DCS及PLC系统在阿钢中轧加热炉中的应用.pdf

4 %1 注 沙 甸 妙 D C S 及P L C系统在阿钢中轧加热炉中的应用 卜 祥伟1 ， 范喜法2 ， 杨敬群1 ， 杨伟东1 ( 1 . 黑龙江西钢集团阿城钢铁有限公司计控处， 阿城 1 5 0 3 0 0 ; 2 . 北京恒拓远博高科技有限公司) 摘 要: 主要介绍了D C S 及P L C 系统在阿城钢铁公司中型轧钢厂蓄热式加热炉中的应用情况， 简述了 自动控制系统的硬件构成和特点， 对蓄热式加热炉的换向过程、 炉膛压力和炉膛温度等自动控 制 过 程 进 行 了 说 明 。 经 过 一 年 多 的 实 际 运 行， 证 明 控 制 系 统 稳 定 可 靠， 为 蓄 热 式 加 热 炉 稳 定 运 行提供了保障。 关键词: 蓄热式加热炉; P L C ; D C S ;自动控制过程; 换向过程 中图分类号: 丁 尸 3 6文献标识码: 日文章编号: 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ( 2 0 0 6 ) 0 1 - 0 0 6 1 - 0 4 T h e a p p l i c a t i o n o f P L C a n d D C S s y s t e m i n r e g e n e r a t i o n r e h e a t i n g f u r n a c e o f A c h e n g I r o n a n d S t e e l C o . L t d B U X ia n g - w e i ' ， F A N X i- f a 2 , Y A N G J in g - q u n ' ， 丫 A N G We i- d o n g ' ( 1 . M e a s u r e m e n t a n d C o n t r o l D e p a r t m e n t o f A C h e n g Ir o n a n d S t e e l C o . L t d o f H e ilo n g j ia n g X ig a n g G r o u p , A c h e n g 1 5 0 3 0 0 ; 2 . B e ij i n g P io n e e r T e c h n o lo g y C o . L t d ) A b s t r a c t : T h e a p p l ic a t i o n o f P L C a n d D C S s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n t h e r e g e n e r a t io n r e h e a t i n g f u r - n a c e o f t h e m e d i u m s e c t io n p la n t o f A c h e n g I r o n a n d S t e e l C o . L t d ,t h e c o n s t r u c t io n a n d c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s y s t e m a r e d e s c r i b e d ， t h e a u t o m a t i c c o n t r o l p r o c e s s o f t h e c h a n g e - o v e r p r o c e s s , f u r n a c e c h a m b e r p r e s s u r e a n d f u r n a c e c h a m b e r t e m p e r a t u r e e t c a r e e x - p la in e d f o r t h e r e g e n e r a t io n r e h e a t i n g f u r n a c e .t h e s y s t e m is o p e r a t e d f o r a y e a r a n d m o r e , a n d it is s h o w n t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m a r e s t e a d y a n d r e lia b le , t h a t p r o v id e s g u a r a n t e e f o r t h e s t e a d y o p e r a t io n o f t h e r e g e n e r a t io n r e h e a t in g f u r n a c e . K e y w o r d s : r e g e n e r a t io n r e h e a t i n g f u r n a c e ; P L C ; D C S ; a u t o m a t i c c o n t r o l p r o c e s s ; c h a n g e - o v e r p r o c e s s 0 前言 在钢铁工业中，加热炉是主要的耗能设备之 一。合理的解决加热炉的燃料问题， 提高燃料利用 率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高 加热质量从而进一步提高整个轧线生产过程的经济 效益， 具有非常重要的意义。 阿钢于2 0 0 3 年新建一 座3 0 0 m 3 高炉，为了充分利用高炉煤气，降低钢坯 加热成本， 公司决定将中型轧钢厂的燃油加热炉改 造成蓄热式加热炉， 该加热炉在加热工艺上分为两 段， 加热段和均热段。蓄热式加热炉是基于蓄热式 热交换原理和高温空气燃烧技术的新型加热炉， 它 将高效蓄热式回收技术和换向燃烧技术与炉子有机 的结合在一起，并辅以自动化控制系统，热量利用 率高，与普通燃油式加热炉相比具有以下优点: ( 1 ) 蓄热式加热炉利用纯高炉煤气作为燃料， 通过空气、 煤气双预热方法使被加热钢坯温度达到轧制要求， 使得热值较低的高炉煤气得到充分利用。 ( 2 ) 蓄热式 加热炉燃料燃烧充分，余热回收率达到9 0 %以上， 大大减少了对环境的污染。 ( 3 ) 扩大了火焰燃烧区域， 火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界， 从而使得炉膛 内温度均匀， 这样一方面提高了产品质量，另一方 面延长了炉膛寿命。 ( 4 ) 炉膛内为贫氧燃烧，导致钢 坯氧化烧损减少。 ( 5 ) 由于火焰不是在燃烧器中产生 的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧 噪声低。 阿钢 中轧加热炉测控 系统采用 了和利时 ( Ho l l y S y s )公司的MAC S T M系统和欧姆龙 ( O MR O N )公司的P L C系统。 1 P L C控制系统 2 0 0 5 - 0 s - 2 2 卜 祥伟 ( 1 9 7 5一) ，黑龙江阿城人，助理工程师，主要从事自 控系统维护、开发以及计量管理工作。 第2 8 卷第 1 期2 0 0 6 - 0 1 ( 6 1 4 %1 注 沙 甸 妙 触摸屏 RS 2 3 2 P A2 0 3 C Q M 1 H CP U- 21 O c h I R0 0 0 I D2 1 2 I R0 01 I D2 1 2 I R0 0 2 I D2 1 2 I R0 0 3 OC2 2 I R1 0 0 OC 2 2 I R1 01 OC2 2 i R 1 0 2 OC 2 2 I R1 0 3 图I换向控制系统硬件结构图 时时间由触摸屏上的设定画面设定) ， 时间到后， 关闭快切阀， 阀位到位后， 空 气换向阀1 , 2 和煤气换向阀1 , 2 从状 态A换到状态B ， 阀位到位后， 打开快 切阀，延时t i 分钟，如此循环。 1 .2定温换向 当 排 烟温度 高时， 系 统将强 制 换向 阀换向， 直至排烟温度下降至设定的范 围内。 1 . 3手动换向 当系统处于手动状态时， 可对系统 赫 在介绍P L C 控制系统之前， 首先简要介绍一下 加热炉换向部分的工艺流程: 高炉煤气从煤气换向 系统进入煤气蓄热室， 预热到1 0 0 0 以上，由烧嘴 A喷人炉内;鼓风机鼓人的助燃空气也经空气换向 系统进人空气蓄热室， 预热到1 0 0 0 以上，由烧嘴 A喷人炉内; 二者在炉内混合燃烧达到1 3 0 0 左右 并对钢坯加热，烟气进入对面烧嘴B ,蓄热室，对 蓄热体加热后烟气降至1 5 0 0C，通过换向系统由引 风机排走。间隔一定时间后通过换向系统进行反复 循环。 蓄热式加热炉的换向控制部分是整个炉子的核 心部分， 考虑到换向阀频繁动作以及P L C 在顺序控 制过程中的优势，我们采用了日本欧姆龙公司的 C Q MI H 系列可编程控制器( P L C ) 作为主控制器， 采 用触摸屏作为显示器，其硬件结构图见图 1 , I R O O O - I R 0 0 3 为1 6 路开关量输人模块， I R I O O - I R 1 0 3 为1 6 路开关量输出模块。 开关量输入 ( D I ) 共使用 3 6 点， 其中， 从D C S 系统接入两点开入信号， 用来 判断均热段及加热段排烟温度是否过高。 开关量输 出 ( D O ) 共使用3 1 点， 其中， 有4 点开出信号送至 D C S 系统， 分别代表均热段换向开始、 加热段换向 开始、 均热段A状态、 加热段A状态。 换向系统分 为加热段、 均热段两组。 每段由两个空气换向阀、 两 个煤气换向阀组成。 在控制柜面板上的触摸屏的相 应位置有阀位指示灯。 换向系统主要完成以下功能。 ， . 1定时换向 当系统处于自 动状态时， 换向阀以一定的时间 间隔完成换向动作， 包括阀芯的运动以及煤气快切 阀的开关。 自动换向的过程: 打开快切阀， 延时t i 分钟 ( 延 中的换向阀的每个阀杆以及煤气快切阀分别进行控 制，以便对每个可动部件进行检查。手动换向由触 摸屏上的按钮实现。 1 .4动作异常报警 当换向阀、快切阀的阀位异常， 或长时间动作 不到位时，系统报警指示灯会指出故障点所在， 并 发出声音报警，提醒操作者进行处理。 2 D C S 控制系统 和利时 ( H o l l y S y s )公司的M A C S T M 系统采用 了目 前世界上先进的现场总线技术( P r o f i B u s - D P 总 线) 。 对控制系统实现计算机监控， 具有可靠性高， 实用性强等优点，是一个完善、经济、可靠的控制 系统。其硬件结构图见图2 。模拟量输入共3 3 点， 4 - 2 0 M A信号为2 3 点， 其中1 1 点由 模人模块 ( A l ) 提供配电功能， 热电偶输人信号1 0 点; 开关量输入 ( D I ) 共1 6 点， 为无源触点信号; 模拟量输出( A O ) 共8 点， 为4 - 2 0 MA信号; 开关量输出( D O ) 共6 点， 为无源触点信号。 2 . 1 D C S系统配置的主要特点 ( 1 ) 主控单元冗余 该 系统配备 了两个互为冗余 的主控单元 ( F M8 1 1 ) ， 正常工作时， 它们同时接收网络数据， 两 个主控单元同时做控制运算， 但只有一个输出运算 结 果 ， 且 通 过 双 口 R A M 实 时 更 新 数 据 。 一 旦 士 作 中 的主控单元发生故障， 备份主控单元自动进人工作 状态，而切换过程是无扰的。 ( 2 ) 电源冗余 两个电源并联使用， 均流运行，当其中一个故 障时，另一个自动承担全部负载。 1 6 2 1第2 8 卷第 1 期2 0 0 6 - 0 1 4 %1 注 4 甸 妙 图2 D C S 硬件配置图 ( 1 ) 显示功能 系统采用2 1 英寸彩色C R T 显 示器， 对生产过程中的各项参数、 控制回路等进行显示，主要有工 艺流程画面、 汽包液位画面、 控制 回路分组画面、 实时趋势画面、 历 史趋势画面、 报警显示确认画面、 参数设定画面、 换向状态画面等。 ( 2 ) 报警及联锁功能 当高炉煤气、 助燃空气、 仪表 汽源压力低， 前后段排烟温度高， 加热炉操作区域C O浓度超标时， 系统将在显示设备上显示报警点 的位置，并以声音的形式提醒操 作人员进行处理。 高炉煤气、 助燃 空气、 仪表汽源压力过低时， 将切 断煤气总管安全阀，并停鼓风机 和引风机。 ( 3 ) 管理功能 系统对生产过程中的各项参 数进行存储并可以打印输出报表， ( 3 ) 网络冗余 在计算机主机上安装两块网卡， 通过交换机分 别与主控单元S N E T 1 网和S N E T 2 网的R J 4 5 接口连 接，即可实现S N E T网络的双冗余结构。 ( 4 ) 带电插拔功能 系统中的主控单元和所有模块 ( A I , A O , D I , D O 等) 均可带电插拔， 对系统的运行不会产生任何 影响。这保证了系统在某些模块故障时，系统自动 切换到备用板， 而维修人员在不影响系统运行的情 况下实现系统维修。 2 .2 D C S系统主要完成以下功能 如报警记录， 操作记录， 工况记录， 事故追忆记录， 重要参数曲线记录，能源量累积记录等。 ( 4 ) 控制功能 系统实现了加热炉各段炉温的自 动控制， 空气/ 煤气比例调节， 炉压及汽包液位的自动调节。 另外， 当换向系统处于换向过程中， 因换向阀的动作， 空气、 煤气的流量将产生较大波动， 此时，, D C S 将处于 “ 休 克状态” ，停止调节作用，避免调节阀产生频繁开 关，使炉温产生波动。 2 .3炉温、 炉压、 汽包液位自 动控制方案 ( 1 ) 燃烧控制系统 图3 温度一流量串级比值调节系统原理方框图 第2 8 卷第1 期2 0 0 6 - 0 1 1 6 3 1 4 %1 注 沙 旬 妙 图4 炉膛压力单回路调节系统原理方框图 加热炉的最终控制目标是保证被加热钢坯出口 温度场分布在达到轧制工艺要求的前提下尽可能节 约能源、减少损耗。在一定的轧制节奏下， 燃烧控 制是加热炉重点控制内容，由于加热炉温度对象的 特性较为复杂， 为一个含有非线性的特性， 而且与 燃料量和空气/ 燃料比有关， 所以一般简单的单回路 温度、 流量控制对其皆不合适。本系统采用的是保 证燃料1 空气配比的温度一流量串级控制系统， 控制 原理方框图如图3 所示，在系统中，温度调节器的 输出作为煤气流量调节器的给定， 该信号再乘以空 燃比系数作为助燃空气流量调节器的设定值。当煤 气流量和空气流量遇扰变化时， 两个并列的副回路 分别进行调解， 消除或削弱干扰影响， 使之不影响 主参数温度;而当负荷变化等引起温度变化时，温 度调节器的输出将修改煤气和空气流量 ( 按比例) ， 使炉温保持不变。 该系统在煤气和空气两个回路动 态响应特性接近时且负荷变化比较小时， 可获得较 好的空燃比。 ( 2 ) 炉膛压力控制系统 加热炉炉膛压力也是影响热效率及现场环境的 重要因素，只有将炉内压力维持在微正压时，对应 的炉气外逸 ( 冒 烟冒火) 、 冷气侵人 ( 降低效率) 才 皆能较小。因此，我们设置了一个单回路的炉膛压 力控制系统，控制原理方框图如图4 所示。当炉内 汽管路和温度、 压力波动时，控制烟道调节阀的 开度使炉内压力维持恒定。 ( 3 ) 气化冷却控制 加热炉气化冷却系统是利用 加热炉炉壁冷却水产生蒸汽的装 置， 主要包括汽包、 供水管道、 蒸 流量、压力测控系统。汽包水位控 制是气化冷却控制系统的核心， 为克服虚假水位影 响和给水流量扰动， 有效的保证气化冷却系统的安 全运行，本系统采用较成熟的汽包液位、给水流量 和蒸汽流量3 冲量控制方案，控制系统原理方框图 如图5 所示。由于辅助冲量的引入， 不但可以消除 “ 虚假液位” 的影响， 而且还起到超前调节作用， 使 进水阀门一开始就朝着正确的方向移动， 从而大大 减小了液位波动的幅度，并减小了过渡过程时间， 取得了良好的调节品质。 3 结束语 通过一年多时间的运行， D C S 及P L C 系统运行 稳定、可靠，为蓄热式加热炉的安全、高效运行提 供了技术上的保障， 使蓄热式加热炉充分发挥了高 效蓄热燃烧技术的特点， 为阿钢带来了十分可观的 经济效益。 参考文献: 1 王树青， 等. 工业过程控制工程 M . 北京: 化学工业出版社， 2 0 0 2 . 2 l 邵裕森， 巴筱云. 过程控制系统及仪表 M . 北京: 机械工业 出版社，2 0 0 0 3 l 北京和利时系统工程股份有限公司. MA C S T M 硬件手册 z l . 北京: 北京和利时系统工程股份有限公司， 2 0 0 2 . 干扰 j :-F A 汽包液位 绍 盗 看 梦洲 ! 4i ! 二 三 竺 叠加器 目 给水调节阀目 给水流量片 蒸汽流量 给水流量变送器 干扰 蒸汽流量变送器 汽包液位变送器 图5 汽包水位3 冲量调节系统原理方框图 6 4 1第2 8 卷第 1 期2 0 0 6 - 0 1