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攀钢加热炉仪表自动控制系统

未知 2019-07-14 10:53

1 引言

  攀钢加热炉为蓄热式步进式加热炉,可装炉钢坯长度从3.7米~8米,并可根据钢坯长度自动进行双排或单排布料,其设计生产能力为200t/h。加热炉分设加热三段、加热二段、加热一段、均热段4段控制加热,配备2台助燃风机(1用1备)和一台引风机,空气由设置在烧嘴中的蓄热体预热后进加热炉助燃,入炉煤气采用高焦混合煤气,以常温形式进加热炉燃烧。其炉温控制采用双交叉限幅燃烧控制功能,炉膛压力采用前馈控制及加热炉门开关补偿控制方式,有效提高炉压控制精度。

2 系统配置

  加热炉仪表自动化控制系统是由s7-400plc控制系统作为系统主控制器,cpu模块采用高性能的cpu416-2dp,i/o采用分布式控制结构et200系统,现场总线采用profibus-dp总线结构将主控制器和et200系统相连接。仪控plc和其它站通讯采用光纤环网方式,操作站(hmi)与主控制器通过工业以太网相联,并预留加热炉二级和轧线plc通讯接口,给加热炉二级提供各段炉温、空气煤气流量、入炉钢坯温度数据,随时接受加热炉二级发送的设定温度、加热制度数据等。其系统配置图如图1所示。

图1 系统配置

  plc控制器用于生产过程的逻辑和顺序控制,闭环调节控制、数据采集、计算和过程i/o处理等。工作站用于参数设定、操作和修改、报警和事故显示、过程画面显示、系统状态显示等。

3 燃烧控制系统工程设计

  加热炉的仪表控制系统功能主要分为以下几个方面:炉内温度与燃烧控制系统,炉膛压力控制系统,分散换向控制系统,排烟温度控制系统,煤气及助燃空气压力的稳定调节以及其它一些安全联锁控制及能源介质监控等。



  3.1 炉内温度控制

 本加热炉分为4个燃烧控制段,分别是:第一加热段、第二加热段、第三加热段、均热段,各燃烧控制段的控制方式相同。测温点的布置如图2所示:在每个燃烧控制段各采用5只s型热电偶测温,其中顶部3只,按照左、中、右平均分布,下部各采用2只,左右对称分布,另在预热段炉顶设置2只热电偶左右对称分布。每段热电偶的测量信号由plc进行处理并在crt上显示。当两只热电偶均正常时,自动选择温度较高的信号进行控制,防止单侧温度较高造成事故,当选择其中一只热电偶作为控制回路的测量值时,控制系统会在其发生故障时,自动切换到运行正常的热电偶;当选择将两只热电偶的信号平均值作为炉温控制的测量值,控制系统会在其中一只发生故障时,自动切换到运行正常的热电偶,确保炉温控制检测信号的连续性,不会因一只热电偶故障而导致控制炉温的波动,同时crt显示相关热电偶的故障报警,以利判断处理。每段的炉温测量值与plc内的炉温目标设定值进行比较,经双交叉限幅控制输出方式控制煤气流量和空气流量调节阀,达到控制炉温目的。

图2 温度检测示意图

  3.2 燃烧控制

  (1)上段回路控制:各段混合煤气流量经流量检测后送plc进行处理,经双交叉限幅控制方式输出调节信号至煤气流量调节阀,按炉温需要调节煤气流量,如图3所示。

图3 双交叉限幅燃烧控制系统

  各段助燃空气流量用孔板检测,经差压变送器转为电信号后送plc进行处理,经双交叉限幅控制方式输出调节信号至助燃空气流量调节阀,按空/燃比需要调节助燃空气流量。

  (2)下段回路控制:下加热段的热量设定可以在以下两种方式中切换:

  l独立控制模式:由本段温度调节器的输出值设定(与上段相同)

  l主从控制模式:由上段温度调节器的输出值按比例设定。主从控制模式可以较好地协调本段内上下加热区的供热量,有效地防止下部对上部的影响,保证炉温的均匀性。

  3.3 炉膛压力控制

  在上均热段和第三加热段顶部测量炉压信号送给plc,将两测量值分别在crt上显示。正常情况下以上均热段采集的炉压作为控制炉膛压力的测量值,以第三加热段压力作为后备测量值,如果上均热段炉压信号偏差太大或故障,系统会自动判断选取第三加热段的炉压作为炉压的测量值,控制系统根据测量值控制烟道闸板阀的开度,在满足控制炉膛压力的情况下也确保烟道换热设备的使用寿命。

  加热炉炉压控制功能:由压力变送器检测炉膛压力,由控制器进行pid运算,控制烟道闸板的开度,从而达到控制炉膛压力的目的,由于加热负荷的波动较大,对进入加热炉的所有助燃空气采用前馈控制,来保证炉压的稳定。炉压前馈控制系统原理如图4所示。

图4 炉压前馈控制系统原理图

  当炉门打开时,会对炉压产生影响,而且炉门的开关时间很短,对于大滞后的炉压系统,将无法调节,因此在炉门打开时,控制器锁定,使炉压在炉门打开时也能稳定,炉门关闭后,控制器开始进行调节,仍能保证炉压的稳定。



  3.4 换向控制

  (1)定时换向:系统正常运行状态按照换向周期作定时周期换,段与段之间换向时间完全错开,段内分散换向的原则。当某加热段一侧燃烧到达换向周期时,系统会按照规定的顺序对该段的每一侧烧嘴的煤气快切阀和空气三通阀进行逐一切断停止燃烧处于排烟状态,同时将对面与之相对应的煤气快切阀和空气三通阀逐一打开进行燃烧,完成换向功能。

  (2)定温换向:是指当某加热段一侧燃烧另一侧排烟时,该燃烧过程还没有达到换向周期,如果排烟温度超过设定温度时,系统会自动作换向动作,强制将排烟侧烧嘴换向成燃烧状态,将对面烧嘴换成排烟状态,避免了因排烟温度过高造成设备损坏。

  (3)阀位报警:换向系统中每个快切阀和三通阀都设置有开关位置反馈,在正常运行状态下,每一个阀位状态全部显示在crt上。当其中一个快切阀和三通阀出现故障时致使阀位反馈信号错误,系统会自动发出报警,提示检修人员及时处理故障,彻底分散了设备故障点,使系统更加安全可靠。

  3.5 排烟温度控制

  排烟温度有两个部分:一是烧嘴冷端温度控制,二是供热段的排烟温度。烧嘴冷端温度控制是通过烧嘴前手动蝶阀控制该烧嘴的燃烧状况和排烟量,使每各烧嘴冷端温度控制在规定范围内,在调试过程中一次调节完成。在每个供热段空气三通阀后支管设有烟气调节阀,根据三通阀后的排烟温度作为控制排烟量的测量值,手动或自动控制烟气调节阀控制该段的排烟量大小,使该段的排烟温度控制在设定范围内。

  3.6 能源介质的监控与调节

  能源介质的正常供应是保证加热炉能否正常生产的重要条件之一。在能源介质供应异常时报警,若可能危及人身、设备安全时,控制系统将自动处理到安全状态。为了满足燃烧系统需要在煤气总管上加装气动快速切断阀、压力调节阀用于稳定煤气压力和安全切断煤气,用于确保加热炉燃烧系统安全稳定、安全节能、提高钢坯质量等目的。

  当煤气和其它能源介质压力过低不能保证加热炉正常生产时,plc送出信号控制装在煤气总管上的调节切断阀,紧急切断煤气。为避免干扰信号造成误动作,在煤气总管上又装了压力开关。在plc发现测量值过低时系统会自动与压力开关信号比较,若都显示煤气压力过低时,plc才发出紧急切断煤气信号。

  助燃空气总管压力控制:助燃空气压力稳定也是加热炉燃烧控制必备的条件之一。在助燃空气热风总管上取压经变送器转为电信号送plc,由plc按设定值采用控制2台助燃风机的进风门,以调节和稳定空气总管压力,同时可有效防止鼓风机发生喘震造成机械设备和电气的损坏发生。

  其它如动力压缩空气、冷却水、压缩空气、氮气等等均受到监控,异常时报警。

  3.7 安全和保护

  煤气总管道上设有事故自动切断阀,在发生煤气低压、助燃空气低压、压缩空气低压、鼓风机停机、等重大故障时自动切断煤气。为了更加安全可靠在系统控制柜中加装紧急事故人工按钮,它是独立的硬件连锁关系不受因控制系统故障的原因的影响,而由人工处理事故最为可靠及时单元。

  3.8 抗干扰设计与实现

  由于电气设备的存在,严重威胁控制系统的正常运行和通信网络的安全、稳定畅通,为此设计中根据各种干扰源的存在增加了以下抗干扰功能:

  (1) 接地:计算机、plc和通信网络采用单独的专用接地处理,使其统一共地,杜绝相互之间的工模干扰。

  (2) 通道隔离及信号滤波技术:

  l模拟量通道屏蔽:模拟量信号的输入导线采用有屏蔽线的双绞线电缆,以降低辐射干扰和电磁耦合性干扰。

  l数字量通道隔离:数字量模块采用通道光电隔离模块,在信号进出plc通道之前加设中间继电器对通道进行双重隔离,防止串入强干扰电压烧坏通道。

  l通信电缆设置:工业以太网通讯缆和profibus-dp电缆敷设时单独穿金属管,电缆走向避免与动力缆平行,尽可能远离大电流线路。

  l电源隔离工作电源通过带屏蔽的隔离变压器给plc主站和从站供电,使plc和大功率的电器设备的电位隔离,避免供电线路干扰。

  (3)程序设计抗干扰处理:对于模拟量输入信号采用延时滤波技术,消除瞬时干扰。对于数字量输入信号采用锁存和指令对比技术,降低误信号。

4 结束语

  该加热炉仪控系统自正式投运以来,系统运行稳定,现场设备动作正常。工作站(hmi)人机界面友好,操作性能好,操作人员可方便、灵活的根据现场情况进行控制。报警及历史趋势记录等一系列功能使操作人员能及时的发现现场故障,并能对炉内升温曲线进行及时调整。

  经过连续运行考核,该控制系统完全满足了加热炉生产工艺的各项技术要求,性能稳定可靠,操作维护方便,大大减少了不安全因素对人和设备的危害,提高了生产率,减轻了工作人员的劳动强度,在节能降耗、高产稳产、安全生产及环境保护等方面均发挥了重要的作用,取得了显著的经济效益和社会效益。

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