全氢罩式退火炉控制系统.doc

全氢罩式退火炉控制系统
陈 开 华
（1．重庆钢铁集团公司 电子有限责任公司 重庆400080 2. 重钢电子公司）
[摘要]介绍全氢罩式退火炉控制系统,采用模糊控制技术设计在线退火设定模型和温度控制器，编制基于S7-300PLC的退火炉系统控制软件和监控软件，形成具有自主知识产权的退火炉控制技术。
[关键词]全氢罩式退火炉；PLC；模糊控制；脉冲控制；程序控制

Automatic Control System of Bell-Type Annealing Furnace with Pure Hydrogen
Chen Kaihua1, Li Jianzhong 2
（1. Electronic Co. Ltd Subsidiary To ChongQing Iron And Steel Industry Group， ChongQing 400080, China; 2. ChongGang Electronic Co.）
Abstract: This thesis introduces the Control System of Bell Type Annealing Furnace with Pure Hydrogen which designs On-line Annealing set-point model and Temperature controller with the technology of fuzzy control, compiling the control software and supervising software of the Control System for Annealing Furnace based on S7-300PLC.Having been applied for patent, this technology of Annealing Furnace control rightfully enjoys intellectual property.
Key Words: Bell-Type Annealing Furnace of Pure Hydrogen ;PLC; Fuzzy Control; pulse control; program control
0 引言
全氢罩式退火炉是高质量冷轧产品退火设备——将钢卷置于氢气氛围中经加热（700～850℃）、保温和冷却的热处理工艺。由于是对密闭强对流循环的全氢氛围中的钢卷进行加热，所以除了温度控制的精度要求较高外，生产过程中的安全问题特别重要，这就对控制系统及控制软件的设计提出了很高的要求。罩式退火炉由以下几大部件构成：基座、内罩、加热罩、冷却罩、供气阀架及控制系统。罩式退火炉的生产过程比较特殊，它是一种间歇式的生产方式，先将钢卷置放于基座上，盖上内罩并将内罩与基座卡紧，经过冷泄漏测试
排尽内罩的空气后，将加热罩置于内罩上，再按事先设定好的温度曲线进行加热。加热完成后，经过热泄漏测试，再用冷却罩换掉加热罩进行冷却。在整个生产过程中必须防止空气进入装料工作区，并且要保证装料工作区内的压力稳定。
项目实施前，重钢冷轧厂由国外买回的EBNER公司的旧设备1～12#全氢罩式退火炉（120t / 炉）因控制计算机系统老化和大量模块损坏，且由于该PLC停产已买不到备件，一直不能投入使用。严重地制约了冷轧厂的生产，升级改造势在必行。
目前，全氢罩式退火炉工艺的研究和设备制造在全世界仅有EBNER等两家公司。国内大多数同类设备都是10年以前引进的，设备陈旧，控制精度、节能效果和新产品的研发，都已经不能满足冷轧厂的要求，故急需对该项技术进行研究开发，对旧设备进行技术改造。形成一套安全可靠、有效改善控制精度和节能效果的全氢罩式退火炉全新控制系统。
本项目由重钢集团电子公司实施,采用西门子S7-300 PLC代替已淘汰的S5-115U PLC，全面改造控制柜，编制全新的基于西门子S7-300 PLC的全氢罩式退火炉系统控制软件，安装调试。本系统在重庆钢铁(集团)公司的冷轧厂应用，于2006年7月30日投入生产。
1 系统构成
1．1 硬件构成
全氢罩式退火炉控制系统包括1个主PLC柜（1个主PLC和1个TP270）、6个炉台控制柜（2个从PLC和2个TP270/柜）、6个加热罩控制柜和12个现场控制柜，主PLC和12个从PLC之间由工业以太网连接，实现快速通信，此为控制级网络；每个从PLC上有两条Profibus-DP现场通信总线，通过Profibus-DP1连接一个TP270就地操作面板，通过Profibus-DP2远程连接到炉台ET200 I/O箱和加热罩ET200 I/O箱，实现现场信号采集和控制信号输出，此为现场级网络。
主PLC系统：公用设施PLC。主PLC和炉台从PLC之间有应答联络和优先级排队，以管理和控制液压站、排放线1（空气）和排放线2（氢气冷却水站，从而满足各个炉台从PLC的不同要求。
从PLC系统：每一座炉台都有一套独立的从PLC控制系统；现场信号采集和控制信号输出由炉台和加热罩远程I/O（ET 200）实现。
监控系统：有两套监控系统（集中和就地）。
(1) 用一台Citect I/O服务器连接到PLC级的工业以太网，经以太网通信连接一台操作站，和集中监控软件一起构成12座退火炉的集中监控系统(PCS)，此为过程级通信网络。
(2) 由连接到主PLC和从PLC的TP270操作面板及就地监控软件构成就地操作站。就地操作站可以对主PLC或相关炉台PLC进行监控。
整个系统的配置如图1所示。
图1 PLC控制系统配置图
Fig 1 draft of control system hardware
加热罩点火系统PFS 630替换为PFS 778模板；
12个阀架中有6个阀架上（由炉台控制柜控制）的电磁阀和检测仪表全部国产化，其他阀架的仪表部分国产化；
由于在运行过程中需要拔插加热罩ET200 I/O箱，以吊入或移开加热罩，为了保证Profibus-DP总线通信正常运行（方便工人操作，仅拔插加热罩控制线缆插头），除用OB块监测联锁外，还对西门子Profibus-DP总线进行了技术改进
1．2 软件
主PLC和从PLC控制应用软件用Step7，模糊控制软件用C语言编程；
TP270操作面板监控软件用WinCC flexible软件编程；
PCS监控应用软件用Citect软件编程，运行于WinXP操作系统。
2 控制功能及实现
2．1 主PLC控制程序主要完成
(1) 公用设施（液压站等）和退火表（设定加热曲线）的管理和控制；
(2) 液压站、排放线1（空气）和排放线2（氢气）优先级排队控制。
2．2 从PLC控制程序主要完成
(1) 内罩卡紧。与主PLC协调进行液压锁紧机构的控制和安全联锁；
(2) 装料区压力控制。多级安全生产压力控制及联锁；
(3) 装料区常温测漏(冷测试)。加热前常温下炉压稳定性测试，以保证内罩无泄漏；
(4) 炉台风机控制。炉台风机速度控制，以保证不同生产阶段的需要；
(5) 内罩安全吹扫1（空气吹扫）。安全吹扫智能控制，以保证内罩无空气；
(6) 加热罩燃烧室空气吹扫。保证点火时燃烧室无大量燃气；
(7) 温度设定程序。自适应在线温度设定模型；
(8) 加热罩和装料区温度控制。脉冲式模糊温度控制器；
(9) 退火程序控制。退火过程阶段控制；
(10) 装料区高温测漏(热测试)。加热完成时的高温状态下炉压稳定性测试，以保证内罩无泄漏；
(11) 风冷和水冷控制。加热结束后进行风冷和水冷；
(12) 内罩安全吹扫2（氢气吹扫）。退火完成后，用氮气置换氢气，保证安全松开内罩；
(13) 系统安全联锁控制。多重安全联锁，确保安全生产，特别是氢气的控制；
(14) 系统设备和程序报警。所有外部设备故障、控制过程检测参数异常报警和退火各阶段提示
2．3 集中过程监控系统（PCS）的作用
由操作站（或操作面板）将退火表（退火设定曲线）同时存储在Citect I/O服务器和主PLC，可存储98个退火表，并可将选定的退火表直接下载到每个从PLC 。用户可以看到12个炉台的运行情况，每一个炉台的装料区温度、运行时间、运行状态及所有炉台的报警；温度、炉内压力、炉台风机频率、氮气/氢气流量等过程参数的历史趋势；报警历史记录；炉台退火历史记录和报表；加热罩和冷却罩号的管理；还可以对每个炉台进行手/自动切换、启动/停止、退火表修改、运行状态干预等操作；生产用户可以参照对照表准确的知道每一个炉台当前所处的运行阶段。
2．4 退火炉燃烧控制
以前的全氢罩式退火炉控制系统采用的是老的PLC控制器和过时的风机驱动设备，通信方式是慢速的串行通信方式，温度设定程序和控制算法也是采用常规的控制算法，没有过程控制级集中监控系统（PCS），本项目对此做了全面的改进。用西门子S7-315 PLC控制系统替代老的S5-115 PLC控制系统，在消化软件的基础上，进行相关工艺研究，提升控制功能，重新开发模糊控制器和退火设定模型，形成了一套全新的计算机控制软件，具有安全可靠、系统稳定、控制精度高的特点。
燃烧控制系统如图2所示。
dT
模糊温度控制器
算法
点火系统

比例调节阀
燃气切断阀
空气电动阀
加 热 罩
△P
T0
T
—
TE
点火BOUT
OPEN
CLOSE
装料区温度
燃气
空气
来自温度设定模型
图2 退火炉燃烧控制框图
Fig 2 draft of Annealing Furnace burning control
图中△P是空气流量差压。
温度偏差：TE=T0-T。
T0：装料区设定温度，由温度设定模型根据操作员预选的退火表和当前炉内温度和状况计算而来。温度设定模型会根据温度变化在线修正退火表设定的加热曲线，在保证按预设程序加热的同时，使温度设定引起的系统扰动最小（温度设定模型本文不展开介绍）。
T：装料区温度。
装料区温度变化梯度：dT=T（N）-T（N-1）。
T（N）：当前装料区温度，
T（N-1）：前一个处理周期装料区温度。
退火炉燃烧控制的核心是脉冲式模糊温度控制器。温度偏差TE和温度变化梯度dT，经两输入/三输出的模糊控制器计算，输出空气电动阀开信号OPEN 和关信号CLOSE（空气电动阀是开/关控制无伺服器或阀门定位器，亦没有连续的阀位反馈，仅有几个关键点的阀位开关信号），从而控制空气电动阀的阀位，煤气比例调节阀根据空气差压信号△P随动（调试时确定一个固定的空燃比），达到控制温度的目的。另外，还输出点火(ON/OFF)命令BOUT，实现脉冲式加热。由于没有流量检测，燃烧系统的控制完全依赖于温度的闭环控制。
2．5 脉冲式模糊温度控制器基本原理：
a) 模糊温度控制器的核心是模糊矩阵。有两个模糊矩阵，一个用于连续调节时脉冲宽度计算，另一个用于调节方式切换和脉冲式加热控制。温度偏差TE及温度梯度dT值的大小对控制的作用在模糊矩阵中表达，按大、较大、中、较小、小5种来区分，临界点在调试时有修整。
b) 温度偏差TE较大时，采用连续调节，输出阀位控制信号OPEN/CLOSE；在处于连续调节状态时，燃烧系统点火命令BOUT始终在开（ON）状态，除非安全联锁系统动作将其关断。
c) OPEN/CLOSE是脉冲信号，脉冲宽度由TE和dT的大小决定，发出OPEN 还是CLOSE命令由TE的方向（+/-）决定，脉冲的宽度决定阀位开/闭增量的大小；每一次发出的脉冲信号（开/关）回零后有一个可调的延时（正/反向切换时保护电机并能更好的克服燃烧系统的惯性）。
脉冲宽度 = K1×Te-K2×dT1 （ms）；
当 K1×|Te|-K2×| dT1 | < 0 且Te和DT同向时，脉冲宽度 = 0（此时虽有温差，但温度正较快的向减小温差的方向变化，故伐位不变）；
T e= Int (P×TE ) (整数)， P:可调整参数 (取值：1～10)；
dT1 = Int (D×dT ) (整数)， D: 可调整参数 (取值：10～100)；
K1 和K2是模糊系数（正整数），由模糊矩阵得出。
d) 温度偏差TE较小时，采用脉冲式加热，输出点火命令BOUT，控制燃气切断阀和点火系统的开/闭，即间歇式开/关燃烧系统，当温度梯度dT较大时，由dT和TE的大小（及方向）共同决定开/关火；当温度梯度dT较小时，由TE的大小（及方向）决定开/关火。亦即当温度梯度dT不同时，控制燃烧系统开/闭的温差阀值不同。
e) 温度偏差TE较大且TE小于零（温度过高）、温度梯度dT较小、同时阀位小于15﹪时，自动关火，并进入脉冲式加热方式。
实际运行中，该控制器能很好地达到克服燃烧系统惯性，保证温度控制精度，节约能源的目的。
3 主要技术指标
该控制系统2006年6月投运后，经三个月运行测试，主要技术指标达到：
(1) 温度控制精度小于±5 ℃(初始加温阶段)，大部分加温及全部保温阶段（95%以上）控制精度小于±3 ℃，温度控制范围0～850 ℃，即温度控制精度小于0.3％～0.5％；
(2) 有效点火次数：小于3次；90%以上一次成功；
(3) 设备故障诊断和安全联锁成功率：100％；
(4) PLC自动运行率100%（一个月测试）。
4 结束语
全氢罩式退火炉的控制系统在全世界仅有ENBER等两家国外公司拥有成熟的技术，并已经使用了现有最先进的PLC控制器，但没有采用模糊控制算法的控制软件。本项目系统软件是重钢电子自主开发的控制软件，已获得国家专利，并获得2007年中国冶金协会科技进步奖。系统的成功运行打破了外国公司的垄断，为冷轧厂新产品开发、节能降耗、提高设备维护水平、保证高运行率和控制设备国产化提供了可靠保证，为重钢继续自主创新，提供了示范作用,为国内大量引进的老旧退火炉的技术改造提供了有效的解决方案。
全氢罩式退火炉由于是对在易燃易爆的氢气环境中的钢卷进行高温加热，设备和生产安全尤为重要，保证系统安全运行是本项目的一大难点。该项目的控制软件具有复杂而完善的安全联锁和报警系统，很好地解决了在保证控制精度的前提下实现退火过程自动化的安全生产问题。
该控制软件是在对现有退火工艺进行研究的基础上编制的，软件具有更加完善的功能，在退火设定程序和温度控制算法上采取了更加先进的技术，增加了模糊控制算法，并将模糊控制算法与脉冲加热方式相结合，取得了良好的控制精度和节能效果。本系统应用在重庆钢铁(集团)公司的冷轧厂，经生产运行检验证明，该系统运行稳定，可靠性、安全性高，且控制效果良好，温度控制曲线准确，温度控制精度 小于0.3％～0.5％。带钢机械性能均匀，表面清洁光亮，钢卷理化质量指标良好，产品质量稳定。
该控制系统和应用软件是针对西门子S7-300 PLC设计的，对采用其它PLC控制的退火炉设备只需改变接口连接设计和软件语言环境调整即可使用。对国内现有的大量退火炉设备改造具有极大的推广价值。