南钢辊底式热处理炉的PLC控制设计.doc

1、南钢辊底式热处理炉的 PLC 控制设计摘要：本文以南钢中厚板卷厂(Nisco)辊底式无氧化热处理炉为背景，根据工艺流程介绍了热处理炉的控制系统硬件及程序设计。本项目采用西门子 S7-400PLC 作为下位机主控制器，通过 Profibus 连接变频器与远程 I/O；工控机作为上位机 HMI 对系统进行监控与管理。二者通过以太网相连，构成了基于 PLC 和工控机的热处理炉控制系统。 关键词：辊底炉；PLC；脉冲循环燃烧；HMI；自诊断； 中图分类号：TE963 文献标识码： A 文章编号： 南钢中厚板卷厂热处理线主要对需热处理的钢板进行正火和回火处理，1#炉为辊底式热处理炉，设计年产量为 16,

2、0000t/a；其中正火产品为 150000 t/a，回火产品为 10000 t/；产品主要为各类中厚板：包括桥梁钢板，高压容器钢板，高强度合金钢板，工程机械钢板，船用钢板等；规格如下： 厚度：660mm 宽度：16003250mm 长度：600018000（24000）mm 根据产品方案，所选择的热处理工艺主要有： 正火处理：正火气雾冷却空气冷却 正火回火处理：正火气雾冷却空气冷却回火空气冷却 回火处理：回火空气冷却 1、热处理炉控制生产工艺 1、1 顺控生产工艺 在生产过程中逻辑信号的处理和顺序的操作功能由炉子的一级系统完成。 炉子分为三个速度段：一是炉子装料段，中速；二是炉子热处理段，工

3、艺速度；三是炉子出料段，高速。 当不同长度的钢板以不同的间距装炉的时候，炉子的跟踪控制要保证运行正常。钢板数据将由操作工手动输入或通过三级系统通信传输。系统设有二级和三级接口。 当钢板到达上料辊道的起始位置，并且炉子的装料区域也准备好接收钢板时，开始装料过程。装料的控制是通过安装在炉内和炉外紧靠炉门处的光栅实现的。 钢板穿过炉子时，炉内的光栅将跟踪钢板的位置。 根据入炉钢板厚度的不同，装料速度可以在 0.2520.0 mmin 之间进行调节。炉子出口的速度从 0.2590.0 mmin 可调。 每个驱动设备（炉子部分）都带有一个编码器来实现炉辊和钢板速度的同步。并由独立的闭环电机变频控制。这种

4、连接网适用于设定驱动速度，下载适合生产条件的操作参数，报告反馈状态和负荷信息。 顺控部分概貌示意图如图 2-4 所示，分为装料，炉体，出料三个部分。 图 1-1 全炉概貌示意图 上料辊道台包括有 21 根传输辊子。反射光电管 PC1 和 PC2 用来检测板长。光电管 PC3 (均 2 个)用来保护炉门。上料辊道台上装有带有 8 个液压缸的液压提升装置和带有 2 个液压缸的液压对中装置。为了清洁钢板下表，在上料辊道台到炉门前安装有两个方向相反的旋转辊刷 ( 每个刷辊电机 7.5kW) 。 上料炉门是由一台电机（5.5kW）带动齿轮链条来运行的。一个压紧装置在“关”工作位时可以确保炉门关紧。三个极

5、限开关控制炉门开启的位置。底位接近开关是确定关闭位置的信号，中间指示的是工作高度大约为 150mm，并且高位开关即是最大打开位置。在自动运行模式下，炉门仅打开到工作位置。在手动操作模式下，炉门能够在极限开关的全部范围内开关。为了保护炉内气体不受外界影响，炉体的门廊上装有两个氮气幕，位于炉门前。 钢板传输的 PLC 通过单独传动来控制炉内的 120 根辊道。入炉区 80 根辊道的驱动电机功率为 3.8kW，出炉区 40 根辊道的驱动电机为 6.9kW。在出料区域，一根高温计安装在炉体的顶部，用来测量钢板的温度。中心润滑系统用来给炉内辊道的轴承润滑。炉内共装有 10 个光电管(包括前面装料用的 3

6、 个；PC1PC3)，每个安装位置在画面上有显示。在每个炉门前装有两个光电管，直接装在炉门前的光电管 (PC4，PC9) 是用来对炉门进行保护的。如果炉门关闭，当钢板到达这些光电管时钢板会立即停下来。 出料炉门同入口一样；下料辊道台包括有 34 根传输辊子。主要用于输送完成热处理的钢板，并将钢板输送进入热处理矫直机。在钢板达到出炉条件后，程序应给出“允许出炉”的信号。当钢板需要气雾冷却时，让钢板在下料辊道处摆动，冷却至设定温度或时间。当下料辊道没有空出来时，炉内钢板不允许出炉。 1. 2 燃控生产工艺 仪表及控制系统及设备描述 主要为煤气供应，助燃空气，氮气供应和烟气排放系统。 炉子用混合煤气

7、做燃料。煤气由主管路手动切断阀进入后；经过流量/压力及温度检测；还有压力开关进行安全监控。最末端的电控气动切断阀在危险状况下可自动进行切断。主管路后分为 2 条支管：16 区供应管路和 720 区管路（这样区分是因前部单个燃烧区的烧嘴数量较多，后部单个燃烧区烧嘴数量较少） 。支管上安装有压力检测器件和电控压力调节阀和放散阀，同主管路一样，也有安全监控压力开关。另外在管路上还有几个手动球阀供氮气吹扫用，平时这几个吹扫阀始终关闭。 能源介质为高焦炉混合煤气，其参数如下：发热值2400200kcalm3；压力 10 kPa 8 %；节点流量 10000 m3/h。 每台助燃风机的性能参数为：风量 3

8、1180 m3/h，全压 10.22kPa，功率 200kW。 钢板的加热是应该在一个缺氧的环境里完成的，炉内将持续不断地通入氮气。整个氮气吹扫量总计为大约 2000 m3h。氮气入口压力为0.8 MPa，通过减压阀降低到 20 kPa。 炉膛里的氮气是通过 20 个单独的注入点进行输送的，这些注入点分布在炉子的两侧，每个控制区有一个点。这 20 个氮气输送管道每一个都装有一个气动阀，每个阀门都是单独触发的，所以它们能够逐步的开/关。在前/后炉门还装有吹扫阀门，在炉门打开时进行吹扫，以保证炉内氮气压力。图中所示为炉膛前半部分氮气示意图；在氮气总管上和炉体左/右侧均装有流量检测元件。 烧嘴排出的

9、烟气在每个烧嘴的烟气出口处吸入周围的冷空气，使烟气降低到一定温度（ 30 ） ，然后通过汇总烟管由排烟风机引入烟囱排出厂房外，排烟系统配备 3 台排烟风机（2 用 1 备） ，2 座烟囱。在废气管道上设有温度测量点和压力监控开关；以及电动阀和手动阀。 每台排烟风机的性能参数为：排烟量 76600 m3/h； 全压2.315kPa； 功率 132kW 。 2、系统程控软件设计 2、1 热处理炉 PLC 硬件系统 调速传动变频器采用西门子 6SE70 系列传动系统。基础自动化系统与传动系统之间完全通过总线网络交换信息，构成全数字化的控制系统。一个 Simatic S7 PLC（顺序控制）用来处理常

10、化炉内钢板的传输以及上下料台的辊道。 一个 Simatic S7 PLC（燃烧控制）用来控制烧嘴和热处理炉温度。 顺控 PLC 硬件组态如图 2-2 所示。 图 2-1 顺控 PLC 硬件组成 顺控 PLC 系统以德国西门子公司 SIMATIC S7-400 系列的可编程控制器为主要组成部分，配备电源模块（PS407） 、中央处理模块（CPU416-2DP） 、通信卡 CP443-1（TCP/IP 通信） 、扩展模块 IM467（主要用于连接传动变频器） 、DP/DP 耦合器（用 S7 协议和 PLC 连接）以及现场操作台的几个远程 I/O（ET200） 。 燃控 PLC 硬件组成如图 2-3

11、 所示。 图 2-2 燃控 PLC 硬件组成 燃控 PLC 系统配备了电源模块（PS407） 、中央处理模块（CPU416-2DP） 、通信卡 CP443-1（TCP/IP 通信） 、DP/DP 耦合器以及现场和炉体的几个远程 I/O 站（ET200） 。 在硬件组态中，远程 I/O 和 DP 耦合器相连后挂在 CPU 的总线接口上，主站和从站都各有一个地址，构成 Profibus 网络。而在顺控 PLC 中，由于变频器多达 122 个，CPU 总线容纳不下，为此增加两个扩展模板IM467，各带 61 个变频器，IM467 与各变频器通信板依次串联。PLC 通信卡 CP443-1 则用于 TC

12、P/IP 协议的工业以太网通信，主要负责处理 PLC 与外部 PC 系统或其它 PLC 的数据交换，在线监视程序时也通过其作为连接设备。 2.2 顺控简介： 炉区分为上料区，炉区以及出料区三部分；上料区主要有装料辊道台；对中提升液压站，装料炉门等；炉内区域总计大约为 66.5m ，炉内有 120 根辊道，加热部分由 分为上下的 20 个加热区组成；由 231 个辐射管来加热。出料区主要有出料辊道台，出料炉门等。系统通常在自动模式下运行，在打到手动操作模式后单独运转的各个功能可以通过选择控制台上的按钮来执行。在热处理炉入口、出口处分别安设了一个控制台，用来现场操作。 （1）上料区控制 确认钢板进

13、入热处理状态后，首先，由对中系统对钢板对中。然后对钢板进行测长。测量长度将和钢板输入数据中的长度对比，如发现不符数据，操作工需确认或拒绝钢板入炉。 钢板停在入口炉门前等待入炉，一旦炉内有足够的空间，控制系统将自动打开炉门执行装料程序。 （2）炉内钢板控制 钢板传输 PLC 通过单独变频器来控制炉内的辊道。通过 Profibus 总线将设定速度送到变频器。 钢板在热处理炉炉内的传送模式有两种：连续传送和摇摆传送。在连续传输模式下传输速度是根据炉温，钢板厚度和钢板质量计算出来的，钢板以 PLC 设定的速度通过常化炉 (。如果炉内有厚钢板所需要的传输速度有可能降到最低辊速以下，如果出现这种情况传送控

14、制系统会自动切换到摇摆传输模式。在这种传输模式下钢板将在辊道上摇摆 ( 固定节奏 ) 。前进的幅度会比后退的幅度稍微大一点。这个幅度是由控制系统根据钢板到达出炉口所需要的加热时间来设定的。如果出现传输停止，为了防止炉内辊子弯曲变形，炉辊必须连续转动，这是通过摆动装炉钢板来实现的。 钢板在炉内的运行速度将由 PLC 系统根据钢板的厚度，宽度，目标温度和保温时间确定，钢板在炉内的运行将由光栅监视，大概位置将及时更新在上位机显示画面上。 （3）出料区控制 每块钢板经过处理后将到达出口炉门前，这时热处理完成。如果下料辊道台空，出口炉门打开，钢板将以设定的速度离开炉子。出料完成后，辊速会降到炉内工艺速度

15、，如果钢板不能出炉，它会在炉内进行摆动。 2. 3 炉温控制 1) 炉温控制方案 炉内区域长度总计约 66.5m 。加热部分由 20 个控制区组成，这 20 个加热区分为上下加热，通过 231 个辐射管加热。 炉子的温度控制是通过炉子的 PLC 来控制的。PLC 的内部程序采集到炉子过程数据，通过 PID 计算输出控制信号，调节炉子供热量，控制炉温。 控制系统包括温度控制、 燃烧控制、炉子压力控制、超温控制。当炉温温度超过温度上限时，超温控制会切断燃气管道的主阀门。烧嘴采用开/关控制模式，烧嘴控制箱上安装有必要的控制元件，以保证烧嘴安全、可靠工作。 炉子的燃烧系统由多个燃气辐射管构成，这些辐射

16、管沿着炉子方向布置在炉辊的上、下方。每个辐射管都配备有一个高效换热器。烧嘴效率高，NOX(氮氧化合物，即废气)排放量低。每个烧嘴都配有一个高压火花点火器。通过控制烧嘴点火的数量来控制炉长方向的供给热量。加热炉沿长度方向分为多个温度控制区。辐射管的控制将采用 ON/OFF 方式。 一个温控区在某一时刻处于工作状态的辐射管的数量，取决于该区的温度设定值和炉子的产量。辐射管的操作基于脉冲循环控制方式。每个烧嘴的烟气管路采用引射式，环境空气在断开处掺入烟气中，然后被一同引入到沿着炉顶布置的烟气管道中。 炉温燃烧控制（脉冲式）：炉温控制的设定值，可以由二级经过数学模型计算下载到一级机 PLC，也可以通过

17、键盘输入进行设定。操作界面如图 4-3 所示。 图 2-3 温度控制面板 当在“自动”模式下工作时，控制输出值是由 PID 程序自动计算出来的一个值；使用自动模式，以便较好的控制炉温； 对于手动输出值，需要说明的是，该值只有在手动模式下才允许操作员输入，正数百分比说明一区烧嘴的输出功率；当输入负数百分比时，说明此时只往里吹冷风，只开了空气阀。 炉内每个加热区设置 12 支热电偶，用于测量每个温度控制段的实际温度。每一个加热区分布不同数量及功率的烧嘴（烧嘴使用可变的脉冲宽度）进行点火。通过对“烧嘴循环周期”内烧嘴点火时间长短(脉冲宽度)进行调节来控制炉温。例如当加热区域的输出要求为 100%时，

18、所有的烧嘴在整个时间内都是燃烧的；当加热区域的输出为 50%时，则每个烧嘴的燃烧时间仅为“烧嘴循环周期”的 50%；当加热区域的输出为 0%时，所有的烧嘴为关闭状态。在燃烧状态下，至少有一个烧嘴被点燃；烧嘴的点火顺序是交错进行的。在加热区域内，每个烧嘴的点火间隔是相同的，以便确保该区域内热量均匀分配。烧嘴实际循环周期是预先计算好的，根据每个控制区的功率输出以及最小加热/关断时间计算而来，烧嘴控制器工作流程如图 4-4 所示。 图 2-4 区域温度控制流程 图中，温度设定值作为 PID 控制器的给定，与热电偶反馈的实际温度构成闭环回路，控制器给出一个百分比到烧嘴控制程序中，根据此数值及其它参数（

19、该区烧嘴个数，开/关时间按限制，循环周期总时间，输出地址等）程序给出一个循环启动的控制字，由总线送给远程 I/O 从而驱动烧嘴控制器工作，烧嘴控制箱发出点火信号后，还要有反馈信号检测以确认是否燃烧，烧嘴控制器本身也有状态反馈信号给系统。 2.4 上位机及诊断功能 本项目采用以 WINDOWS2000 为平台、WINCC6.0 为界面的Server/Client 结构的 HMI 系统。作为 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成都分，WINCC 确保与 SIMATIC S5，S7 系列 PLC 连接的方便和通信的高效；WINCC 与 STEP 7 编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WINCC 还有对 SIMATIC PLC 进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。