全氢罩式退火炉自动控制系统

全氢罩式退火炉自动控制系统

作者：王彦广 李敏

来源：《中国科技博览》2012年第20期

[摘要]： 以京唐罩退为背景，结合全氢罩式炉工艺流程，介绍了PLC自动控制系统硬件和软件的构成及网络构建，阐述全氢罩退退火炉功能的实现。 [关键词]： 工艺流程 PLC 过程控制

中图分类号：U693+.32 文献标识码：U 文章编号：1009-914X（2012）20- 0011 -01 引言

全氢罩式退火炉具有生产效率高、退火产品质量优、介质和能量消耗低、减少环境污染等优点，是改善和提高钢卷产品质量的一种重要设备，罩式炉的自动控制系统是保证设备稳定运行的关键。鉴于全氢罩式退火炉的以上优点，京唐罩退引进中冶南方威士炉公司设计研发的型号为WISH210/560全氢罩退退火炉，以增强罩退产品的生产能力，提升冷轧产品质量及性能。

1、 钢卷氢气罩式退火炉退火工艺过程简述

罩式炉包括36个炉台、19个加热罩和17个冷却罩。炉台上的加热罩和冷却罩的使用由炉台控制单元（BCU）控制。各炉台控制单元相互连接，同时与控制计算机系统连接，构成一个完整的控制体系。其工艺过程如下：炉台装料，放置内罩并手动压紧内罩；检验氮气和氢气入口压力确保系统安全；用氮气吹扫方式置换内罩内空气，使炉内氧含量减少到1%以下，为通入保护气作好准备（在内罩外放置加热罩，内罩和加热罩之间为燃烧区间）；用氮气置换空气完成后，开始加热点火，再用保护气置换氮气，实现在全保护气氛下的退火过程；退火过程的加热段、保温段，保护气定时间吹扫；带加热罩冷却、辐射冷却；带冷却罩冷却；喷淋水冷却；用氮氣置换炉内保护气；钢卷出炉。

控制系统由在主操作室设置 10 个 PLC 柜，每个 PLC 柜包括4 个 S7-300 主机架，共 37 个 S7-300PLC 系统。在每个炉台设置1个 ET200 远程控制柜，包括每个阀站及周边 I/O 模块以及氧含量分 析仪。在每个加热罩上设 1 个 ET200 远程控制箱，包括每个加热罩上的 I/O 模块和点火控制 器。

每套 PLC 系统提供至少 10%备用 I/O 通道。每个炉台上另设一个按钮操作箱，含操作按钮（包括助燃风机及冷却风机的现场操作按钮）及航空插头，所有的操作按钮信号进 PLC 系统控制。 液压站和终冷台均设置现场操作箱，所有的操作按钮信号进 PLC 系统控制。

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一套PLC控制1台罩式退火炉，采用Siemens公司的Profibus现场总线，包括S7-300控制器、分布式I/O ET200和OP操作面板。基础控制单元（PLC）完成退火过程及监控的控制功能。操作面板（OP）完成退火参数的设定、退火过程的监视及事件报警记录的短时存储功能。当上位监控计算机故障时，由基础控制系统单独完成炉台的退火操作并记录相应退火过程数据。现场电气柜有温度显示和报警以及故障报警显示功能。

系统通信由两级网络组成。上位监控计算机和S7-300之间为Profubus-FMS协议，主控制站S7-300与远程I/O之间为Profibus-DP协议，两个控制器之间采用MPI协议通信。罩式炉公用介质系统由单独控制单元完成控制功能，通过网络与每个炉台控制单元通信来实现信息共享。

2、自动控制系统设计

控制系统采用了分散控制方案，提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力，同时又降低了造价，达到了合理配置的目的。其特点如下： ①可靠性高

信号线和功率线分开并走不同的管槽；分布式I/O就近处理信号，连接线短，引入的干扰小；采用二线制仪表，减少了线路故障，提高了系统抗干扰能力，使检测数据更精确；卡件分散供电有效地减少了由电源故障引起的系统故障。 ②系统扩展方便

Profibus-DP子站可随时从网络中解除或挂入，而不影响系统的运行；因工艺改变而需增加的信息只要接入附近分布式I/O柜即可，安装方便。 ③具有明显的经济效益

所有需进PLC的信号接至现场分布式I/O柜即可，从分布式I/O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通信电缆，所需安装材料及人力可大量减少。 3 、 控制功能

控制系统接收来自上位监控计算机的设定退火曲线，完成退火全过程的自动控制，包括自动点火控制、燃烧过程控制、升温速度和保温过程、循坏风机的变频控制、冷却风机的运行、氮气和保护气控制吹扫、炉温炉压监测与控制、紧急吹扫控制、冷却水系统监控和各种阀门操作。

4、 系统重要控制策略及功能实现

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4.1 氮气吹扫过程

为了满足钢卷退火系统快速、高效、稳定、可靠的生产工艺要求，在保护气置换时采用氮气吹扫的方式实现内罩内气氛置换。通氢气前进行两次氮气吹扫置换：首先，用氮气吹扫方式置换内罩内空气，为通入氢气作好准备；再氢气吹扫一次用氢气置换氮气。在满足工艺要求的前提下使用最少量氢气，达到经济运行的效果。 4.2 炉台安全控制系统

（1） 氢气进口阀的泄漏性试验； 在氢气进口阀关闭的情况下打开氢气进口阀前的进气阀，充气体至一定压力后关闭进气阀，延时一定时间后检测管道内的气体压力，如果测量值不低于设定压力下限， 则表明阀门不存在泄漏。

（2）退火空间的冷态密封试验； 在加热罩点火前，内罩已夹紧后，在氮气出口阀全关闭的情况下打开氮气进气阀，在规定的时间内，内罩内的压力应达到一个上限设定值，表明内罩/炉台组的密封性 完好。

（3）退火空间的氮气吹扫； 在内罩/炉台组的冷态密封测试顺利完成后并且炉台和循环风机的冷却水畅通的情况下，打开氮气输入阀和氮气输出阀对退火空间进行吹扫。在氮气吹扫开始后，启动 循环风机。

（4）退火空间吹入氢气及吹扫； 加热罩点火后，用氢气置换氮气气氛，打开氢气入口阀，此时氮气输入阀应关闭，打开氢气排放阀进行氢气置换和吹扫。

（5）在整个用氢气退火过程中，退火空间的压力监视； 在整个用氢气退火过程中，通过引出管及压力检测仪表实时监视退火空间的压力。

（6）加热结束前退火空间的热态密封试验。 在退火周期结束前，进行退火空间的热态密封测试，关闭氢气排放口，关闭氢气入口阀，在一定时间后检测内罩压力降，以确认内罩/炉台的热密封性。

（7）冷却过程结束后，退火空间的氮气吹扫。 在喷淋冷却过程后，若控制温度低于设定值则表明已达到炉台卸料温度，关闭喷淋冷却水入口阀，开启冷却风机，吹干内罩。打开氮气进口阀，打开所有氮气排放阀， 进行氮气吹扫。 4.3 退火过程温度控制

每个炉台都装有 1 支热电偶测量内罩内保护气体温度，在加热罩上也装有一支热电偶 测量内外罩间的气体温度。在加热退火期间，温度控制系统由烧嘴自动点火而启动，先由 加热罩上的内外罩间的气体温度进行控制，温度测量值送入炉台控制单元，经过炉台控制 单元控制运算后输出信号控制加热罩上的煤气和空气流量，从而控制加热功率。

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4.4 循环风机的变频控制

在退火过程中，炉内气氛随工艺过程不同而不同。在不同介质和不同温度情况下循环风机的转速由变频器实现变速控制。经过反复试验和验证，此变频控制方式满足退火过程的工艺要求。

4.5 数据处理中的抗干扰

工业现场环境中大功率风机等的变频控制引起的电磁干扰比较强，会导致测量信号的瞬时非真实波动，甚至可能是尖峰脉动，造成控制系统不稳定。所以有必要对工艺过程的测量信号进行抗干扰处理。硬件方面，采用抗干扰的信号输入模板，并使用抗干扰的接线方式；控制软件对采集来的实时信号进行超差信号的短时延迟处理以求最大限度地消除各种干扰信号。 5、 结束语

全氢罩退退火炉设备和控制系统于2011年6月投入使用以来，设备性能可靠，使用方便，运行稳定，控制效果好，取得了较好的经济效益和社会效益，出炉钢卷各项性能指标达到生产标准，满足用户要求。 参考文献：

[1] 郑晟，等.现代可编程控制器原理与应用[M].北京：科学出版社，1999