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罩式爐
太鋼國產(chǎn)化罩式爐過程自動控制系統(tǒng)設計方案
全氫罩式爐是冷軋帶鋼退火的一種重要設備，根據(jù)山西太鋼不銹鋼公司的全氫罩式爐的工藝特征，結(jié)合原來引進的罩式爐控制系統(tǒng)，利用profibus網(wǎng)絡和分布式I／O的設計思想，開發(fā)了國產(chǎn)的罩式爐控制系統(tǒng)。闡述了國產(chǎn)化罩式爐過程自動化控制系統(tǒng)設計與主要控制功能，同時介紹了國產(chǎn)化全氫罩式爐主要安全連鍍和上位機畫面功能。
1生產(chǎn)工藝介紹
全氫罩式爐設備包括爐臺、內(nèi)罩、加熱罩、冷卻罩。全氫罩式爐工藝過程是：退火開始時，先將要退火的鋼卷堆垛在罩式爐臺上，吊裝上內(nèi)罩，對爐臺、內(nèi)罩系統(tǒng)和氫氣入口閥進行冷態(tài)密封測試，測試成功后，把加熱罩扣放在爐臺上，進行氮氣吹掃；當?shù)獨獯祾邼M足條件后，用氫氣置換內(nèi)罩里的氮氣；加熱開始后根據(jù)不同的材質(zhì)選擇加熱曲線進行溫度控制，直到鋼卷卷心溫度達到要求；然后移走加熱罩，接著吊裝冷卻罩，通過冷卻罩上的風機利用周圍環(huán)境空氣來冷卻內(nèi)罩；當通熱電偶檢測內(nèi)罩里的循環(huán)氣氛達到設定溫度時，冷卻罩風機停止運行；待鋼卷卷心的溫度達到設定值后，冷卻結(jié)束，移走冷卻罩；然后進行氮氣吹掃，置換內(nèi)罩里的氫氣，移走內(nèi)罩；最后吊走鋼卷，一個工藝過程完成。
2過程控制系統(tǒng)設計
系統(tǒng)設計為一個PLC控制1臺罩式爐的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)采用西門子公司PROFIBUS DP現(xiàn)場總線組成，主要設備有爐臺主機架(含CPU)、加熱罩ET200、變頻柜ET200、變頻器和OP面板。PROnBUS DP網(wǎng)絡18座和12座各自成線形網(wǎng)絡，DP網(wǎng)負責公輔與各爐臺之間的通訊連鎖，技術成熟可靠，可以減輕DP網(wǎng)絡的通訊負擔。
系統(tǒng)網(wǎng)絡由兩級組成，上位控制計算機和S7—300控制器之間采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，爐臺之間和爐臺內(nèi)部采用PROMBUS DP協(xié)議。每6個爐臺由西門子工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接至現(xiàn)場交換機(型號：西門子Scalance 212—2)，現(xiàn)場5臺交換機與操作室主交換機(型號：西門子Scalance 414—3E)由光纜連接成環(huán)形以太網(wǎng)絡。該以太網(wǎng)絡負責PLC與操作站和L2的通訊，提高通訊處理能力，可滿足多臺操作站與IBA數(shù)據(jù)記錄的通訊要求。
自動控制系統(tǒng)采用分布式I／O這種成熟的控制方案，提高了系統(tǒng)運行的可靠性和抗干擾能力，同時又降低了控制系統(tǒng)造價，達到了最優(yōu)性價比的要求。其特點如下：
1) 18座和12座各自設計一套公輔系統(tǒng)，其中，一套公輔故障時不影響另一套的正常運行。每個爐臺設計一個PLC系統(tǒng)，該爐臺故障時不影響其他爐臺的運行。后12座配套公輔系統(tǒng)按18座相同設計，留有進一步擴充的余地。
2) 分布式I／O控制方案，能夠節(jié)省很多電纜投資和施工投資，現(xiàn)場分布式I／O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通訊網(wǎng)絡電纜，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，故障點少，便于后期維護。
3 PLC部分主要功能
1)扣內(nèi)罩。生產(chǎn)準備完成后，PLC對各種介質(zhì)系統(tǒng)包括水循環(huán)、液壓系統(tǒng)等進行檢查，并判斷安全系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和各種硬件設備工作正常后，發(fā)出對內(nèi)罩進行夾緊命令。內(nèi)罩夾緊后控制程序?qū)⒁?mdash;個大的時間軸為參考啟動各項控制程序。
2)冷密封測試。程序啟動條件具備，打開排放閥以120 m3／h的速度對內(nèi)罩進行40 min的氮氣吹掃，如果氧含量低于1％、軟件判斷流量吹掃完成后、壓力等正常后系統(tǒng)將啟動冷密封測試，將關閉排氣閥。經(jīng)過一段時間后如果壓力與計算壓力相符，認為冷密封測試通過。
3)扣加熱罩。判斷加熱罩在爐臺上、冷卻罩沒有連接、加熱罩處于關閉狀態(tài)、加熱罩沒有故障，完成加熱罩號的讀取，助燃風機啟動后延時18 s，判斷為加熱室接入。
4)預吹掃加熱室。各種條件具備后，開始啟動加熱。啟動助燃風機，在壓力、流量等條件滿足時，進行風量******吹掃，在硬件、軟件設定時間都達到后，完成吹掃。
5)點火。首先調(diào)整助燃空氣電動閥和燃氣電動閥到點火范圍，先打開助燃空氣閥，再打開燃氣閥，執(zhí)行點火；如果加熱室溫度大于180℃啟動為熱啟動，接著判斷火焰是否穩(wěn)定，冷啟動需10 min后判斷；啟動后30 s，如果啟動條件仍然具備，認為主火焰穩(wěn)定，如果燒嘴有故障信號返回，進行重復點火。
6)升溫。讀取加熱室和負荷空間溫度，計算與設定值的差值，如果負荷空間實際值與設定值之間的差值≥-1 ℃時，采用負荷空間控制；差值≤-20℃或加熱室溫度>設定溫度10℃時，采用加熱室控制；如果差值≤-6 ℃，加熱室溫度≤-15℃時，采用連續(xù)控制；在溫度大于一定值或冷卻斜率啟動后，采用燒嘴開關控制；負荷空間偏差值<-3℃加熱開始，負荷空間偏差值>0℃加熱結(jié)束；根據(jù)升溫曲線控制助燃空氣閥、燃氣閥等。
7)保溫。（以下都簡要介紹）
8)熱密封測試。
9)吊加熱罩。
10)扣冷卻罩。
11)安全吹掃2。
12)吊冷卻罩和內(nèi)罩。
4安全聯(lián)鎖
本罩式爐因為用100％氫氣作保護氣氛，所以安全聯(lián)鎖在控制中顯得尤其重要。主要有以下安全聯(lián)鎖措施：
1)設計中充分考慮到安全，各種閥門儀表均滿足密封和防爆要求，在各種故障狀況下均保證安全。
2)關鍵的保護在硬件和軟件設計中進行雙重設計。
3)T藝步驟中安全吹掃量遠大于計算量，留有安全余量。
4)運行中多次密封檢查，密封不良時禁止后續(xù)操作。
5)火焰檢測系統(tǒng)檢測火焰燃燒狀況，煙道安裝殘氧分析儀，保證空氣過剩系數(shù)，燃氣使用專用的雙電磁閥，防止發(fā)生爆炸事故。
6)軟件中監(jiān)測各氣源壓力，如果不符合正常生產(chǎn)的要求，則根據(jù)情況選擇對生產(chǎn)影響最小的安全措施。如果控制介質(zhì)壓力低，則不能啟動程序；如果隔離介質(zhì)壓力低，不能夾緊內(nèi)罩；如果爐壓過高，不允許進行密封測試、不能啟動爐臺風機、不能進行加熱、同時關閉氮氣閥、關閉氫氣閥。如果爐壓過低，不允許進行密封測試、同時打開氮氣閥、關閉氫氣閥、關閉排氣閥、停止冷卻。
7)軟件監(jiān)測各供電開關的狀態(tài)和供電電壓，如果出現(xiàn)故障，則根據(jù)情況選擇對生產(chǎn)影響最小的安全措施。
8)軟件隨時記錄當時的工作狀況，軟件啟動時判斷供電恢復還是人工啟動，選擇相應的安全啟動步驟，盡量不中斷正在運行的熱處理程序，在保證安全的前提下，降低對生產(chǎn)的影響。
9)與公共PLC交換數(shù)據(jù)，如果連接中斷，則采取相應的安全措施。
5中央操作系統(tǒng)(COS)功能
原EBNER公司的COS系統(tǒng)除實現(xiàn)通常意義上的操作監(jiān)視功能外，還包含了許多二級系統(tǒng)的功能，主要包括數(shù)據(jù)的周期歸檔到ORACLE數(shù)據(jù)庫，各種事件的記錄到數(shù)據(jù)庫，各種報警信息記錄到數(shù)據(jù)庫。實際上，它和PCS(二級系統(tǒng))緊密結(jié)合在一起，不是我們傳統(tǒng)理解的一級和二級的關系。
6結(jié)語
太鋼30座國產(chǎn)化全氫罩式爐設備和過程自動化控制系統(tǒng)于2011年10月陸續(xù)投入使用，并于2012年4月全部正式投入生產(chǎn)。目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定良好，自動控制功能投用率達到100％。國產(chǎn)化罩式爐的各項控制要求和精度與原EBNER公司罩式爐相同。出爐鋼卷的各項性能指標符合太鋼標準，滿足用戶要求。
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