PLC在单蓄热步进式加热炉中的应用.pdf

自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r ial Ap pl ic a t ion s an d COmmu n i c at i O n s P L C在单蓄热步进式加热炉中的应用 肖薇 重庆钢铁 自动化部 ， 重庆 4 0 1 2 2 0 摘 要 本文主要介绍了单蓄热步进式加热炉的特点及 P LC在该加热炉控制中的应用。阐述了单蓄热步进式加热炉控制系统结构 ， 分析了单蓄热步进式加热炉控制系统功能。 关键词 单蓄热步进式加热炉； 加热炉工艺； 加热炉控制方法 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 2 0 6 0 0 8 0 0 3 Ap p l ic a t i o n o f PL C i n t h e Si n g l e Re g e n e r a t iv e Re h e a t i n g I- ur n ac e XI Ao Ⅵ i Au t o ma t i o n De p a r t me n t Ch o n g q i n g I r o nS t e e l CO． L T D， Ch o n g q i n g 4 0 1 2 2 0 Ch i n a A b s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e s i n g l e r e g e n e r a t i v e r e h e a t i n g f u ma c e ， a n d t h e a p p l i c a t i o n o f P L C s y s t e m i n t h i s p r o j e c t ． Ke y wo r d s s i n g l e r e g e n e r a t i v e r e h e a t i n g f u r n a c e ； h e a t i n g f u r n a c e t e c h n o l o g y ； h e a t i n g f u rna c e c o n t r o l 1 引言 蓄热式燃烧技术 ， 应用在钢坯加热炉上能降低煤气 消耗、提高钢坯加热质量 、拓宽品种规格、提高产量及 市场竞争能力 ， 同时降低有害气体的排放 ， 保护环境 ， 社 会效益显著。蓄热式加热炉的控制复杂多变 ， 为了能够 准确有效地控制炉温 ， 使出炉钢坯配合好轧制节奏 ， 普 遍采用 P L C来进行控制。 2 单蓄热步进式加热炉简介[ 1 ] 单蓄 热步进式加热炉实质上是高效蓄热式换热器 与 常规步进 式加 热炉的结合 体 ， 主要 由加热炉 炉体 、蓄 热室、换向系统及燃料、供风和排烟系统构成。换向系 统是加热炉的重要部件 ， 整个燃烧过程都是靠换 向装置 完成的。换 向原理是 初始状态下 ， 换向装置处于某一 固定状态时 ， 向炉子一侧的燃烧器输送煤气、空气 ， 在 炉 内实现混合燃烧 ， 同时从炉子另一侧的燃烧器排 出烟 气 ， 经过一个周期 4 0 s 一7 0 s 改变方向， 实现供气和排气的 周期性换向。由于换向阀的频繁换向， 对响应时间和速 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 一 O 9 度有很高的要求， 而且加热炉的燃烧控制也是一个复杂 多变的控制过程 ， 以及钢坯进出炉， 炉 内布料和步进梁 等复杂的控制对象 ； 通过合适的控制策略编程 ，P L C就 能够快速准确控制这一系列复杂的对象， 因此 P L C在单 蓄 热步 进 式 中被 广泛 的 应用 。 3 单蓄热步进式加热炉 区工艺流程 合格热送钢坯 由辊道从炼钢车间运输到车间钢坯 跨 ， 热坯直接进炉的坯料由提升机提升至步进上料架 上 ， 经辊道进步进梁式单蓄热加热炉。不进炉的坯料 ， 采用过跨平车装连铸坯从炼钢车间运至坯料跨 由吊车 调至坯料跨堆放 ， 接到上料指令后 ， 由吊车将其吊运到 步进上料台架上。上料台架将坯料向前输送 ， 靠近台架 输出端的气动挡料装置下降， 使坯料逐根落到上料辊道 上 ； 辊道一侧设有剔废装置， 经人工检查 ， 有明显表面缺 陷和弯 曲度达不到要求的坯料在此处剔出 ， 坯料经称 重、入炉辊道输送过程中的测长后 测长报警 进入加热 炉， 根据计算机预先设定好的布料图自动布料 ， 坯料进入 加热炉定位停稳后 ， 按不同钢种的加热工艺 ， 将坯料加 热到 1 0 5 0 C至 1 1 5 0 C， 加热好的钢坯接到要钢信号后 自 f 亍业 应 用 与 交 流 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第6 期 n d u s t r i a l Ap pli c a t i o ns a nd Co m mun ic a t i o n s 动出钢。从台架到布料整个过程由操作室 自动控制 ， 坯 料经验收合格后物料 自动跟踪。 炉内气氛根据设置在炉尾的残氧分析仪 自动调节 ； 炉压保持微正压 ， 当偏离时能自动调节 ； 炉温控制分 自动 调节和手动调节， 自动调节空燃比控制； 采用空气单蓄热 方式 ， 燃烧烟气一部分经空气蓄热室蓄热预热空气后 ， 降至约 1 5 0 ℃， 由引风机从 3 0米高的钢板烟囱排出， 另 一 部分烟气预热炉尾钢坯后， 从炉尾下部副烟道经烟道 闸板， 从 4 0米烟囱自然排烟； 炉区配有煤气泄漏报警系 统 ， 空煤气管道燃气吹扫放散系统、汽化冷却系统及安 保系统 含应急动力系统 等等。 4 单蓄热步进式加热炉控制系统结构 根据公司要求 ， 该控制系统分为 3级， 如图 1 所示 L O 级为传动级 ， L l 级为基础 自动化级 ， L 2 级为过程 自动 化级。L O级 传动级 主要由执行机构， 测量仪表和伺服 机构等现场设备构成 ， 用于实现对现场设备的直接控制 和信号检测； L l 级 基础 自动化级 则是西门子S 7 4 0 0 控 制系统对过程信号进行采集处理 ， 经过逻辑计算后控制 设备的运行；L 2 级 过程 自动化级 主要由工业控制计算 机 HMI 完成对整个加热炉的监控操作。L 1 通过光纤与 HMI 系统相连接 ， 提供现场生产线的工艺参数 ， 接受操 作指令； 通过 D P网与传动柜系统连接， 采集设备工作状 态参数， 发送操作指令； 通过电缆直接与现场仪表、配电 柜连接， 采集现场工况参数 ， 驱动现场执行元件。 图 1 加热炉控制系统分级 由于工艺要求加热炉网络的可靠性及及时性 ， 因此 加热炉网络采用高速光纤环网结构 ， 如图 2所示。环网 的特点是稳定可靠 ， 在极端的情况下 ， 如有一条链路断 路， 不会影响整个网路的通信。 图 2 加热炉网络结构 5 单蓄 热步进式 加热炉控 制 系统功 能 单蓄热步进式加热炉控制系统分为仪控和 电控 ， 并 均有 HMI 。加热炉所有在线设备均通过 P L C系统控制， 在线设备的操作均采用操作室集中手动、操作室 自动 、 机旁手动 3 种操作方式。集中手动对在线设备可按系统 联锁控制， 自动控制使各系统设备按预定的生产程序运 行， 机旁手动主要用于系统检修、调试或者巡检。 仪控过程由P L C通过传感器采集各种变量 ， 根据操 作人员设定的各项参数来决定控制策略和目标值 ， 然后 分别驱动相应执行机构来调节过程变量 ， 实现对温度、 压力、流量的控制， 并通过 HMI 时实显示。 电控过程由PL C根据 电器元件采集的各种位置信 号， 通过编辑好的固定程序运行 ， 完成钢坯在加热炉 内 的运 行 。 5 ． 1 仪控主要包括加热炉燃烧控制系统和汽化 冷却系统。 5 ． 1 ． 1 加热炉燃烧系统 炉温控制 分为 3段控制， 分别是均热段 、加热一 段 、加 热二段 ， 还 设 置 了一 定 长度 的不供 热的 热 回收 段 ， 以满足轧制工艺对钢坯温度均匀性的要求。全炉 3 段控温用 P I D方式控制， 空、煤气比例燃烧控制 ， 双交叉 限幅实现 3段炉温 自动控制 ， 并采用 自寻优动态调节代 替静态调节空燃比， 还能有利于降低氧化烧损率 。考虑 炉底 水梁吸热 和热气体上浮 ， 上 、下供热 比例 约为 4 7 ％ 和 5 3 ％。 换向系统 用 P LC控制 ， 正常工作时换向周期 4 0 ～ 7 0秒左右， 采用双重信号控制， 一是以时间为控制参数 ， 二是以烟气温度为控制参数。控制方式有 ， 自动程序换 向控制 ； 远程手动换向控制 ； 现场手动强制换向控制。采 自 动化 技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 l 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r ial Ap pl ic a t ion s an d Commun ic a t i o n s 用分散顺序换 向方式， 换向时间和间隔可调。 炉膛压力控制 空气、空烟采用快速切断阀、煤气 采用气动切断阀实现分散换向， 减少换向瞬间的压力波 动 ， 一般波动在 1 O P a 左右。 燃烧安全 用压力开关检测各种介质的压力 ， 当检 测到压力异常时报警 ， 必要时进行燃烧切断 3。 5 ． 1 ． 2 汽化冷却系统 目的是冷 却加热炉水梁和立柱 ， 系统采用强制循 环 ， 外送蒸汽压 力 1 ． 3 Mp a ， 汽包运 行压力为 1 ． 4 Mp a 。 采用强制循环汽化冷却 设置备用电动循环水泵 ， 经常 有一台电动循环水泵备用， 当运行的电动循环水泵故障 停机时 ， 备用 电动循环水泵 自动投入运行 ， 保证系统正 常工作 ； 设置事故柴油机给水泵， 在给水系统 中采用柴 油泵作为 电动给水泵的停 电事故备用， 当停电时， 给水 系统的柴油机给水泵启动， 首先将除氧水箱内的水供人 锅筒 内， 另外软水箱设一出口与给水泵入 口集管相连 ， 两者之间设常闭闸阀， 停电或除氧器不能正常运行时该 阀开启 ， 由柴油机给水泵将软水直接供入锅筒内； 为了 保证每一回路的正常运行， 在每一回路上设置流量检测 装置 ， 当单一回路流量低于正常流量的 6 0 ％时， 进行声 光 报警 。 5 ． 2 电控系统 电控是指电器逻辑控制， 针对的是开关量信号的状 态控制。主要包括钢坯的上料 ， 称重 ， 测长， 剔废 ， 进出 炉及步进梁的控制， 如图3所示。 曩 l 艟 劳辫 图3 电控 钢坯 由提升机提升至步进上料架上 ， 经辊道进入 步进梁式单蓄热加热炉。坯料经剔废 、称重、入炉辊 道输送过程 中的测长后 测长报警 进入加热炉 ， 根据计 算机预先设定好 的布料图自动布料 ； 布料完成后 ， 钢坯 在炉 内通过步进梁的矩形运动 ， 从进料端一步一步地 移送到出料端 ； 当轧线给出要钢信号时， 步进梁向前走 一 个步距 ， 将钢坯托到炉 内悬臂辊道上 ， 出料炉门 自动 开启 ， 开始出料过程 ， 出料辊道以炉外轧线接钢辊道相 同速度运转 ， 在炉 内出料辊道上的钢坯高速出炉 ； 当钢 坯尾部通 过炉外出钢辊道 未端的激光 冷热金属检测 仪 ， 激光冷热金属检测仪检测到钢坯信号时 ， 给出出料 完毕信号 ， 出料炉门自动关闭； 完成出钢程序后， 悬臂 辊道低速转动 ， 到下次需要接钢时停止。整个过程可 以由编写好的程序 自动控制 ， 也可以由控制室 内分布 手动控制_ 4 】 。 步进梁做矩形运动 ， 行程由线性位移传感器控制 ， 并具有 自动纠偏功能 ， 保证每根钢坯间的距离合适并都 能放置在出料悬臂辊道的合适位置。步进梁具有正循 环、逆循环 、踏步、中间保持等功能 ， 以满足不同工况 下钢坯在炉内的运输要求【 2 】 。 6 结束语 单蓄热步进式加热炉提高了钢坯加热质量 ， 降低了 燃料消耗 ， 减少了氧化烧损， 运用 P L C进行控制保证了 加热炉安全可靠的运行， 满足了加热炉 “ 实用、先进 、 寿命长、操作方便、节能”的要求。 参考文献 [ 1 】蔡乔方． 加热炉 第 3版 [ M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 7 ， 4 1 7 7 1 8 7 ． 【 2 ]袁宝歧， 蔡惕民， 袁名炎． 加热炉原理与设计【 M] ． 北京 航空工业出版社， 1 9 8 9 ， 6 ． [ 3 ]武文斐， 陈伟鹏， 刘中强等 ． 冶金加热炉设计与实例I M】 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 8 ， 4 ． [ 4 】戚翠芬 ． 加热炉基础知识与操作[ M】 ． 北京 冶金工业出 版社 ， 2 0 0 5 ， 3 ． 作者简介 肖薇 1 9 8 3 一 ， 女， 助工， 研究方向 工业 自 动化控 制 系 统 及 其相 关信 息 化 领 域 。