi)罩并用液壓鎖緊，內(nèi)罩與爐臺(tái)連接法蘭內(nèi)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)開始工作，內(nèi)罩鎖緊后，確認(rèn)氫氣閥、內(nèi)罩、爐臺(tái)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、排氣管路密封性良好，然后抽真空，爐壓降到-90kPa；開始自動(dòng)氮?dú)獯祾撸鎿Q內(nèi)罩內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)氧含量減少到1%以下，充入保護(hù)氣體氫氣，同時(shí)將加熱罩吊裝到爐臺(tái)上，按照設(shè)定的退火曲線開始加熱和保溫，爐料在全氫氣下退火，在保溫階段結(jié)束前自動(dòng)對(duì)爐臺(tái)內(nèi)罩進(jìn)行一次泄露檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)安全后就可吊走加熱罩，隨即將冷卻罩吊到爐臺(tái)上，啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)，內(nèi)罩溫度t冷卻到（t℃=（273+t）K）時(shí)開始自動(dòng)水冷，直至爐料達(dá)到出爐溫度，進(jìn)行氮?dú)獯祾?，用氮?dú)鈸Q掉內(nèi)罩氫氣，置換完畢后，循環(huán)風(fēng)機(jī)停止工作，吊走冷卻罩，松開內(nèi)罩，進(jìn)行爐料出爐，準(zhǔn)備下一周期的生產(chǎn)。退火工藝如圖：
 
 
 
二、系統(tǒng)配置
 
    罩式退火爐的退火工藝流程復(fù)雜，邏輯互鎖眾多，采用S7-300PLC作為控制器，可滿足控制要求。一套PLC用于控制兩個(gè)爐臺(tái)。PLC主站包括電源模塊和通信模塊。爐臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)閥站配置四個(gè)數(shù)字量輸入/輸出模塊，用來(lái)處理氣體閥門、開關(guān)等各種開關(guān)量的動(dòng)作。兩個(gè)模擬量輸入模塊主要完成爐壓和氣體流量等各種模擬信號(hào)的采集。變頻器控制爐臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)。PLC主站通過CPU上的DP接口建立Profibus現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，連接爐臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器和現(xiàn)場(chǎng)從站。觸摸屏為MCGS的TFT液晶屏，通過Ethernet接入以太網(wǎng)，能夠滿足使用要求。
 
    該退火車間總共12臺(tái)爐臺(tái)，由六個(gè)PLC分別控制。通過光電交換機(jī)將所有PLC和上位機(jī)組成工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC之間以及PLC與上位機(jī)需進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高效的傳輸。上位機(jī)由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，分別用作工程師站和操作站，并配有UPS和打印機(jī)。上位機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)通信的管理層，安裝有工業(yè)組態(tài)軟件，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控。
 
    每套控制系統(tǒng)配置一臺(tái)具有智能PID功能的XMA-5000系列溫控儀表，XMA-5000儀表本身具有通信功能，通信接口遵守RS485標(biāo)準(zhǔn)，多個(gè)XMA-5000儀表通過RS485通訊轉(zhuǎn)換器連接上位機(jī)的串行口。XMA-5000儀表作為系統(tǒng)下位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)給定的工藝參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爐溫的測(cè)量和調(diào)節(jié)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，XMA-5000儀表也可以脫離上位機(jī)單獨(dú)完成任務(wù)。
 
    XMA-5000儀表通過周期性過零觸發(fā)方式調(diào)節(jié)加熱功率。內(nèi)罩內(nèi)裝有雙輸入K型熱電偶，一路送溫控表，用于溫度的閉環(huán)控制，一路送上位機(jī)，用于溫度曲線記錄和超溫報(bào)警。XMA-5000儀表具有PID參數(shù)自整定功能，溫度曲線設(shè)置完成后，啟動(dòng)儀表，開啟自整定。自整定參數(shù)除了PID外還包括輸出限幅參數(shù)和抗超調(diào)擬制參數(shù)。儀表輸出控制量為4-20mA，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)整器的輸出功率。
 
 
    該系統(tǒng)采用集中管理和分散控制的控制思想，順序控制、數(shù)據(jù)采集、故障處理由PLC完成，溫度控制由智能儀表XMA-5000完成，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)退火過程的監(jiān)控及組態(tài)管理。系統(tǒng)的控制任務(wù)是分散的，但是各個(gè)測(cè)控單元的信息是開放的，可以相互交換數(shù)據(jù)，共同配合完成整個(gè)系統(tǒng)的控制過程。
 
 
 
三、上位機(jī)控制系統(tǒng)及專業(yè)組態(tài)軟件
 
    上位機(jī)主要由兩臺(tái)工控機(jī)和打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。采用專業(yè)的上位機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作界面，包含現(xiàn)場(chǎng)整體狀況、報(bào)警提示記錄、數(shù)據(jù)的顯示和記錄、操作命令的執(zhí)行等功能。
 
    在實(shí)際生產(chǎn)中由于產(chǎn)品規(guī)格和工藝要求不同，退火工藝中退火曲線常常需要頻繁的更改參數(shù)，傳統(tǒng)的手工操作儀表的參數(shù)的設(shè)置和修改方面很繁瑣，上位機(jī)組態(tài)軟件的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)鍵盤快速直接設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)修改參數(shù)或者工藝曲線的修改。同時(shí)組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)爐群集中監(jiān)控和每一個(gè)加熱爐單獨(dú)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)顯示每個(gè)加熱設(shè)備的工作狀態(tài)及各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制柜發(fā)出蜂鳴報(bào)警提示的同時(shí)，上位機(jī)計(jì)算機(jī)界面同時(shí)顯示報(bào)警提示，并提供故障查詢和提示相應(yīng)處理解決措施的功能。在管理方面該熱處理自動(dòng)化軟件具有管理人員權(quán)限設(shè)置功能，根據(jù)不同層次管理人員和操作人員的使用需求，可設(shè)置多個(gè)用戶登錄權(quán)限，高級(jí)別的用戶可擁有更多的操作和查看的權(quán)限，同理一線操作人員擁有有限的操作權(quán)限，以保證生產(chǎn)的安全。
 
 
四、總結(jié)
 
    整個(gè)退火爐群控制系統(tǒng)由具有現(xiàn)場(chǎng)通訊能力的智能溫控儀表和PLC共同構(gòu)成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使各個(gè)加熱設(shè)備與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交換，可通過現(xiàn)場(chǎng)溫控儀表實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、控制、故障處理等功能，也可以通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看處理、控制動(dòng)作等等功能，實(shí)現(xiàn)集中管理控制。而PLC和溫控儀表之間既可以獨(dú)立運(yùn)行完成控制，各系統(tǒng)互不干擾，又可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理。該套系統(tǒng)在實(shí)際投入使用后控溫精度好，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了較高的生產(chǎn)自動(dòng)化水平。實(shí)踐證明該套控制系統(tǒng)還可以升級(jí)為車間管理級(jí)，控制罩式爐數(shù)量更多的熱處理車間，滿足更高的管理需求。