摘 要：在研究并消化了全氫罩式退火爐的工藝和控制技術的基礎上,升級開發(fā)了攀鋼全氫罩式退火爐的控制系統(tǒng);采用了基礎自動化系統(tǒng)和過程計算機兩級架構并銜接生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。 關鍵詞：全氫罩式爐;退火;自動控制 1 引言 　　攀鋼冷軋罩式爐，是上個世紀九十年代初由德國LOI公司設計制造的全氫罩式退火爐，其控制系統(tǒng)是采用早期S5—115U控制系統(tǒng)，備品備件無法購買;原系統(tǒng)也不能支撐目前的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，必須進行控制系統(tǒng)的改造升級，以解決控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代和實現(xiàn)罩式爐生產(chǎn)的信息化。全氫罩式爐是一種退火工藝水平很高的罩式退火設備,具有生產(chǎn)效率高、退火產(chǎn)品質量優(yōu),介質、能量消耗低等優(yōu)點,是改善和提高冷軋產(chǎn)品特別是冷軋帶鋼表面質量的重要設備,在冷軋產(chǎn)品的生產(chǎn)中得到了普遍應用。攀鋼信息公司在消化了工藝技術和控制技術的基礎上,對原全氫罩式退火爐的控制系統(tǒng)進行成功升級改造。該自動控制系統(tǒng)以退火溫度曲線為目標，實現(xiàn)退火過程的溫度模糊控制。運行結果表明該自動控制系統(tǒng)升級改造成功，不但減少故障吹掃率,而且提高全氫罩式爐的生產(chǎn)率，也將罩式爐生產(chǎn)系統(tǒng)接入到攀鋼生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。 2 罩式爐退火工藝過程簡述 　　全氫罩式爐設備包括爐臺、內罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下:爐臺裝料,放置內罩并利用液壓裝置壓緊內罩;檢驗H2閥和爐臺內罩密封性,確保系統(tǒng)安全;用氮氣吹掃內罩內空氣,使內罩內氧含量減少到1%以下,為通入氫氣做好準備;在內罩外放置加熱罩,內罩和加熱罩之間為燃燒區(qū)間，用空氣吹掃燃燒區(qū)間的殘余煤氣。當內罩內氧含量低于1%時,開始加熱點火;并用氫氣置換內罩的氮氣實現(xiàn)全氫氣氛退火過程;退火過程的加熱段、均熱段，控制氫氣流量吹掃;熱密封測試;帶加熱罩冷卻;吊走加熱罩/熱輻散/安裝冷卻罩;冷卻罩冷卻、噴淋水冷卻;用氮氣吹掃爐內氫氣;鋼卷吊運出爐。 3 控制系統(tǒng)設計 　　根據(jù)全氫罩式爐工藝的特點和實施自動控制的需要,自動化系統(tǒng)架構采用兩級控制系統(tǒng)和三級網(wǎng)絡系統(tǒng)。兩級控制系統(tǒng)即過程控制計算機（L2）系統(tǒng)和基礎自動化（L1）系統(tǒng)組成;三級網(wǎng)絡由過程控制級以太網(wǎng)、基礎自動化（L1）級以太網(wǎng)及設備級現(xiàn)場總線組成，各分布式I/O站與控制器間以PROFIBUS總線連接。自動化系統(tǒng)配置圖如圖1 所示。 　　按最優(yōu)性價比的標準,選擇西門子S7系列PLC系統(tǒng)為基礎自動化系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設計為一套PLC控制2臺全氫罩式退火爐的系統(tǒng)模式,系統(tǒng)包括組成分布式3個I/O站（爐臺閥站ET200M 、加熱罩 ET200M 、冷卻罩ET200M）、現(xiàn)場總線、OP操作面板和監(jiān)控顯示系統(tǒng)。在L1高速以太網(wǎng)上設置了2臺服務器，2臺前置數(shù)據(jù)采集機，1臺開發(fā)站，2臺操作站。2臺服務器配置2塊3COM通用以太網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡與前置機進行數(shù)據(jù)通訊，另一網(wǎng)卡與監(jiān)控操作員站進行數(shù)據(jù)交換，以服務器與客戶端的形式完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的交換和傳遞。2臺前置數(shù)據(jù)采集計算機1臺正常工作，另1臺熱備冗余，并配置雙網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡與21套PLC進行數(shù)據(jù)通訊，另一網(wǎng)卡與監(jiān)控操作員站和數(shù)據(jù)庫計算機進行數(shù)據(jù)交換。其中歷史數(shù)據(jù)庫服務器,主要提供歷史數(shù)據(jù)保存和訪問，信息服務器主要為實時數(shù)據(jù)提供訪問，供操作畫面與PLC的數(shù)據(jù)通訊。監(jiān)控軟件采用WONDERWARE公司的IAS版本，以客戶/服務器方式工作,完全能夠滿足冷軋39座罩式爐的工藝監(jiān)控操作、報警消息、歷史數(shù)據(jù)歸檔、實時數(shù)據(jù)、退火曲線顯示等要求。 　　L2系統(tǒng)包括一臺數(shù)據(jù)服務器和1個操作員站，一個維護站，主要實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲，退火曲線的管理，與冷軋L3系統(tǒng)的聯(lián)接。 　　自動控制系統(tǒng)開放性好，采用分布式I/O控制方案,提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,同時又降低控制系統(tǒng)造價,達到合理配置的目的?？刂葡到y(tǒng)特點如下: 　?。?） 可靠性高 　　采用分布式I/O，PLC、通信網(wǎng)絡和分布式I/O之間相互實行電氣隔離,可徹底防止任一設備故障而影響網(wǎng)絡中其他設備的正常工作，可隨時從網(wǎng)絡中解除或掛入，而不影響網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行，信號連接線短，就地處理信號，引入干擾小;模塊供電分散也可以有效地減少由于電源引入的干擾,或電源故障而引起的系統(tǒng)故障。 　?。?） 靈活性好 　　由于工藝改變而需增加信號時,只要將新增信號接入附近分布式I/O柜即可,施工方便。 　?。?） 具有明顯的經(jīng)濟效益 　　和集中控制方案相比,采用分布式I/O控制方案,可以節(jié)省很多電纜投資,所有需進PLC柜的信號接至現(xiàn)場分布式I/O柜即可,從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信網(wǎng)絡電纜,敷設電纜所需的安裝材料及人力也可大量減少。此控制系統(tǒng)的PLC 配置有效地發(fā)揮PLC 自身的功能和優(yōu)勢,并降低系統(tǒng)造價,提高系統(tǒng)的可擴展性、可靠性和實用性。 　?。?） 系統(tǒng)開發(fā)性好 　　自動化系統(tǒng)硬件設備、軟件的選型、網(wǎng)絡配置，遵循通用性強、開放性好的原則，便于今后軟件的開發(fā)、移植、系統(tǒng)升級以及硬件擴展。 4 控制功能 　　全氫罩式退火爐的退火過程，以鋼卷的鋼種、規(guī)格為基礎，接收來自過程計算機的退火溫度曲線為控制目標,完成退火全過程的連鎖控制和回路控制,包括自動點火控制、燃燒過程控制,冷卻風機的運行、循環(huán)風機的變頻控制、爐溫爐壓監(jiān)測與控制、氮氣和氫氣流量控制、冷卻水系統(tǒng)控制、各種閥門操作、事故緊急吹掃控制?？刂乒δ芨鶕?jù)工藝過程完成以下的內容: 　?。?） 內罩設置以及內罩夾緊松開裝置的控制。 　?。?） 進行H2閥和爐臺內罩系統(tǒng)的冷態(tài)密封性試驗。 　　（3） H2 、N2 的吹掃過程控制以及H2 、N2 流量檢測。 　?。?） 加熱罩的設置和點火,退火過程的加熱和均熱,以及爐臺熱態(tài)密封試驗。 　　（5） 冷卻過程的溫度調節(jié)。 　?。?） 各種過程變量的監(jiān)測包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監(jiān)測、內罩壓力監(jiān)測、內罩壓力安全裝置監(jiān)測、控制溫度測量,O2 含量測量、氮氣和氫氣流量監(jiān)測等以及相關工藝過程的監(jiān)測控制。 　?。?） 在退火過程中各類故障的檢測以及報警,并根據(jù)相應的情況給予特殊情況下的退火處理。 　?。?） 完成和過程計算機的通信,接收來自過程計算機的退火溫度曲線等各類數(shù)據(jù)（包括各種設定值,如退火時間設定、退火溫度設定、吹掃時間設定、吹掃量設定等）,并把過程監(jiān)控狀態(tài)信息以及故障信息從PLC 傳至過程計算機。 　?。?） 接受生產(chǎn)管理系統(tǒng)下送的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，上傳生產(chǎn)的實際數(shù)據(jù)。 　?。?0）用于測試和維護操作的手動運行功能。 5 重要控制功能的實現(xiàn) 　　5. 1 　爐臺溫度模糊自適應控制 　　加熱程序最多允許有16個時間段來對溫度進行控制，設定每一個時間段的起始溫度和結束溫度，數(shù)據(jù)可以通過過程計算機設定、在OP操作面板設定以及監(jiān)控畫面上來進行設定。加熱燒嘴共12個，12個加熱燒嘴分兩層排列，底部第一個燒嘴可用于廢氫燃燒。每個燒嘴配備自己的點火裝置和火焰監(jiān)控系統(tǒng)。點火前，燃燒空間用最大的助燃空氣吹掃5分鐘。然后點火，所有12個燒嘴都控制，加熱階段時，頂部一排的燒嘴循環(huán)控制，底部一排的燒嘴連續(xù)控制，加熱完畢到保溫階段時，底部的燒嘴循環(huán)控制，頂部燒嘴關閉。如果底部燒嘴不能維持設定點溫度，頂部燒嘴將重新參與進來控制。整個溫度控制根據(jù)溫度曲線，自動實現(xiàn)12個噴嘴的模糊開關控制。 　　5. 2 　爐臺循環(huán)風機速度自動控制 　　全氫罩式爐循環(huán)風機采用無級變頻調速控制，根據(jù)加熱情況、鋼卷的鋼種和規(guī)格的區(qū)別，通過預先選擇的循環(huán)風機速度與起始時間和起始溫度的設定曲線來控制。保證了風機速度與氣氛氣體的比重和溫度相匹配，由于熱效率高，退火周期大大縮短，與傳統(tǒng)罩式爐相比縮短了30%～40%，能耗大大降低，顯著降低了電耗。 　　5. 3 　H2流量自動控制 　　氫氣流量控制由伺服電機的開和閉來實現(xiàn)，通過預先選擇的氫氣流量與起始時間和起始溫度的設定曲線來控制。與加熱程序類似，氫氣流量控制也是最多允許有16個時間段來對流量進行控制，設定每一個時間段的流量、時間和起始溫度，曲線數(shù)據(jù)可以通過過程計算機設定、在OP操作面板或監(jiān)控畫面上來進行設定。 　　5. 4 　事故吹掃控制 　　出于安全保護的原因，全氫罩式爐在爐內壓力低于2.5mbar，或爐內氧含量高于1%，以及高溫密封測試不合格時，都會產(chǎn)生氮氣緊急吹掃。緊急吹掃后只能在N2氣氛下繼續(xù)退火或冷卻，退火周期延長，而且嚴重影響帶鋼表面質量。 　　5. 5　 異常情況的處理 　　由于緊急停電、壓力開關誤報、高溫密封測試沒通過（經(jīng)確認不是泄漏而產(chǎn)生的密封不合格）而發(fā)生的急緊吹掃，吹掃后均可用H2置換爐內的N2。具體操作方法如下： 　　（1）在加熱階段的爐臺由于上述原因造成的緊急吹掃，經(jīng)確認沒有泄漏，進行如下操作：①關斷加熱罩;②將爐臺置于基本狀態(tài);③啟動N2預吹掃，結束后重新點火;④點火后重新設定退火時間、吹氫流量和時間。退火時間用總的退火時間減去實際退火時間再加1～2h，吹掃時間根據(jù)退火時間作相應調整。 　?。?）由于高溫密封測試不合格，經(jīng)確認非泄漏造成可進行如下操作：①將爐臺置于基本狀態(tài);②啟動N2預吹掃，結束后重新點火;③重新設置加熱和H2吹掃參數(shù)，H2吹掃流量：30m3/h，時間：30min。 　?。?）冷卻階段發(fā)生的緊急吹掃，結束后采用強制打開H2入口，關N2入口，開N2出口，20min后關出口。 6 結束語 　　攀鋼冷軋全氫罩式爐控制系統(tǒng)的升級改造于2008 年10月投入生產(chǎn),目前已運行2個月，至今系統(tǒng)運行良好,自動投運率達100 %。板卷的各項性能指標達到生產(chǎn)標準,滿足用戶要求。