1、步進式加熱爐控制系統設計與實現周 沛1, 2何 為 1 張占龍1(1. 重慶大學 , 重慶 400044; 2. 重慶工商大學 , 重慶 400067摘 要 :從分析步進式加熱爐工藝著手 , 對加熱爐的主要設備 , 如裝鋼機、 步進梁、 出 鋼機的控制 要素和控 制特點進 行了分析。根據上述分析利用 S7-400編程軟件完成了 PLC 程序 的整體 設計。根據 加熱爐 的工藝 和設備 分布特 點 , 在 W i nCC 環境下 , 組態了加熱爐部分監控畫面。 關鍵詞 :加熱爐 ; 控制系統 ; 裝鋼機中國分類號 :TG307 文獻標識碼 :A 文章編號 :1673-1980(2008 05-0

2、068-03收稿日期 :2008-03-19作者簡介 :周沛 (1977-, 女 , 重慶人 , 重慶大學電氣工程學院碩士研究生 , 主要從 事電氣及控制方面的研究。1 步進式加熱爐概述現代化的高產量熱軋帶鋼軋機 , 由于對軋制帶 鋼的厚度尺寸公差、 帶鋼表面質量和板型控制的要求日益嚴格 , 因而對板坯加熱溫度均勻性和熱板坯 表面的質量要求也不斷提高。加熱爐是熱軋帶鋼軋 機必須配備的熱處理設備。隨著工業自動化技術的 不斷發展 , 現代化的熱連軋機應該配置大型化的、 高 度自動化的步進 式加熱爐 , 其生產應符合 高產、 優 質、 低耗、 節能、 無公害以及生產操作自動化的工藝 要求 , 以提高

3、其產品的質量 , 增強產品 的市場競爭 力。步進式加熱爐具有以下特點 :(1 生產能耗大幅度降低 , 從煉鋼連鑄后開始 全連續的直接生產。(2 產量大幅度提高 , 在 100 104t/a以上。 (3 生產自動化水平非常高 , 原加熱爐的控制 系統大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統 , 傳 動系統也大多是模擬量控制式供電裝置。現在的加 熱爐的控制系統都是 PLC 或 DCS 系統 , 而且大多還 具有二級過程控制系統和三級生產管理系統 , 傳動 系統都是全數字化的直流或交流供電裝置。2 步進式加熱爐工藝流程板坯在爐前輥道定位后 , 輥道 PLC 將允許裝鋼信號發給加熱爐 PLC 。同時把待人

4、爐板坯的有關數 據傳送給加熱爐 PLC , 裝鋼機待加熱爐內有裝鋼空 位 , 即根據計算的裝鋼行程裝鋼入爐 , 當板坯被入爐 檢測儀檢測到時 , 開始測寬。板坯進入加熱爐后 , 步進梁作周期性的上升、 前 進、 下降、 后退運動 , 將板坯移至出爐側。在板坯到 達激光檢測器后 , 步進梁走完正在運行的步進周期 , 即停止運動 , 板坯停留在固定梁上 , 等待出鋼。 當二級計算機下達 出鋼 指令時 , 出鋼機根據 計算出的出鋼行程 , 把板坯從爐內送到出爐輥道上。 當出鋼機退回到原點時 , 加熱爐 PLC 將板坯數據傳 輸給輥道 PLC , 輥道 PLC 控 制板坯經 C1輥道向粗 軋傳送。3

5、步進式加熱爐 PCL 控制方案概述加熱爐區 PLC 控制的最終目的是保證板坯在 加熱爐內順利傳輸 , 維持板坯對軋機的供應量。這 就需要各種電氣設備密切配合 , 嚴格按照時序動作。 將電氣控制系統分為裝鋼機控制、 步進梁控制、 出鋼 機控制、 汽化控制和液壓站及站內設備控制等五個 系統 , 下面對前三種控制進行介紹。4 步進式加熱爐 PLC 控制系統4. 1 裝鋼機控制系統裝鋼運行包括裝鋼機、 裝料爐門運行控制。裝 鋼機控制有手動、 半自動和全自動三種操作方式 , 同 時具有手動裝鋼和返鋼、 半自動、 全自動裝鋼功能。 裝料爐門控制有就地手動、 遠程手動、 自動運行 3種 控制方式。這里只討論

6、自動運行控制。裝鋼動作順序是 :前進推鋼、 升上 、 前進、 下降、 后退。其裝鋼自動運行流程程序如圖 1所示。第 10卷 第 5期 重慶科技學院學報 (自然科學版 2008年 10月圖 1 裝鋼自動運行程序流程圖4. 2 步進梁控制系統步進梁的基本動作是上升、 前進、 下降、 后退 , 步 進梁的任何控制都建立在這 4步基礎之上。其運動 速度的變化由液壓系統比例閥的控制來實現 , 而步 進梁的運動極限位置以及運動速度改變點 (位置 分別由升降缸內置線性位移傳感器和平移缸內置線 性位移傳感器來確定。在液壓站啟動后 , 控制油路上相應的電磁閥的 開閉 , 使液壓缸動作 , 從而實現步進梁的升降、

7、 平移 , 控制。系統框圖如圖 2所示。圖 2 比例閥控制系統步進梁運行速度由比例閥開度及閥兩端的壓力 差決定。壓力差在調試完畢后 , 即為固定值。比例 閥開度大致與閥內電磁線圈電流成正比例 , 線圈電 流大小由比例閥放大器的輸入電壓決定 , 該輸入電 壓可由 PLC 模擬輸出通道給定。所以 , 在程序中改 變放大器輸入電壓值 , 可以調節步進梁運行速度。 4. 3 出鋼機和出料爐門控制出鋼運行包括出鋼機、 出料爐門運行控制。出鋼 機控制有手動、 半自動和全自動 3種操作方式 , 同時 具有手動出鋼和返鋼、 半自動、 全自動出鋼功能。出 料爐門控制有就地手動、 遠程手動、 自動運行 3種控 制

8、方式。這里只討論自動運行控制。當板坯到達出爐側 , 且二級計算機下達出鋼指令 時 , 出鋼料爐門打開 , 出鋼機進入爐內 , 將板坯抬出至 出爐輥道。其出鋼自動運行流程程序如圖 3 所示。圖 3 出鋼自動運行流程程序圖5 步進式加熱爐控制系統的實現步進 式加熱爐控制系統是采用西門子 PLC 系統 來實 現的 , 整個系統 包括了硬件系統和軟件系統 , 是一 套完整 的控制系統解決方案 , 下面詳細介紹實 現過程。 5. 1 西門子 PLC 硬件系統整個加熱爐 DCS 控制系統具有兩個顯著特點 :一是基礎自動化層采用冗余環結構 , 以提高系統的可 靠性和穩定性 ; 二是信息層采用標準以太網結構

9、, 使 得整個系統具有大容量的數據通訊能力和方便的可 擴展性。針對上述特點在硬件選擇上采用以下方式 : (1 選用西門子公司 S7-400系列 PLC 中的過 程控制器 CPU414-H 作為整個加熱爐控制系統的 核心 , 與分布式 I/OET200M 共同組成冗 余的系統 控制站。該產品具有標準化程度高、 可靠性高、 操作 性強、 可維護性好、 可擴展性好等特點。(2 監控系統選用研華工控機、 菲利普 22寸純 平彩色顯示器構成其工程師站和操作員站。系統各 操作站是聯網、 協調工作的 , 操作站之間是全透明、 全容錯的 , 可以實現相互代替。采用這種方式使得 本系統具有運轉可靠、 數據分布合

10、理、 操作速度快、 人機界面友好、 使用方便等優點。(3 由標準以太網 (I EEE E t h er net 802. X 、 SI E -ME NS SI M ATI C NE T 工業以太網絡、 PROFI B US 過程 現場總線 (E N50, 170 所構成的三級網絡的體系結構 保證了系統數據通訊的高可靠性、 無阻塞和高速度 , 尤其是采用雙環容錯光纖網絡更有效的保證了網絡 系統數據傳輸的抗現場干擾能力和高可靠性。5. 2 軟件系統系統上位機監控畫面組態軟件選用 W i n CC6. 0作為 HM I 畫面的應用軟件開發平臺 , 使用 M icrosoft SQL Ser ver

11、2000作為組態數據和歸檔數據的存儲數 據庫。 W inCC 是 W i n dows Contro lCenter(視窗控制中 心 的縮寫 , 是 SI E ME NS 公司于 2003年底推出的基 于 W indo w s 2000/XP平臺下的集成化的工控軟件。 它集成了數據采集、 組態、 腳本語言和 OPC 等先進技 術 , 具有強大的圖形界面和實施過程監控功能 , 繼承 了 SI E ME NS 過程自動化產品技術先進和無縫集成的 特點 , 是自動化系統中不可缺少的關鍵組成部分。當 過程進行操作時 , 它能夠以非常容易讀取的方式顯示 過程信息 ; 而當過程停機時 , 它能夠幫助減少停

12、機時 間 , 以確保生產過程更為高效。系統下位機采 用 Step7編制 軟件。 S tep7是用 于西門子 S7-300/400系列 PLC 創建 可編程邏輯 控制程序的標準軟件 , 可使用多種編程語言 :(1 梯 形圖 (LAD ; (2 功 能 塊 圖 (FBD ; (3 語 句 表 (STL 。它具有以下特點 :(1 有很多通用的控制 模塊 , 包括系統本身控制、 處理數據通信、 傳統的設 備控制等幾類 , 這些模塊使得編程簡單易懂且效率 高 ; (2 對自動化工程各方面具有良好的用戶功能 , 如硬件的配置、 參數設置、 通訊的定義、 診斷功能等 ; (3 可以方便地定義經 M PI 、

13、 Profibus 連接的自動化 組件之間的周期性數據傳送 ; (4 能快速瀏覽 CP U 數據和用戶所寫程序在運行中的故障原因。5. 3 程序編制電氣控制主要完 成對輸入開關信 號的邏輯運 算 , 然后發出邏輯控制指令 , 指揮繼電器的通斷 , 再 去控制交流接觸器等電氣設備。程序編制就是一些 典型的控 制環節的 組合 :(1 與 關系控 制 ; (2 或 關系控制 ; (3 互鎖控制 ; (4 自鎖控制。根據 前面介紹的系統功能流程圖 , 利用這些基本的環節 , 就可以對加熱爐控制系統進行描述了。6 結 語在科學技術飛速發展的今天 , 為了提高自動化 水平 , 降低工人勞動強度 , 應用計

14、算機和一些過程控 制軟件對大型、 復雜工業系統進行過程控制和監控 已成為必然趨勢。在程序編制過程 中 , PCS7強 大的控 制流程 圖 (CFC 功能使編程人員感到方便快捷 , 唯一不足的 是模塊參數選項過多。W inCC 中的 HORN 功能 使語音報警組態 容易 且快速。它只需 要錄好報警的語 音 *. w av 文件 , 在 HORN 功能中使語音報警與報警事件相連即可。 W inCC 和 STEP 7結合 , 合理地分 擔了上位 機 監控和現場數據采集、 控制的任務 , 充分發揮了不同 設備各自的優勢 , 是一種有特色、 有前途的計算機控 制系統設計方案。在系統調試和投運過程中 ,

15、PCS7系統的硬件診 斷功能強大 , 可幫助現場調試人員快速解決問題。 PI D 面 板信息量全面 , 在 PI D 參數整定過程中可 及時觀 測到 P V 值和 OP 值的變化 , 在進行回路相關參 數的現 場操作時也很方便 , 為開發人員節約大 量時間。參考文獻1張文學 . 現代化步進式加熱爐 的發展 J.工業爐 , 1995 (l:30-38.2何用梅 . 現代連續加熱 爐 M.北 京 :冶 金工業出版 社 , 1981.3耿文 學 . 微 機可 編 程 序控 制 器原 理 、 使 用 及 應 用實 例 M.北京 :電 子工業出版 , 1990.The D esign and Appli

16、 cati on on W al ki ng Bea m Reheati ngFurnace Control Syste mZ HOU P ei 1, 2 HE W ei 1 Z HANG Zhan-long 1(1. Chongq i n g Un iversity , Chongqing 400044; 2. Chongq i n g Technology andBusinessU niversity , Chongq i n g 400067Abst ract :This paper analyzes the technology o f the w alking bea m reheating fur nace , wh ich has covered the con tro l ele m en ts and characteristics of the m a i n faciliti e s such as stee l l o ad i n g m ach i n e , w a l k i n g bea m , do w nloading m a -ch i n e . The entire design of PLC progra m is finished w it h S7-400prog ra m soft w are . According to t