CN101117659A - 全氢罩式退火炉控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全氢罩式退火炉控制系统，包括1个主PLC柜、多个炉台控制柜和与炉台控制柜对应的加热罩控制柜、现场控制柜；每个炉台控制柜有两个从PLC系统；主PLC柜和从PLC之间由工业以太网连接，每个从PLC上有两条PROPIEBUS－DP现场通讯总线，通过PROPIEBUS－DP1连接一个TP270就地操作面板，通过PROPIEBUS－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。在退火设定程序和温度控制算法上将模糊控制算法与脉冲加热方式相结合，取得良好的控制精度和节能效果。具有温度控制曲线准确，且控制效果良好的特点。

Description

全氢罩式退火炉控制系统

技术领域

本发明涉及全氢罩式退火炉控制系统，具体涉及基于西门子S7-300PLC的全氢罩式退火炉控制系统，属于自动化控制技术领域。

背景技术

全氢罩式退火炉是高质量冷轧产品退火设备(70t/炉)，是将钢卷置于氢气氛围中经加热(700-850摄氏度)、保温和冷却的热处理的重要设备，其工艺是冷轧薄板厂对冷轧后的钢卷进行热处理的重要工艺环节。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是特别重要的---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。

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年以前引进的产品或技术，设备陈旧、控制精度和节能效果以及轧钢厂新产品的研发，都已经不能满足生产厂家的要求，故急需对该项技术进行研究开发，对旧设备进行技术改造。2001年宝钢曾对全氢罩式退火炉进行国产化研究，但对控制系统的研究并无突破性进展。

发明内容

针对原引进的全氢罩式退火炉控制系统，存在控制精度不高和节能效果不好之不足，本发明的目的是提供一种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。

本发明的目的是这样实现的：全氢罩式退火炉控制系统，包括1个主PLC柜、多个炉台控制柜和与炉台控制柜对应的加热罩控制柜、现场控制柜，其特征在于每个炉台控制柜有两个从PLC系统。主PLC柜和从PLC之间由工业以太网连接，实现快速通讯；每个从PLC上有两条PROPIEBUS-DP现场通讯总线，通过PROPIEBUS-DP1连接一个TP270就地操作面板，通过PROPIEBUS-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；主PLC和从PLC的就地操作由各自的TP270操作面板实现。

主PLC系统：控制液压站、空气排放线、氢气排放线、冷却水站和退火表的管理和控制；与从PLC之间有应答联络和优先级排队，满足各个炉台的从PLC的不同要求。

从PLC控制系统：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远程I/O(ET 200)和加热罩远程I/O实现。

所述从PLC控制包括下列步骤：

确定内罩是否卡紧——给主PLC液压锁紧机构控制信号；

装料区压力控制——多级安全生产压力控制及联锁；

装料区常温测漏——加热前常温下炉压稳定性测试，以保证内罩无泄漏；

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；

内罩安全空气吹扫——安全吹扫智能控制，以保证内罩无空气；

加热罩燃烧室空气吹扫——保证点火时燃烧室无大量燃气；

温度设定程序——自适应在线温度设定模型；

加热罩和装料区温度控制——脉冲式模糊温度控制器；

退火程序控制——退火过程阶段控制；

装料区高温测漏——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；

风冷和水冷控制——加热结束后进行风冷和水冷；

内罩安全氢气吹扫——退火完成后，用氮气置换氢气，保证安全松开内罩；

系统安全联锁控制——氢气控制及多重安全联锁；

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。

同时，有两套监控系统，用一台CITECT I/O服务器连接到PLC级的工业以太网，一台操作站，经以太网通讯连接和集中监控软件一起构成集中监控系统；退火炉的集中过程监控系统执行如下步骤：

由操作站将退火表同时存储在CITECT I/O服务器和主PLC，并直接下载到每个从PLC。

观察每个炉台的运行情况，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。

脉冲式模糊温度控制器：将装料区温度与设定温度进行比较得到温度控制偏差：E＝T0-T；装料区温度变化梯度：dT＝T2-T1。

温度偏差E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，达到调节阀位控制温度的目的，另外，还输出点火ON/OFF命令BOUT实现脉冲式加热。

脉冲式模糊温度控制器基本原理如下：

模糊温度控制器的核心是3维模糊矩阵。

a)温度偏差E较大且温度梯度dT较小时，采用连续调节，输出阀位控制信号OPEN/CLOSE；

b)OPEN/CLOSE是脉冲信号，脉冲宽度由E/dT的大小决定，发出OPEN还是CLOSE命令由E/dT的方向(+/-)决定；

c)温度偏差E较小且温度梯度dT较大时，采用脉冲式加热，即间歇式开/关燃烧系统，从而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。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

该控制系统填补了中国自动化领域的一项空白，为国内大量进口的老旧退火炉的技术改造提供了可靠的保证；该控制软件是在对世界上现有退火工艺进行研究的基础上编制的，比国外原配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，取的了良好的控制精度和节能效果。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，节能效果得到进一步提高。带钢机械性能均匀，表面清洁光亮，产品质量稳定。尤其适于西门子S7-300型退火炉PLC的控制。

附图说明

图1是本发明系统配置图；

图2(2-1～2-8)是本发明PLC控制流程图；

图3是本发明脉冲式模糊温度控制器框图。

具体实施方式

如图1所示，全氢罩式退火炉控制系统，包括1个主PLC柜、6个炉台控制柜(两个从PLC系统/每个柜)、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，实现快速通讯，此为控制级网络；每个从PLC上有两条PROPIEBUS-DP现场通讯总线，通过PROPIEBUS-DP1连接一个TP270就地操作面板，通过PROPIEBUS-DP2远程连接到炉台ET200I/O箱和加热罩ET200I/O箱，实现现场信号采集和控制信号输出，此为现场级网络。

由于在运行过程中需要拔插加热罩ET200I/O箱，以吊入或移开加热罩，为了保证PROPIEBUS-DP总线通讯正常运行，对西门子PROPIEBUS-DP总线进行了技术改进。

主PLC系统：完成公用设施(液压站等)和退火表的管理和控制。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。主PLC和从PLC的就地操作由各自的TP270操作面板实现。

从PLC控制系统：每一座炉台都有一套独立的从PLC控制系统；PLC控制系统执行如下步骤：

现场信号采集和控制信号输出由炉台远程I/O(ET 200)和加热罩远程I/O实现；

参见图2，从PLC控制程序主要完成：

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；

装料区压力控制——多级安全生产压力控制及联锁；

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；

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；

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；

加热罩燃烧室空气吹扫——保证点火时燃烧室无大量燃气；

温度设定程序——自适应在线温度设定模型；

加热罩和装料区温度控制——脉冲式模糊温度控制器；

退火程序控制——退火过程阶段控制；

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；

风冷和水冷控制——加热结束后进行风冷和水冷；

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；

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；

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

监控系统：有两套监控系统，用一台CITECTI/O服务器连接到PLC级的工业以太网，一台操作站，经以太网通讯连接和集中监控软件一起构成集中监控系统，此为过程级通讯网络。

12座退火炉的集中过程监控系统执行如下步骤：

由操作站可以将退火表同时存储在CITECT I/O服务器和主PLC，并可直接下载到每个从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。运行阶段如图2所示。

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。

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，通讯方式是慢速的串行通讯方式，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)，本发明对此做了全面的改进。本发明用新的PLC控制系统替代老的控制系统，在研究退火工艺的基础上，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、系统稳定的特点，温度控制精度＜+/-3摄氏度。

如图3所示，所述退火炉燃烧控制系统由脉冲式模糊温度控制器控制：将装料区温度与设定温度进行比较得到温度控制偏差：E＝T0-T；装料区温度变化梯度：dT＝T2-T1。

温度偏差E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，达到调节阀位控制温度的目的，另外，还输出点火ON/OFF命令BOUT实现脉冲式加热。

脉冲式模糊温度控制器基本原理如下：

模糊温度控制器的核心是三维模糊矩阵。

a)温度偏差E较大且温度梯度dT较小时，采用连续调节，输出阀位控制信号OPEN/CLOSE；

b)OPEN/CLOSE是脉冲信号，脉冲宽度由E/dT的大小决定，发出OPEN还是CLOSE命令由E/dT的方向(+/-)决定；

c)温度偏差E较小且温度梯度dT较大时，采用脉冲式加热，即间歇式开/关燃烧系统，从而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。

本发明应用在重庆钢铁(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，节能效果得到进一步提高。以下是具体实施例的有关说明：

1.炉台控制系统的升级

本项目根据重钢冷轧厂的要求，将1-12#退火炉S5PLC系统升级成S7 PLC控制系统。

12个炉台控制柜、6个加热罩控制柜和6个从控制柜的PLC设备和部件全部更换。鉴于端子块状况较差，所有端子块也换成新型的端子块。即除柜体外全部新做。另外因为13-24#炉暂不升级，故需新增一个主PLC柜。

2.项目内容

针对升级，选择了一个技术先进又能较快实施的方案。

主控制柜

将提供一块新的主PLC柜。公用设施(如液压系统)的几个信号将通过附加的继电器的方式来与原有主PLC公用。

新的柜子放置在邻近现有主PLC柜的地方。

“一对炉台”控制柜

一个柜子里装两个S7 PLC和两台TP27O操作面板。用一块带有操作面板、信息、控制开关和指示灯的板子替换原有的柜面。

原有系统是一个PLC控制2座炉台，新系统的特征是每一座炉台都有一个独立的PLC。

现场控制柜

远程I/O’s(ET100)将被拆除，取而代之的将是ET 200。柜内的接线和电缆将因此而被改进。

加热罩控制柜

远程I/O’s(ET100)将被拆除，取而代之的将是ET 200。柜内的接线和电缆将被因此而改进。另外，已安装的过程点火系PFS 630替换为更新后的PFS 778模板。

监控系统(PCS)

用一台CITECT I/O服务器(连接到PLC级的工业以太网)，一台操作站，经以太网通讯连接，结合监控应用软件组成12座退火炉的集中过程监控系统(PCS)。

控制仪表

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；

西门子软件工程师站

一台笔记本电脑，一套STEP7 V5.3

设计：

系统原理设计，见图1；

S7 PLC控制应用软件，见图2；

脉冲式模糊温度控制器，见图3；

PCS和就地操作系统监控应用软件，见图2。

该控制系统和应用软件是针对西门子S7-300PLC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。

Claims (4)

1.全氢罩式退火炉控制系统，其特征在于包括1个主PLC和12个从PLC系统；主PLC柜和从PLC之间由工业以太网连接，实现快速通讯；每个从PLC上有两条PROPIEBUS-DP现场通讯总线，通过PROPIEBUS-DPI连接一个TP270就地操作面板，通过PROPIEBUS-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；主PLC和从PLC的就地操作由各自的TP270操作面板实现；

主PLC系统：控制液压站、空气排放线、氢气排放线、冷却水站和退火表的管理和控制；与从PLC之间有应答联络和优先级排队，满足各个炉台的从PLC的不同要求；

从PLC控制系统：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远程I/O(ET 200)和加热罩远程I/O实现。

2.根据权利要求1所述的全氢罩式退火炉控制系统，其特征在于所述从PLC控制包括下列步骤：

确定内罩是否卡紧——给主PLC液压锁紧机构控制信号；

装料区压力控制——多级安全生产压力控制及联锁；

装料区常温测漏——加热前常温下炉压稳定性测试，以保证内罩无泄漏；

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；

内罩安全空气吹扫——安全吹扫智能控制，以保证内罩无空气；

加热罩燃烧室空气吹扫——保证点火时燃烧室无大量燃气；

温度设定程序——自适应在线温度设定模型；

加热罩和装料区温度控制——脉冲式模糊温度控制器；

退火程序控制——退火过程阶段控制；

装料区高温测漏——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；

风冷和水冷控制——加热结束后进行风冷和水冷；

内罩安全氢气吹扫——退火完成后，用氮气置换氢气，保证安全松开内罩；

系统安全联锁控制——氢气控制及多重安全联锁；

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。

3.根据权利要求1所述的全氢罩式退火炉控制系统，其特征在于退火炉燃烧控制系统由脉冲式模糊温度控制器控制：将装料区温度与设定温度进行比较得到温度控制偏差：E＝T0-T；装料区温度变化梯度：dT＝T2-T1；

温度偏差E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，调节阀位控制温度；还输出点火ON/OFF命令BOUT实现脉冲式加热。

4.根据权利要求1所述的全氢罩式退火炉控制系统，其特征在于还有两套监控系统，用一台CITECT I/O服务器连接到PLC级的工业以太网，一台操作站，经以太网通讯连接和集中监控软件一起构成集中监控系统；退火炉的集中过程监控系统执行如下步骤：

由操作站将退火表同时存储在CITECT I/O服务器和主PLC，并直接下载到每个从PLC；

观察每个炉台的运行情况，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。

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