基于S7-1200PLC的卧式退火炉集中管控的实现与应用.pdf

期522023年第技术论坛柳钢科技基于S7-1200PLC的卧式退火炉集中管控的实现与应用温智超，滕培培，陈建军，马丽军（中金公司轧材厂）退火炉热处理工艺是将带钢缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却，是不锈钢冷轧生产工艺中的一道重要工序。中金公司退火机组现有退火炉3座，燃烧介质为天然气，采用双带过钢模式，炉体长度约7 8 m左右。每座退火炉分为18 个区，1 3区为预热段，4 15区为加热段，16 18 区为保温段，每个区均配备热电偶测温元件，与现场仪表柜上的PID数显控制仪通信，以显示对应炉区温度及天然气阀门的开度控制。其中，415区有烧嘴并具有加热功能，可以通过现场仪表柜与机旁操作台相结合的方式来实现人工半自动操作。目前，退火炉的操控主要依靠现场工人的经验，缺乏足够的检测仪器仪表及其实时数据支撑以调整工艺，导致对退火炉的操作随意性过大，造成炉况的稳定性不好，同时各项工艺、能耗指标与同行业相比均有不小的差距，导致生产成本偏高。因此，需要结合工艺需求来对当前的设备进行改造，新增检测仪表并采用集成显示的方式，来实现实时监控退火炉状况数据，以达到实时调整生产工艺的目的。解决方案的提出工艺需求中金公司退火炉机组目前在用的检测元器件较少，现场操作人员只能通过机旁操作台和现场仪表控制柜上的数显PID设备来获取炉内温度，并据此条件控制和调节炉内带钢的燃烧。缺乏可靠、有效的燃烧基础数据，不利于操作人员准确控制炉内燃烧情况，改造之前关键生产指标如下：（1）天然气吨钢耗量为2 7.3m/，与同类型退火炉相比偏高；（2）烟气含氧体积分数（残氧量）高达12%，与正常控制标准相比过高；（3）残氧含量偏高会导致带钢表面氧化铁皮增多，造成带钢损耗率过高（1.13%以上）以及成材率偏低，导致生产成本居高不下，同时燃气燃烧不充分，容易造成生产安全隐患和大气污染炉膛内残氧含量，与燃气成分及其热值、空燃比、炉膛压力以及生产节奏等多种因素有关，残氧含量控制是否正常，是退火炉燃烧系统生产能力的一个重要指标，与吨钢天然气耗量和钢带损耗率的控制密切相关，是能否实现降本增效的关键。总体方案要想改变这一现状，计划在退火炉机组现有的检测仪器仪表的基础上新增若干个炉膛压力检测、烟气含氧量检测、外排总管烟气温度检测等关键仪器仪表设备，并对出、人口风机和天然气管道的流量计进行数据采集，同时新增1套西门子S7-1200PLC控制器，对现有的以及新增的检测仪表数据进行集成显示，取代原有分散型、离线式的数据管理架构，实现在线期1532023年第技术论坛柳钢科技式、有数据存储的实时监控和动态调整退火炉生产工艺的目的。集中管控的实现与应用炉温检测及其控制测温热电偶是退火炉燃烧控制的关键，检测数值不准确，会造成较大的温度偏差，导致带钢温度不足或过烧。现有的温度控制通过热电偶信号接至温控仪，温控仪的信号通过RS485接口与操作台上的面板进行通讯，温度信息显示在面板上。在改造过程中，由于现场传输所使用的缆线过长，且有多个电压等级的缆线铺设在一起，受到的信号干扰较强，导致数据传输出现了一定的延迟，出现了不能及时地将现场信号传输至计算机控制系统的情况。经过技术探讨和实践，最终采用了以太网远程通信的实施方案，避免了现场的2 个通信从站向主站PLC传输数据时的冲突情况，改善了数据传输的及时性。应用残氧分析仪退火炉的空燃比是通过测量废气中的氧浓度作为控制依据，以实现燃气和空气的合理使用，从而实现对退火炉燃烧状态的优化控制。本次改造是在每套炉中温段、高温段的关键区域增加残氧分析仪，将烟气氧含量数据实时采集到PLC系统，对后续空燃比的调节提供参考依据。加热段的高温炉区是燃烧较为稳定的区域，也最能反应炉内燃烧状况的区域，因此选定在每条炉的10 区和13区共安装6 支氧检测探头，来采集炉内的气氛状态。选用SP系列气氛残氧分析仪，配置SP-AO维护仪为系统提供参比气，将显示变送器与维护仪集成为一体，直接壁挂安装在测量现场。系统分析数据现场显示记录，并通过4 2 0 mA标准模拟信号将分析数据传输至炉子中控室。SP-AOZ残氧分析仪系统由SPZ氧探头、OA310变送器及SP-AO维护仪组成（见图1)。0A300变送器SPZ氧探头信号（四芯屏蔽电缆）220V电源参比气氧含量420mA输出现场控制室图1SP-AOZ残氧分析仪配置图燃气调压站和排烟系统燃气减压站，包括必要的安全阀、压力调节阀、过滤器、流量计等，以确保燃气能安全输送到燃烧设备。排烟系统的炉压，通过排烟风机的流量进行控制。在加热段增设炉压检测点，依据炉压信号来调节排烟风机的转速，进而控制炉膛压力在微正压状态，以防止火焰外溢及吸人冷风。在每套退火炉的加热段末端设置微差压变送器监测炉压，并将数据送人PLC系统。数据采集及分析本数据采集及分析系统由3个部分组成：（1）硬件。包括退火炉原有的以及新增的配套仪表、检测组件。(2）基础自动化系统。新增PLC控制器及其相关模块，完成退火炉及辅助设施的信息采集处理。PLC控制器选用西门子公司的S7-1200PLC，通过工业以太网Profinet（T C P/I P协议）与HMI计算机进行数据交换。(3）计算机HMI系统。主要完成退火炉工艺过程参数的监视和保存，以及退火过程生产数据的管理等功能。HMI与PLC系统内部均使用以太网（TCP/IP协议）进行数据交换。HMI过程计算机控制系统主要功能如下：期5412023年第+dadadaad技术论坛柳钢料技（1）图形显示与监控、退火过程参数动态显示。退火炉主要结构，重要设备的温度、氧含量、炉压、风机等参数的显示以及对设备运行状态的监控（见图2）。(2）历史数据的存储与分析。收集6 个残氧分析仪的氧含量数据，并绘制成时间曲线图；记录1115区的温控表数据，并可通过时间进行查阅；对每个班组的用气量进行统计，并在交接班时自动清零（见图2）。结论本文提出一种基于S7-1200PLC，实现对退火炉残氧量、炉压、温度等燃烧因素进行集中管控的解决方案，主要完成了以下工作：（1)在现有的检测仪器仪表的基础上新增若干个炉膛压力检测、烟气含氧量检测、外排总管烟气温度检测等关键仪器仪表设备，以获取工艺调整所需求的基础数据源；（2）通过对现有的以及新增的检测仪表数据进行集成显示，以实现在线式、有数据存储的实时监控和动态调整退火炉生产工艺的目的；（3）改造实施后，在结合材温、炉温、炉压、炉内氧含量等关键数据的基础上，可对空燃比、风机转速等关键工艺科技简讯aHMI监控画面b氧含量及烟道含氧量曲线图2控制系统监控画面参数的设定提供指导。在应用实际方面，与使用前炉内残氧体积分数高达12%的情况相比，现可将其控制在3%8%，属于正常控制标准。另外，受国际情势影响，在2 0 2 2 年度所供应的天然气平均热值下降约3%的情况下，月均吨钢耗气且能维持在27.7m，只略微提高。同时，成材率与去年同期相比月均提高0.1%，以退火炉机组月产5万吨、不锈钢卷9 0 0 0 元/吨计算，提高0.1%的成材率每月可创效45万元。系统改造后相比之前自动化水平略有提升，但系统所做出的工艺操作指令仍是通过人工进行下达，后续若考虑要提高各指标控制精度，可考虑增加燃烧控制模型，来实现自动控制功能。1号36 0 m烧结机率先完成超低排放改造总投资近1.4亿元的1号36 0 m烧结机超低排放改造项目顺利投产。该项目应用了柳钢自主研发的氨法脱硫+SCR脱硝集成技术，采用焦化生产过程中的废氨水脱除烟气中的二氧化硫，实现了脱硫副产物资源化、脱硝副产物无害化处理，不仅使烧结烟气排放满足国家超低排放要求，有效降低了运行成本，还真正意义上实现了“以废治废、循环经济”的环保理念。并且，应用了烟气消白技术，实现了烟气完全“消白”，极大地改善了烟气排放的视觉效果。(编辑部供稿）