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    罩式爐

    太鋼國產化罩式爐過程自動控制系統設計方案

     

        全氫罩式爐是冷軋帶鋼退火的一種重要設備,根據山西太鋼不銹鋼公司的全氫罩式爐的工藝特征,結合原來引進的罩式爐控制系統,利用profibus網絡和分布式I/O的設計思想,開發了國產的罩式爐控制系統。闡述了國產化罩式爐過程自動化控制系統設計與主要控制功能,同時介紹了國產化全氫罩式爐主要安全連鍍和上位機畫面功能。
     
    1生產工藝介紹
     
        全氫罩式爐設備包括爐臺、內罩、加熱罩、冷卻罩。全氫罩式爐工藝過程是:退火開始時,先將要退火的鋼卷堆垛在罩式爐臺上,吊裝上內罩,對爐臺、內罩系統和氫氣入口閥進行冷態密封測試,測試成功后,把加熱罩扣放在爐臺上,進行氮氣吹掃;當氮氣吹掃滿足條件后,用氫氣置換內罩里的氮氣;加熱開始后根據不同的材質選擇加熱曲線進行溫度控制,直到鋼卷卷心溫度達到要求;然后移走加熱罩,接著吊裝冷卻罩,通過冷卻罩上的風機利用周圍環境空氣來冷卻內罩;當通熱電偶檢測內罩里的循環氣氛達到設定溫度時,冷卻罩風機停止運行;待鋼卷卷心的溫度達到設定值后,冷卻結束,移走冷卻罩;然后進行氮氣吹掃,置換內罩里的氫氣,移走內罩;最后吊走鋼卷,一個工藝過程完成。
     
    2過程控制系統設計
     
        系統設計為一個PLC控制1臺罩式爐的系統模型。系統采用西門子公司PROFIBUS DP現場總線組成,主要設備有爐臺主機架(含CPU)、加熱罩ET200、變頻柜ET200、變頻器和OP面板。PROnBUS DP網絡18座和12座各自成線形網絡,DP網負責公輔與各爐臺之間的通訊連鎖,技術成熟可靠,可以減輕DP網絡的通訊負擔。
     
        系統網絡由兩級組成,上位控制計算機和S7—300控制器之間采用西門子工業以太網協議,爐臺之間和爐臺內部采用PROMBUS DP協議。每6個爐臺由西門子工業以太網電纜連接至現場交換機(型號:西門子Scalance 212—2),現場5臺交換機與操作室主交換機(型號:西門子Scalance 414—3E)由光纜連接成環形以太網絡。該以太網絡負責PLC與操作站和L2的通訊,提高通訊處理能力,可滿足多臺操作站與IBA數據記錄的通訊要求。
     
        自動控制系統采用分布式I/O這種成熟的控制方案,提高了系統運行的可靠性和抗干擾能力,同時又降低了控制系統造價,達到了最優性價比的要求。其特點如下:
     
    1) 18座和12座各自設計一套公輔系統,其中,一套公輔故障時不影響另一套的正常運行。每個爐臺設計一個PLC系統,該爐臺故障時不影響其他爐臺的運行。后12座配套公輔系統按18座相同設計,留有進一步擴充的余地。
     
    2) 分布式I/O控制方案,能夠節省很多電纜投資和施工投資,現場分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通訊網絡電纜,系統運行穩定性好,故障點少,便于后期維護。
     
    3 PLC部分主要功能
     
    1)扣內罩。生產準備完成后,PLC對各種介質系統包括水循環、液壓系統等進行檢查,并判斷安全系統、測量系統和各種硬件設備工作正常后,發出對內罩進行夾緊命令。內罩夾緊后控制程序將以—個大的時間軸為參考啟動各項控制程序。
     
    2)冷密封測試。程序啟動條件具備,打開排放閥以120 m3/h的速度對內罩進行40 min的氮氣吹掃,如果氧含量低于1%、軟件判斷流量吹掃完成后、壓力等正常后系統將啟動冷密封測試,將關閉排氣閥。經過一段時間后如果壓力與計算壓力相符,認為冷密封測試通過。
     
    3)扣加熱罩。判斷加熱罩在爐臺上、冷卻罩沒有連接、加熱罩處于關閉狀態、加熱罩沒有故障,完成加熱罩號的讀取,助燃風機啟動后延時18 s,判斷為加熱室接入。
     
    4)預吹掃加熱室。各種條件具備后,開始啟動加熱。啟動助燃風機,在壓力、流量等條件滿足時,進行風量最大吹掃,在硬件、軟件設定時間都達到后,完成吹掃。
     
    5)點火。首先調整助燃空氣電動閥和燃氣電動閥到點火范圍,先打開助燃空氣閥,再打開燃氣閥,執行點火;如果加熱室溫度大于180℃啟動為熱啟動,接著判斷火焰是否穩定,冷啟動需10 min后判斷;啟動后30 s,如果啟動條件仍然具備,認為主火焰穩定,如果燒嘴有故障信號返回,進行重復點火。
     
    6)升溫。讀取加熱室和負荷空間溫度,計算與設定值的差值,如果負荷空間實際值與設定值之間的差值≥-1 ℃時,采用負荷空間控制;差值≤-20℃或加熱室溫度>設定溫度10℃時,采用加熱室控制;如果差值≤-6 ℃,加熱室溫度≤-15℃時,采用連續控制;在溫度大于一定值或冷卻斜率啟動后,采用燒嘴開關控制;負荷空間偏差值<-3℃加熱開始,負荷空間偏差值>0℃加熱結束;根據升溫曲線控制助燃空氣閥、燃氣閥等。
     
    7)保溫。(以下都簡要介紹)
    8)熱密封測試。
    9)吊加熱罩。
    10)扣冷卻罩。
    11)安全吹掃2。
    12)吊冷卻罩和內罩。
     
    4安全聯鎖
     
        本罩式爐因為用100%氫氣作保護氣氛,所以安全聯鎖在控制中顯得尤其重要。主要有以下安全聯鎖措施:
     
    1)設計中充分考慮到安全,各種閥門儀表均滿足密封和防爆要求,在各種故障狀況下均保證安全。
     
    2)關鍵的保護在硬件和軟件設計中進行雙重設計。
     
    3)T藝步驟中安全吹掃量遠大于計算量,留有安全余量。
     
    4)運行中多次密封檢查,密封不良時禁止后續操作。
     
    5)火焰檢測系統檢測火焰燃燒狀況,煙道安裝殘氧分析儀,保證空氣過剩系數,燃氣使用專用的雙電磁閥,防止發生爆炸事故。
     
    6)軟件中監測各氣源壓力,如果不符合正常生產的要求,則根據情況選擇對生產影響最小的安全措施。如果控制介質壓力低,則不能啟動程序;如果隔離介質壓力低,不能夾緊內罩;如果爐壓過高,不允許進行密封測試、不能啟動爐臺風機、不能進行加熱、同時關閉氮氣閥、關閉氫氣閥。如果爐壓過低,不允許進行密封測試、同時打開氮氣閥、關閉氫氣閥、關閉排氣閥、停止冷卻。
     
    7)軟件監測各供電開關的狀態和供電電壓,如果出現故障,則根據情況選擇對生產影響最小的安全措施。
     
    8)軟件隨時記錄當時的工作狀況,軟件啟動時判斷供電恢復還是人工啟動,選擇相應的安全啟動步驟,盡量不中斷正在運行的熱處理程序,在保證安全的前提下,降低對生產的影響。
     
    9)與公共PLC交換數據,如果連接中斷,則采取相應的安全措施。
     
    5中央操作系統(COS)功能
     
        原EBNER公司的COS系統除實現通常意義上的操作監視功能外,還包含了許多二級系統的功能,主要包括數據的周期歸檔到ORACLE數據庫,各種事件的記錄到數據庫,各種報警信息記錄到數據庫。實際上,它和PCS(二級系統)緊密結合在一起,不是我們傳統理解的一級和二級的關系。
     
     
    6結語
     
        太鋼30座國產化全氫罩式爐設備和過程自動化控制系統于2011年10月陸續投入使用,并于2012年4月全部正式投入生產。目前系統運行穩定良好,自動控制功能投用率達到100%。國產化罩式爐的各項控制要求和精度與原EBNER公司罩式爐相同。出爐鋼卷的各項性能指標符合太鋼標準,滿足用戶要求。

     

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