摘 要：在研究并消化了全氫罩式退火爐的工藝和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，升級開發(fā)了攀鋼全氫罩式退火爐的控制系統(tǒng)；采用了基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和過程計算機(jī)兩級架構(gòu)并銜接生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。
關(guān)鍵詞：全氫罩式爐；退火；自動控制

1 引言

攀鋼冷軋罩式爐，是上個世紀(jì)九十年代初由德國LOI公司設(shè)計制造的全氫罩式退火爐，其控制系統(tǒng)是采用早期S5—115U控制系統(tǒng)，備品備件無法購買；原系統(tǒng)也不能支撐目前的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，必須進(jìn)行控制系統(tǒng)的改造升級，以解決控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代和實現(xiàn)罩式爐生產(chǎn)的信息化。全氫罩式爐是一種退火工藝水平很高的罩式退火設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高、退火產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，介質(zhì)、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)，是改善和提高冷軋產(chǎn)品特別是冷軋帶鋼表面質(zhì)量的重要設(shè)備，在冷軋產(chǎn)品的生產(chǎn)中得到了普遍應(yīng)用。攀鋼信息公司在消化了工藝技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對原全氫罩式退火爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行成功升級改造。該自動控制系統(tǒng)以退火溫度曲線為目標(biāo)，實現(xiàn)退火過程的溫度模糊控制。運(yùn)行結(jié)果表明該自動控制系統(tǒng)升級改造成功，不但減少故障吹掃率，而且提高全氫罩式爐的生產(chǎn)率，也將罩式爐生產(chǎn)系統(tǒng)接入到攀鋼生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。

2 罩式爐退火工藝過程簡述

全氫罩式爐設(shè)備包括爐臺、內(nèi)罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下：爐臺裝料，放置內(nèi)罩并利用液壓裝置壓緊內(nèi)罩；檢驗H2閥和爐臺內(nèi)罩密封性，確保系統(tǒng)安全；用氮?dú)獯祾邇?nèi)罩內(nèi)空氣，使內(nèi)罩內(nèi)氧含量減少到1%以下，為通入氫氣做好準(zhǔn)備；在內(nèi)罩外放置加熱罩，內(nèi)罩和加熱罩之間為燃燒區(qū)間，用空氣吹掃燃燒區(qū)間的殘余煤氣。當(dāng)內(nèi)罩內(nèi)氧含量低于1%時，開始加熱點(diǎn)火；并用氫氣置換內(nèi)罩的氮?dú)鈱崿F(xiàn)全氫氣氛退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，控制氫氣流量吹掃；熱密封測試；帶加熱罩冷卻；吊走加熱罩/熱輻散/安裝冷卻罩；冷卻罩冷卻、噴淋水冷卻；用氮?dú)獯祾郀t內(nèi)氫氣；鋼卷吊運(yùn)出爐。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)全氫罩式爐工藝的特點(diǎn)和實施自動控制的需要，自動化系統(tǒng)架構(gòu)采用兩級控制系統(tǒng)和三級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。兩級控制系統(tǒng)即過程控制計算機(jī)（L2）系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動化（L1）系統(tǒng)組成；三級網(wǎng)絡(luò)由過程控制級以太網(wǎng)、基礎(chǔ)自動化（L1）級以太網(wǎng)及設(shè)備級現(xiàn)場總線組成，各分布式I/O站與控制器間以PROFIBUS總線連接。自動化系統(tǒng)配置圖如圖1 所示。


按最優(yōu)性價比的標(biāo)準(zhǔn)，選擇西門子S7系列PLC系統(tǒng)為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計為一套PLC控制2臺全氫罩式退火爐的系統(tǒng)模式，系統(tǒng)包括組成分布式3個I/O站（爐臺閥站ET200M 、加熱罩 ET200M 、冷卻罩ET200M）、現(xiàn)場總線、OP操作面板和監(jiān)控顯示系統(tǒng)。在L1高速以太網(wǎng)上設(shè)置了2臺服務(wù)器，2臺前置數(shù)據(jù)采集機(jī)，1臺開發(fā)站，2臺操作站。2臺服務(wù)器配置2塊3COM通用以太網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡與前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，另一網(wǎng)卡與監(jiān)控操作員站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以服務(wù)器與客戶端的形式完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的交換和傳遞。2臺前置數(shù)據(jù)采集計算機(jī)1臺正常工作，另1臺熱備冗余，并配置雙網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡與21套PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，另一網(wǎng)卡與監(jiān)控操作員站和數(shù)據(jù)庫計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要提供歷史數(shù)據(jù)保存和訪問，信息服務(wù)器主要為實時數(shù)據(jù)提供訪問，供操作畫面與PLC的數(shù)據(jù)通訊。監(jiān)控軟件采用WONDERWARE公司的IAS版本，以客戶/服務(wù)器方式工作，完全能夠滿足冷軋39座罩式爐的工藝監(jiān)控操作、報警消息、歷史數(shù)據(jù)歸檔、實時數(shù)據(jù)、退火曲線顯示等要求。

L2系統(tǒng)包括一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和1個操作員站，一個維護(hù)站，主要實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲，退火曲線的管理，與冷軋L3系統(tǒng)的聯(lián)接。

自動控制系統(tǒng)開放性好，采用分布式I/O控制方案，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時又降低控制系統(tǒng)造價，達(dá)到合理配置的目的。控制系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

（1） 可靠性高

采用分布式I/O，PLC、通信網(wǎng)絡(luò)和分布式I/O之間相互實行電氣隔離，可徹底防止任一設(shè)備故障而影響網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作，可隨時從網(wǎng)絡(luò)中解除或掛入，而不影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行，信號連接線短，就地處理信號，引入干擾小；模塊供電分散也可以有效地減少由于電源引入的干擾，或電源故障而引起的系統(tǒng)故障。

（2） 靈活性好

由于工藝改變而需增加信號時，只要將新增信號接入附近分布式I/O柜即可，施工方便。

（3） 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益

和集中控制方案相比，采用分布式I/O控制方案，可以節(jié)省很多電纜投資，所有需進(jìn)PLC柜的信號接至現(xiàn)場分布式I/O柜即可，從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信網(wǎng)絡(luò)電纜，敷設(shè)電纜所需的安裝材料及人力也可大量減少。此控制系統(tǒng)的PLC 配置有效地發(fā)揮PLC 自身的功能和優(yōu)勢，并降低系統(tǒng)造價，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性和實用性。

（4） 系統(tǒng)開發(fā)性好

自動化系統(tǒng)硬件設(shè)備、軟件的選型、網(wǎng)絡(luò)配置，遵循通用性強(qiáng)、開放性好的原則，便于今后軟件的開發(fā)、移植、系統(tǒng)升級以及硬件擴(kuò)展。

4 控制功能

全氫罩式退火爐的退火過程，以鋼卷的鋼種、規(guī)格為基礎(chǔ)，接收來自過程計算機(jī)的退火溫度曲線為控制目標(biāo)，完成退火全過程的連鎖控制和回路控制，包括自動點(diǎn)火控制、燃燒過程控制，冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻控制、爐溫爐壓監(jiān)測與控制、氮?dú)夂蜌錃饬髁靠刂?、冷卻水系統(tǒng)控制、各種閥門操作、事故緊急吹掃控制?？刂乒δ芨鶕?jù)工藝過程完成以下的內(nèi)容：

（1） 內(nèi)罩設(shè)置以及內(nèi)罩夾緊松開裝置的控制。

（2） 進(jìn)行H2閥和爐臺內(nèi)罩系統(tǒng)的冷態(tài)密封性試驗。

（3） H2 、N2 的吹掃過程控制以及H2 、N2 流量檢測。

（4） 加熱罩的設(shè)置和點(diǎn)火，退火過程的加熱和均熱，以及爐臺熱態(tài)密封試驗。

（5） 冷卻過程的溫度調(diào)節(jié)。

（6） 各種過程變量的監(jiān)測包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監(jiān)測、內(nèi)罩壓力監(jiān)測、內(nèi)罩壓力安全裝置監(jiān)測、控制溫度測量，O2 含量測量、氮?dú)夂蜌錃饬髁勘O(jiān)測等以及相關(guān)工藝過程的監(jiān)測控制。

（7） 在退火過程中各類故障的檢測以及報警，并根據(jù)相應(yīng)的情況給予特殊情況下的退火處理。

（8） 完成和過程計算機(jī)的通信，接收來自過程計算機(jī)的退火溫度曲線等各類數(shù)據(jù)（包括各種設(shè)定值，如退火時間設(shè)定、退火溫度設(shè)定、吹掃時間設(shè)定、吹掃量設(shè)定等），并把過程監(jiān)控狀態(tài)信息以及故障信息從PLC 傳至過程計算機(jī)。