漣鋼熱處理線3＃熱處理爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

馮力力

（湖南華菱漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司檢修中心 婁底）

Design and application of automatic control system of no.3 heat treatment furnace of lianyuan steel heat treatment line

［摘要］ 漣鋼3#熱處理爐工程是公司首條自主集成建設(shè)的項目，其中熱處理爐自動控制系統(tǒng)從設(shè)計、施工、設(shè)備安裝、調(diào)試以及全線的控制模型均由漣鋼自主完成。系統(tǒng)主要功能包括軋件跟蹤、進(jìn)出料控制、加熱模型設(shè)定、脈沖燃燒控制、數(shù)據(jù)采集通信等。整個自動控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化級（L1）與過程自動化級（L2）組成，基礎(chǔ)自動化采用SIEMENS公司高性能PLC S7-400系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況非常穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的要求。

［關(guān)鍵詞］ 熱處理爐、軋件跟蹤、PROFINET、脈沖燃燒控制

［Abstract］ This paper introduces Lianyuan steel 3#heat treatment furnace is the company's first independent integration projects,including heat treatment furnace automatic control system from design,construction,equipment installation,commissioning and all control model are completed independently by lianyuan steel.The main functions of the system include:rolling piece tracking,incoming and outgoing material control,heating model setting,pulse combustion control,data acquisition communication,etc.The automatic control system by the basic automation level (L1) and process automation level (L2),high-performance automation using SIEMENS company PLC S7-400 system,the system operation condition is very stable,excellent product quality,fully meet the requirements of field production

［Key Words］ Heat treatment furnace、Rolling piece tracking、PROFINET、Pulse combustion control

一、項目簡介

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和汽車限載等實施力度的加強(qiáng)，工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼和自卸車用耐磨鋼產(chǎn)品在市場上供不應(yīng)求，為了進(jìn)一步增大熱處理產(chǎn)品的盈利能力，快速占領(lǐng)市場，公司決定全部依靠自身的力量，爭取3～5個月內(nèi)在2250熱軋板廠建成一條年產(chǎn)能約6萬t的3#熱處理線^［1］。此前熱處理線已投產(chǎn)的兩座熱處理爐均屬于中冶南方總包建造，熱處理主體設(shè)備的燃燒控制模型與物料跟蹤均屬于核心技術(shù)。本次3#熱處理爐^［2］（見圖1）工程是公司首條自主集成建設(shè)項目，其中熱處理爐自動控制系統(tǒng)從設(shè)計、施工、設(shè)備安裝、調(diào)試以及全線的控制模型全部由漣鋼自主完成。目前，系統(tǒng)運(yùn)行狀況非常穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的要求。

圖1 3＃熱處理爐設(shè)備總覽

二、工藝流程

鋼板送到裝料輥道上，驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行對中與測寬，測寬完成后自動進(jìn)入爐前三號光電管，完成測長，由于爐底輥的運(yùn)行速度很低，為確保爐壓、爐溫及爐內(nèi)的保護(hù)氣體穩(wěn)定，在鋼板進(jìn)出爐時采用高速裝卸料。要準(zhǔn)確控制爐內(nèi)鋼板的位置、數(shù)量、何時裝料和卸料等情況，就必須對鋼板實行全過程的跟蹤控制。通過在爐前、爐內(nèi)、爐后等多個部位設(shè)置光電管、編碼器等檢測控制元件，實現(xiàn)邏輯運(yùn)算、誤差同步跟蹤控制，鋼板進(jìn)入爐內(nèi)后根據(jù)工藝制定的加熱制度由加熱模型與燃燒控制完成對鋼板的加熱，鋼板出爐后進(jìn)入快速風(fēng)冷區(qū)，冷卻完成進(jìn)入噴印輥道，噴印完成進(jìn)入堆垛區(qū)，堆垛完成后打包吊走。

三、控制系統(tǒng)組成（見表1和圖2）

3#熱處理爐自動控制系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)自動化級（L1）與過程自動化級（L2）組成，基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采用SIEMENS公司高性能PLC S7-400系統(tǒng)^［3］，電氣控制、儀表控制CPU型號為6ES74143EM060AB0，帶PROFINET網(wǎng)接口，配置的遠(yuǎn)程I/O分別布置在電氣室、操作室和就地的現(xiàn)場操作箱內(nèi)，遠(yuǎn)程I/O站PROFINET接口模塊型號為6ES71534BA000XB0。主機(jī)架內(nèi)配置現(xiàn)場總線PROFINET^［4］和以太網(wǎng)的模塊（6GK74431EX200XE0），通過PROFINET和以太網(wǎng)使CPU單元之間、CPU單元與遠(yuǎn)程的I/O之間、單元與傳動控制之間實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)交換，保證整個系統(tǒng)具有良好的控制性能。所有爐底輥電動機(jī)配套的變頻器均采用西門子高性能G120系列變頻器。操作和監(jiān)控HMI系統(tǒng)采用基于Windows操作系統(tǒng)的SIEMENS公司的WinCC，實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障報警、歷史數(shù)據(jù)曲線查詢等功能。

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要由以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線PROFINET組成。HMI和PLC之間、基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和L2計算機(jī)系統(tǒng)之間，采用以太網(wǎng)通信。為更加保障L1網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對現(xiàn)場總線PROFINET進(jìn)行環(huán)網(wǎng)的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用SIEMENS公司具有網(wǎng)管功能的SCALANCE X2系列交換機(jī)。L1、L2網(wǎng)絡(luò)要求采用二級網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域內(nèi)所有L1系統(tǒng)均要求聯(lián)網(wǎng)。

L2系統(tǒng)采用Server/Client結(jié)構(gòu)，由一臺高性能PC服務(wù)器和一臺高性能PC客戶端組成，均采用當(dāng)前主流配置。其中PC服務(wù)器置于工程師電氣室，用于運(yùn)行數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序；PC客戶端置于爐后操作室，供操作人員執(zhí)行各種指令。L2系統(tǒng)采用Windows 2008 Server操作系統(tǒng)，Oracle 11g數(shù)據(jù)庫、Visual Studio 2012作為開發(fā)工具實現(xiàn)L2系統(tǒng)功能。

表1 西門子主要設(shè)備清單

四、控制系統(tǒng)功能

一級控制系統(tǒng)主要由儀控和電控兩套系統(tǒng)組成，電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)上料、對中、測長，進(jìn)出料，150臺爐底輥、空氣、排煙電動機(jī)的控制及全線的物流跟蹤；儀控系統(tǒng)則完成溫度、壓力、流量的檢測調(diào)節(jié)及噴嘴式加熱爐的燃燒控制。二級系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)計劃管理、原料管理、鋼板上料、熱處理實績管理、噴印管理、出口打包管理、堆垛信息傳送以及報表生成。通過對鋼板位置的跟蹤，實現(xiàn)物流與信息流的自動匹配，根據(jù)訂單需求，通過對入口捆包的智能分解，實現(xiàn)對出口捆包的自動噴印和自動堆垛。整個控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備圖片

圖3 控制系統(tǒng)功能總覽

1.基礎(chǔ)自動化關(guān)鍵技術(shù)解決方案

（1）PROFINET設(shè)計與應(yīng)用

基礎(chǔ)控制系統(tǒng)主要分為儀控和電控兩套系統(tǒng)，儀控主站CPU和各遠(yuǎn)程站的連接均采用PROFINET，電控主站CPU和所有爐底輥也是采用PROFINET進(jìn)行通信。儀控系統(tǒng)包括一個主站及六個燒嘴柜，每個燒嘴柜內(nèi)設(shè)計一套帶PN接口的遠(yuǎn)程站，還有現(xiàn)場三個儀表柜（每個柜內(nèi)設(shè)計一套帶PN接口的遠(yuǎn)程站），兩個冷卻風(fēng)機(jī)（設(shè)計帶PN接口的變頻控制單元）。接口模塊選型為IM153-4 PN HF 6ES71534BA000XB0，交換機(jī)選用了兩個西門子交換機(jī)6GK5208-0BA10-2AA3。雖然PN支持一進(jìn)一出的連接方式，但為使網(wǎng)絡(luò)更加可靠，將CPU的PN口和兩個西門子交換機(jī)連成環(huán)網(wǎng)（注意西門子交換機(jī)默認(rèn)1#、2#口為環(huán)網(wǎng)口），所有設(shè)備掛到西門子交換機(jī)上，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。電控系統(tǒng)中由于爐底輥變頻器有155臺，故選用了八個西門子6GK5224-0BA00-2AA3交換機(jī)（24口），同時還配置了一塊通信模塊，整個PN設(shè)計成兩個環(huán)網(wǎng)，一個是CPU的PN口和其中4個24口交換機(jī)相連成環(huán)網(wǎng)，另一個是通信模塊的PN口和另外4個24口的交換機(jī)相連成環(huán)網(wǎng)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 儀控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（2）爐底輥變頻控制功能實現(xiàn)方案

控制系統(tǒng)要準(zhǔn)確控制爐內(nèi)鋼板的位置、數(shù)量、何時裝料和卸料以及保障連續(xù)入鋼時的安全距離，就必須對鋼板實行全過程的跟蹤控制，而承載鋼板運(yùn)行的爐底輥變頻速度控制則成為跟蹤控制準(zhǔn)確的最主要保障。原有2#爐爐底輥變頻器均為AB品牌變頻器，3#爐爐底輥全部采用西門子G120高性能變頻器，外部信號狀態(tài)通過開關(guān)量直接與變頻器輸入輸出端子相連（見圖6），變頻器以狀態(tài)字、控制字的方式通過PROFINET與主站CPU進(jìn)行通信。各輸入輸出端子的定義及控制字、狀態(tài)字定義如圖7所示。主回路開關(guān)與變頻器之間設(shè)計了一個主接觸器，主接觸器的合閘控制回路由變頻器的數(shù)字量輸出2來控制，合分閘邏輯通過G120變頻器中的自由定義塊功能來實現(xiàn)（見圖8）。變頻器柜內(nèi)布置設(shè)計如圖9所示。

G120變頻器數(shù)字量輸入定義：

數(shù)字量輸入1（DI0），事故點動起動/停止；

數(shù)字量輸入2（DI1），事故點動正轉(zhuǎn)；

數(shù)字量輸入3（DI2），事故點動反轉(zhuǎn)；

數(shù)字量輸入4（DI3），事故點動擺動；

數(shù)字量輸入5（DI4），接觸器吸合反饋輸入，需將狀態(tài)實時傳給PLC；

數(shù)字量輸入6（DI5），各種進(jìn)線電源分閘檢測，作為就緒條件（0為電源開關(guān)都已合閘；1為電源開關(guān)為合閘），需將狀態(tài)實時傳給PLC。

G120變頻器數(shù)字量輸出定義：

數(shù)字量輸出1，變頻器故障，需將狀態(tài)實時傳PLC；

數(shù)字量輸出2，定義用于接觸器合閘（主接觸器和風(fēng)機(jī)接觸器分合閘）。

圖6 變頻器與外部信號接線圖

（3）脈沖燃燒控制

熱處理爐燃燒系統(tǒng)包括109個燒嘴，沿?zé)崽幚頎t長方向布置于爐輥上下。每個輻射管的燃?xì)鉄煅b有一個高性能回流換熱器。燃?xì)鉄煲愿咝Ш偷偷趸锱欧诺姆绞竭M(jìn)行操作。每個燒嘴裝有一個高壓火花點火器。一個區(qū)內(nèi)同時操作的輻射管數(shù)量取決于設(shè)定溫度和熱處理爐產(chǎn)量。輻射管的循環(huán)操作由循環(huán)控制程序模塊完成。每個燒嘴的煙氣管道裝有排煙罩。在排煙罩處煙氣與周圍環(huán)境空氣混合，然后排放到沿爐頂?shù)撞贾玫臒煔夤艿纼?nèi)。燃燒控制采用ON-OFF模式進(jìn)行，通過控制各燒嘴在一個周期內(nèi)的通斷時間或循環(huán)選擇燒嘴開啟數(shù)量控制爐子熱負(fù)載的供給率，達(dá)到爐溫控制的目的。在每段燃燒控制過程中，各燒嘴的通斷由控制器獨(dú)立進(jìn)行，但各燒嘴的啟動有一定的時間間隔，這樣保證了溫度的均勻和總管壓力的溫定。表2為主要控制策略說明。

圖7 G120變頻器控制字、狀態(tài)字定義

圖8 G120變頻器內(nèi)部定義分合閘邏輯

圖9 西門子G120變頻器柜內(nèi)布置圖

表2 主要控制策略說明

2.二級主要系統(tǒng)功能

（1）原料管理

原始數(shù)據(jù)是指原料的理化特性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)要求數(shù)據(jù)以及鋼板生產(chǎn)順序號。L2計算機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)從3級機(jī)接收將要生產(chǎn)的鋼板的原始數(shù)據(jù)。L2計算機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中，在L2計算機(jī)系統(tǒng)中可緩存100個原料鋼板數(shù)據(jù)。當(dāng)3級機(jī)或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障以及3級機(jī)不在線時，也可以通過操作站上的操作界面輸入以上數(shù)據(jù)，其中原料數(shù)據(jù)將按照鋼板處理的順序存儲在熱處理爐機(jī)組L2計算機(jī)中。

（2）熱處理實績管理

熱處理實績管理包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)存檔功能。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)通過OPC數(shù)據(jù)通信的方式傳送給L2計算機(jī)，L2計算機(jī)收集熱處理爐設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及各爐段溫度等。

（3）根據(jù)訂單需求，實現(xiàn)自動分包、自動噴印和自動堆垛

由于訂單需求不同，大部分鋼板入口捆包都需要拆分或者合并才能滿足訂單需求，這就給生產(chǎn)組織和數(shù)據(jù)跟蹤增加了難度，并且無法自動生成出口捆包號，噴印內(nèi)容和堆垛也只能手動進(jìn)行，為了解決這一問題，在鋼板入爐時，系統(tǒng)根據(jù)檢驗批號、張數(shù)、重量的要求，將捆包進(jìn)行自動分解，為每一張鋼板指定出口捆包號，并通過鋼板位置跟蹤，在鋼板風(fēng)冷出口，將鋼板號和出口捆包號自動發(fā)送給噴印機(jī)，實現(xiàn)自動噴印，并根據(jù)噴印的實際結(jié)果，將相同出口捆包號的鋼板進(jìn)行堆垛。在畫面上增加了鋼板強(qiáng)制插入與吊離操作，以保證鋼板加入與吊離后系統(tǒng)內(nèi)鋼板順序變化與實物一致。

五、實施心得總結(jié)

由于西門子公司技術(shù)支持人員的大力支持，以及自身技術(shù)人員的前期鉆研和培訓(xùn)，整個項目實施順利，有幾點經(jīng)驗總結(jié)如下：

1）由于PN要配置IP地址，在配置前一定要將項目中所有用到的設(shè)備IP地址統(tǒng)一規(guī)劃好，比如變頻器、CPU、遠(yuǎn)程站、工程師站、操作站等，避免IP地址沖突，同時PN要求每個設(shè)備要有一個設(shè)備名，盡量不要用默認(rèn)的，避免設(shè)備名重名。

2）要選用支持PN協(xié)議的交換機(jī)，便于網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試及組態(tài)和故障判斷。

3）配置環(huán)網(wǎng)時，西門子公司默認(rèn)的環(huán)網(wǎng)口是1#口和2#口，所以環(huán)網(wǎng)相連的線要接在1#口和2#口，當(dāng)然也可以在配置中更改成其他口。

4）由于原爐底輥變頻器是AB變頻器，AB變頻器控制字和狀態(tài)字中的每位定義與西門子控制字和狀態(tài)字不相同，同時AB變頻器都是采用脈沖命令，注意這兩點對AB變頻器改成西門子變頻器有非常大的幫助。

六、應(yīng)用效果（見圖10）

整個項目歷經(jīng)三個月，2018年1月6日點火，1月18日正式生產(chǎn)，一個月后達(dá)產(chǎn)達(dá)效，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況非常穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的要求。

圖10 運(yùn)行效果展示

參考文獻(xiàn)

［1］ 周敬恩.熱處理手冊（第1卷）：工藝基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 王淑花.熱處理設(shè)備［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［3］ 西門子（中國）有限公司.西門子400硬件手冊［Z］：上冊.

［4］ 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.