河北钢铁集团有限公司 承钢分公司 板带事业部卷板作业区 河北省承德市 067000
摘要：本文在总结过程控制理论、DCS和PLC技术、网络通信技术、现场总线的基础上，采用技术实用、可靠、指标先进的电控仪控的装备水平，结合步进式加热炉运行的特点，实现步进式加热炉的基础自动化控制，以供参考和借鉴。
关键字：步进式；加热炉；控制技术；应用
引言：二十世纪三十年代以来，自动化控制技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学发展中起着关键作用。当前自动化控制装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。
1步进式加热炉概述
步进式加热炉分步进梁式和步进底式两种，是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、返回等动作将工件由进料端移至出料端的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成，步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。改进的步进式加热炉属于冶金行业生产设备，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。步进式加热炉的工艺过程是从连铸机来的热坯（或库房的冷坯经上料辊道）、装料辊道、在装料辊道上对中、定位、装坯料入炉、加热、出坯，机械设备包括装出料炉门传动装置、装出钢机、炉底提升、平移机械、汽化冷却、风机传动等。
2步进式加热炉控制系统概述
整个控制系统由电气控制和过程控制两大部分组成，电气控制的最终目的是保证荒管在加热炉内顺利的传输，维持荒管对轧机的供应量，这需要各种电气设备密切配合，严格按照时序动作，包括辊道控制、炉门控制、步进梁控制、翻钢机控制等，以开关量为主体；步进式加热炉的过程控制系统完成控制然气和空气的流量来调节燃烧过程，保证炉温稳定在设定值，波动不超过允许的偏差，确保荒管能被均匀地加热到符合工艺要求的温度。通常的温控系统是利用实际测量值与预设值的偏差量来调节燃气管道及空气管道的流量控制阀门，以实现炉膛温度恒定。对大型加热炉而言，其炉长方向可设置多个温度可控段，大致为预热段、加热段、均热段，钢坯在向前步进的过程中，要求其加热过程要接近于该钢坯的理想加热曲线，根据理想加热曲线来确定加热炉各段的设定温度。本加热炉的燃烧介质为煤气和空气，燃烧控制的目的就是通过控制煤气与空气的流量及其配比来控制炉膛的温度，控制荒管的出炉温度。加热炉分为左部和右部两个加热段，煤气和助燃空气通过各自的总管被送到左部及右部加热段的管道中，经过燃烧调节系统后再送往烧嘴燃烧，加热炉膛及荒管。过程产生的废气通过烟道、烟囱排入大气。在通过烟道时，经换热器把热量传给助燃空气，回收部分余热。
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3步进式加热炉控制系统设计方案
3.1系统总体方案
步进式加热炉自动化控制系统采用基于现场总线的网络化系统方案，整个控制网络分为三层：第一层为传感器（变送器）与执行机构组成的基础自动化层；第二层为由Profibus连接起来的各远程站I/O模块，接收传感器送来的信号或者向执行机构发出指令；第三层为上位机以及其它设备组成的操作员站、工程师站，可以向PLC发出控制指令及设定参数等，它使用MPI总线与PLC通讯，同时它还可为以后的车间级管理及公司级管理层提供接口。
3.2系统硬件设计
本控制系统的特点是电气和过程控制共用一套PLC，对变量进行统计结果如下：开关量输出103点，开关量输入140点，模拟量输入26点，模拟量输出10点。组建系统时对输入输出点留有一定备用，最终选用了SM321开关量输入模块5块，共计160点；SM322开关量输出模块4块，共计128点；SM331模拟量输入模块3块，SM332模拟量输出模块1块，SM334模拟量输入输出模块（4输入2输出）1块，所以模拟量输入共计28点，模拟量输出10点。由于步进炉的各种被控设备比较分散，但是在液压站、炉体本身、操作室、电气室四个控制区域内又相对集中，所以硬件系统采用了远程站接收输入和发送控制指令的方式，而远程站与PLC的CPU则通过总线通讯方式交换数据，这种结构大大节约了硬件建设的成本。通过对现场情况及I/O点的统计结果进行分析，采用s7-300中型PLC即可完成任务。CPU的型号选为315-2DP，其自身带有Profibus和MPI两种类型的总线通讯接口，在组建控制网络时不需要再插入专门的通讯模块。
3.3系统软件设计
在硬件装配好后，就可以在Step7中对组成系统的硬件进行配置，定义输入输出I/O的地址，完成后就可以对这些地址进行逻辑编程，按工艺的要求编制控制任务，下载到CPU中，指挥生产机械动作。
4步进式加热炉控制系统控制策略研究
4.1上位机控制
操作系统采用WindowsXP中文系统；编程软件采用sI―EMENS公司Step7v5.4版本；监控软件采用SIEMENS公司WinCC6.0版本。以动态画面模拟显示设备的运行状态，跟踪显示炉内温度实时曲线，实时记录温度、压力等过程量，报警及各种故障情况并进行存档。
4.2温度控制方式
加热炉采用PLC、智能仪表两种控温方式，手动设定并可输入炉膛控制温度，PLC或智能仪表将自动控制炉膛温度在设定的温度保温，PLC控温引入了专家控制系统模型，这种控制方式可根据工况的变化自动修改控制参数使坯料温度始终受控，当轧机出现短暂故障时温度控制系统会自动将控制温度值降低使坯料不会出现过烧现象，智能PID仪表安装在操作台上，当工控机出现故障时通过旋转开关选择智能PID仪表控温方式，PLC控温及仪表控温之间具有无扰切换功能。采用连续PID调节方式，由温度检测热电偶、可编程控制器及空气调节蝶阀组成闭环控制系统。通过热电偶检测到的炉膛温度信号与设定值进行比较，经过可编程控制器的PID运算后输出4-20mA信号至空气调节蝶阀的电动执行装置，控制供给各烧嘴的空气流量，比例调节阀又根据空气量自动调节天然气流量，控制炉内供热负荷，使炉内温度保持恒定。
4.3燃烧控制系统
每个烧嘴配有高压点火变压器和点火电极实现自动点火，配有火焰监测器来监测气体燃烧时产生的离子电流，监控烧嘴的燃烧状态。在每个烧嘴前装有一台烧嘴控制箱，在点火过程中，工作人员旋转开关完成自动点火，通过点火变压器的高压输出，点火电极开始点火，同时由烧嘴控制器输出的信号驱动电磁阀开启，如点火成功，火焰监测装置将火焰信号返回烧嘴控制器，烧嘴控制器输出信号将保持电磁阀的开启；如点火失败，无火焰信号返回，烧嘴控制器报警并自动切断烧嘴的燃气供应。当烧嘴因故障熄火时烧嘴控制器也发出报警信号并关闭燃气电磁阀，以免泄露天然气引起安全故障发生。
结束语
综上所述，本次设计构建了基于现场总线的网络化系统方案，并进行了具体的软硬件设计工作，对炉膛温度采取了模糊串级双交叉控制策略，增强了系统的稳定性和抗干扰的能力，且电气和过程控制共用一套PLC，大大节约了硬件建设的成本，有效提高了企业的经济效益。
参考文献：
[1]陈恭权.热轧线步进式加热炉液压系统改造[D].武汉科技大学，2011.
[2]黄锡铁.蓄热式步进加热炉电气控制系统设计及应用研究[D].重庆大学，2010.
[3]潘刚.带钢厂步进加热炉控制系统的改造[D].内蒙古科技大学，2009.
论文作者:张旭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/25
标签：步进论文; 加热炉论文; 温度论文; 控制系统论文; 炉膛论文; 空气论文; 系统论文; 《防护工程》2018年第24期论文;