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罩式炉

太钢国产化罩式炉过程自动控制系统设计方案

 

    全氢罩式炉是冷轧带钢退火的一种重要设备,根据山西太钢不锈钢公司的全氢罩式炉的工艺特征,结合原来引进的罩式炉控制系统,利用profibus网络和分布式I/O的设计思想,开发了国产的罩式炉控制系统。阐述了国产化罩式炉过程自动化控制系统设计与主要控制功能,同时介绍了国产化全氢罩式炉主要安全连镀和上位机画面功能。
 
1生产工艺介绍
 
    全氢罩式炉设备包括炉台、内罩、加热罩、冷却罩。全氢罩式炉工艺过程是:退火开始时,先将要退火的钢卷堆垛在罩式炉台上,吊装上内罩,对炉台、内罩系统和氢气入口阀进行冷态密封测试,测试成功后,把加热罩扣放在炉台上,进行氮气吹扫;当氮气吹扫满足条件后,用氢气置换内罩里的氮气;加热开始后根据不同的材质选择加热曲线进行温度控制,直到钢卷卷心温度达到要求;然后移走加热罩,接着吊装冷却罩,通过冷却罩上的风机利用周围环境空气来冷却内罩;当通热电偶检测内罩里的循环气氛达到设定温度时,冷却罩风机停止运行;待钢卷卷心的温度达到设定值后,冷却结束,移走冷却罩;然后进行氮气吹扫,置换内罩里的氢气,移走内罩;最后吊走钢卷,一个工艺过程完成。
 
2过程控制系统设计
 
    系统设计为一个PLC控制1台罩式炉的系统模型。系统采用西门子公司PROFIBUS DP现场总线组成,主要设备有炉台主机架(含CPU)、加热罩ET200、变频柜ET200、变频器和OP面板。PROnBUS DP网络18座和12座各自成线形网络,DP网负责公辅与各炉台之间的通讯连锁,技术成熟可靠,可以减轻DP网络的通讯负担。
 
    系统网络由两级组成,上位控制计算机和S7—300控制器之间采用西门子工业以太网协议,炉台之间和炉台内部采用PROMBUS DP协议。每6个炉台由西门子工业以太网电缆连接至现场交换机(型号:西门子Scalance 212—2),现场5台交换机与操作室主交换机(型号:西门子Scalance 414—3E)由光缆连接成环形以太网络。该以太网络负责PLC与操作站和L2的通讯,提高通讯处理能力,可满足多台操作站与IBA数据记录的通讯要求。
 
    自动控制系统采用分布式I/O这种成熟的控制方案,提高了系统运行的可靠性和抗干扰能力,同时又降低了控制系统造价,达到了最优性价比的要求。其特点如下:
 
1) 18座和12座各自设计一套公辅系统,其中,一套公辅故障时不影响另一套的正常运行。每个炉台设计一个PLC系统,该炉台故障时不影响其他炉台的运行。后12座配套公辅系统按18座相同设计,留有进一步扩充的余地。
 
2) 分布式I/O控制方案,能够节省很多电缆投资和施工投资,现场分布式I/O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通讯网络电缆,系统运行稳定性好,故障点少,便于后期维护。
 
3 PLC部分主要功能
 
1)扣内罩。生产准备完成后,PLC对各种介质系统包括水循环、液压系统等进行检查,并判断安全系统、测量系统和各种硬件设备工作正常后,发出对内罩进行夹紧命令。内罩夹紧后控制程序将以—个大的时间轴为参考启动各项控制程序。
 
2)冷密封测试。程序启动条件具备,打开排放阀以120 m3/h的速度对内罩进行40 min的氮气吹扫,如果氧含量低于1%、软件判断流量吹扫完成后、压力等正常后系统将启动冷密封测试,将关闭排气阀。经过一段时间后如果压力与计算压力相符,认为冷密封测试通过。
 
3)扣加热罩。判断加热罩在炉台上、冷却罩没有连接、加热罩处于关闭状态、加热罩没有故障,完成加热罩号的读取,助燃风机启动后延时18 s,判断为加热室接入。
 
4)预吹扫加热室。各种条件具备后,开始启动加热。启动助燃风机,在压力、流量等条件满足时,进行风量最大吹扫,在硬件、软件设定时间都达到后,完成吹扫。
 
5)点火。首先调整助燃空气电动阀和燃气电动阀到点火范围,先打开助燃空气阀,再打开燃气阀,执行点火;如果加热室温度大于180℃启动为热启动,接着判断火焰是否稳定,冷启动需10 min后判断;启动后30 s,如果启动条件仍然具备,认为主火焰稳定,如果烧嘴有故障信号返回,进行重复点火。
 
6)升温。读取加热室和负荷空间温度,计算与设定值的差值,如果负荷空间实际值与设定值之间的差值≥-1 ℃时,采用负荷空间控制;差值≤-20℃或加热室温度>设定温度10℃时,采用加热室控制;如果差值≤-6 ℃,加热室温度≤-15℃时,采用连续控制;在温度大于一定值或冷却斜率启动后,采用烧嘴开关控制;负荷空间偏差值<-3℃加热开始,负荷空间偏差值>0℃加热结束;根据升温曲线控制助燃空气阀、燃气阀等。
 
7)保温。(以下都简要介绍)
8)热密封测试。
9)吊加热罩。
10)扣冷却罩。
11)安全吹扫2。
12)吊冷却罩和内罩。
 
4安全联锁
 
    本罩式炉因为用100%氢气作保护气氛,所以安全联锁在控制中显得尤其重要。主要有以下安全联锁措施:
 
1)设计中充分考虑到安全,各种阀门仪表均满足密封和防爆要求,在各种故障状况下均保证安全。
 
2)关键的保护在硬件和软件设计中进行双重设计。
 
3)T艺步骤中安全吹扫量远大于计算量,留有安全余量。
 
4)运行中多次密封检查,密封不良时禁止后续操作。
 
5)火焰检测系统检测火焰燃烧状况,烟道安装残氧分析仪,保证空气过剩系数,燃气使用专用的双电磁阀,防止发生爆炸事故。
 
6)软件中监测各气源压力,如果不符合正常生产的要求,则根据情况选择对生产影响最小的安全措施。如果控制介质压力低,则不能启动程序;如果隔离介质压力低,不能夹紧内罩;如果炉压过高,不允许进行密封测试、不能启动炉台风机、不能进行加热、同时关闭氮气阀、关闭氢气阀。如果炉压过低,不允许进行密封测试、同时打开氮气阀、关闭氢气阀、关闭排气阀、停止冷却。
 
7)软件监测各供电开关的状态和供电电压,如果出现故障,则根据情况选择对生产影响最小的安全措施。
 
8)软件随时记录当时的工作状况,软件启动时判断供电恢复还是人工启动,选择相应的安全启动步骤,尽量不中断正在运行的热处理程序,在保证安全的前提下,降低对生产的影响。
 
9)与公共PLC交换数据,如果连接中断,则采取相应的安全措施。
 
5中央操作系统(COS)功能
 
    原EBNER公司的COS系统除实现通常意义上的操作监视功能外,还包含了许多二级系统的功能,主要包括数据的周期归档到ORACLE数据库,各种事件的记录到数据库,各种报警信息记录到数据库。实际上,它和PCS(二级系统)紧密结合在一起,不是我们传统理解的一级和二级的关系。
 
 
6结语
 
    太钢30座国产化全氢罩式炉设备和过程自动化控制系统于2011年10月陆续投入使用,并于2012年4月全部正式投入生产。目前系统运行稳定良好,自动控制功能投用率达到100%。国产化罩式炉的各项控制要求和精度与原EBNER公司罩式炉相同。出炉钢卷的各项性能指标符合太钢标准,满足用户要求。