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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用步进式加热炉自动掌握系统的设计1 引 言加热炉是轧钢工业必需配备的热处理设备；随着工业自动化技术的不断进展,现代化 的轧钢厂应当配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉,其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求,以提高其产品的质量,增强产品的 市场竞争力；我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种,但推钢式炉有长度短、产量 低,烧损大,操作不当时会粘钢造成生产上的问题,难以实现治理自动化；由于推钢式炉 有难以克服的缺点,而步进梁式炉是靠专用的步进机构,在炉内做矩形运动来移送钢管,钢管之
2、间可以留出间隙,钢管和步进梁之间没有摩擦,出炉钢管通过托出装置出炉,完全 排除了滑轨擦痕,钢管加热断面温差小、加热匀称,炉长不受限制,产量高,生产操作灵 活等特点,其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要 求；全连续、全自动化步进式加热炉；这种生产线都具有以下特点：生产能耗大幅度降低；产量大幅度提高；生产自动化水平特别高,原加热炉的掌握系统大多是单回路外表和继电规律掌握系 PLC 或 统,传动系统也大多是模拟量掌握式的供电装置,现在的加热炉的掌握系统都是DCS 系统,而且大多仍具有二级过程掌握系统和三级生产治理系统；传动系统都是全数字 化的直流或沟通供电装置；本工程是
3、某钢铁集团新建的 式加热炉设备；2 工艺描述 180小口径无缝连轧钢管生产线中的热处理线部分的步进名师归纳总结 本系统的工艺流程图见图1；第 1 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 1 步进式加热炉工艺流程图淬火炉和回火炉均为步进梁式加热炉；装出料方式：侧进,侧出；炉子布料：单排；活动梁和固定梁均为耐热铸钢,顶面带齿形面,直径小于141.3mm 钢管,每个齿槽内放一根钢管；直径大于 153.7mm 的钢管每隔一齿放一根钢管；活动梁升程 180mm,上、下各90mm,齿距为 190mm,步距为 145mm；因此
4、每次步进时,钢管都能转动一角度,使钢管加热匀称,并防止在炉内弯曲变形；步进梁能进行正循环,送循环、单动、点动各种动作,升降时对钢管轻托轻放,前进时缓起缓停,无振动冲击和失控现象；同时,具有踏步功能,踏步时向后步距为 45mm,使钢管在原齿槽内不断转动；固定梁用带保温支柱支撑其顶面高出炉底 环,保证匀称加热；520mm ；使炉气能环绕钢管形成良好的循淬火炉沿炉长方向分为装料段、加热段和保温段；装料段炉顶压低,不装排烟予热钢管三个测量温度点）,以免钢管突然受到强大热流冲击产生弯曲变形；加热段沿炉宽方向分为四个区段进行比例燃烧和温度掌握；保温段沿炉宽方向分 4 区段进行脉冲燃烧和温度掌握 用二套掌握
5、器）,以确保保温区炉温5和保温后钢管全长温度匀称性在 10以内的要求,同时更便利用户掌握钢管端温度,满意淬火需要；淬火炉最高掌握炉温 960,答应 max1050；回火炉沿炉长方向分为装料段,加热段,均温段和保温段；同样装料段不设烧嘴；加热段沿炉宽方向分二个温区,中间 8 个烧嘴为一个温区,两边各 4 个烧嘴合起来为一温区,用一个脉冲掌握器掌握；均温段、保温段沿炉宽方向各分为四区 每二个温区一个控制器）,均采纳脉冲燃烧温度掌握；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用确保炉温掌握 5,保温后钢管
6、全长温度匀称性 10的要求；回火炉最高掌握炉温750,答应max800 为生产高压锅炉管作储备）；淬火炉、回火炉炉内烟气均经装料段下方的八个分烟管引出,进入集烟管,由集烟管 中部引至总烟管,通过空气予热器回收烟气余热,再经烟道由烟囱排入大气；这种方式可 有效防止炉内烟气的偏流；淬、回火炉进出料均采纳侧进,侧出方式；淬火炉装出料悬臂辊采纳斜 80 角安装,使 钢管在入炉和出炉时产生自转并靠向装出料端墙一侧靠齐,其目的是防止钢管入炉时弯曲 并有利装出料定位；3 步进式加热炉生产中的关键掌握技术3.1 生产节奏的掌握步进式加热炉生产中的生产节奏的掌握是特别重要的,在管材线全自动、全连续工作 时,加热
7、炉区的机械设备如进料辊道、步进梁、出料辊道、液压站及其它公辅设施,设备 运行节奏必需高度统一,才能实现管材物流全过程精确定位,以实现全自动、全连续工 作；依据生产调度方案而需要装炉时,通过上料台架输送至装料辊道,经光电开关及金属 探测器而自动输送到炉外辊道上；待炉内装料端空出位置时,自动开启炉门,由其及炉内 辊道托入炉内放置到固定梁上,并由此开头进行炉内的管材物流跟踪；管材通过炉子步进 梁自装料端一步步地移送到炉子的出料端；由装在出料端的光电开关检测到管材边缘并在步进梁完成此时的步距运行后,暂停步进梁的移送动作,PLC 同时测算等待出炉管材的位置；在加热炉接到出钢信号后,再自动开启出料炉门,由
8、出料辊道运至炉外出料辊道上；当金属检测器探测到管材时,在由出料辊道输送至其他设备,进行下一道工艺；管材输送、测量、装出料、物流跟踪以及管材的数据信息交换通过 PLC 和二级运算机 系统进行次序、定时、联锁与规律掌握,实现操作自动化和运算机治理；3.2 加热炉燃烧掌握工业炉的燃烧掌握水平直接影响到生产的各项指标,例如：产品质量、能源消耗等；目前国内的工业炉一般都采纳连续燃烧掌握的形式,即通过掌握燃料、助燃空气流量的大名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求；由
9、于这种连续燃烧掌握的方式往往受到燃料 流量的调剂和测量等环节的制约,所以目前大多数工业炉的掌握成效不佳；随着工业炉工 业的迅猛进展,脉冲式燃烧掌握技术也应运而生,并在国内外得到肯定程度的应用,取得 了良好的使用成效；目前高档工业产品对炉内温度场的匀称性要求较高,对燃烧气氛的稳固可控性要求较 高,使用传统的连续燃烧掌握无法实现；随着宽断面、大容量的工业炉的显现,必需采纳 脉冲燃烧掌握技术才能掌握炉内温度场的匀称性；本系统主要采纳脉冲燃烧系统；它是一种间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过 调剂燃烧时间的占空比 通断比）实现窑炉的温度掌握；燃烧状态下的燃料流量可通过主 燃料掌握阀门在线调剂,燃烧器
10、一旦燃烧,就处于其设计的正确燃烧状态,保证燃烧器燃 烧时的燃气出口速度不变；掌握系统使炉内燃烧器交替燃烧,通过燃气在炉内的不断搅 拌,使炉内温度场匀称分布；当需要升温时,燃烧器燃烧时间加长,间断时间减小；需要 降温时,燃烧器燃烧时间减小,间断时间加长；并依据炉内的设定温度来掌握燃烧时的燃 料流量,当设定温度较低时,将主燃料掌握阀门关小,当设定温度较高时,将主燃料掌握阀门开大,防止炉内处于低温状态时,燃气与炉内的温度差过大,对炉内制品造成的直接 热冲击；脉冲燃烧系统的主要优点为：1）系统简洁牢靠,造价低 2）可提高炉内温度场的匀称性 3）传热效率高,大大降低能耗 4）燃烧器的负荷调剂比大 5）无
11、需在线调整,即可实现空燃比的精确掌握 与传统的比例燃烧掌握相比,脉冲燃烧掌握系统中参加掌握的外表大大削减,仅有温度传感器、掌握器和执行器,省略了大量价格昂贵的流量、压力检测掌握机构；并且,由于只需两位式开关掌握,执行器也由原先的气动 系统的牢靠性,大大降低了系统造价；电动）掌握阀门变为电磁阀门,增加了一般烧嘴的空燃比一般为 1：4 左右,当烧嘴在满负荷工作时,燃气流速、火焰外形、热效率均可达到正确状态,但当烧嘴流量接近其最小流量时,热负荷最小,燃气流速大大降低,火焰外形达不到要求,热效率急剧下降,高速烧嘴工作在满负荷流量 50%以下时,上述各项指标距设计要求就有了较大的差距；脉冲燃烧就不然,无
12、论在何种情形下,烧嘴名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用只有两种工作状态,一种是满负荷工作,另一种是不工作,只是通过调整两种状态的时间 比进行温度调剂,所以采纳脉冲燃烧可补偿烧嘴调剂比低的缺陷,需要低温掌握时仍能保 证烧嘴工作在正确燃烧状态；在使用高速烧嘴时,燃气喷出速度快,使四周形成负压,将 大量炉内烟气吸人主燃气内,进行充分搅拌混合,延长了烟气在炉内的滞留时间,增加了 烟气与制品的接触时间,从而提高了对流传热效率；4 系统简介4.1 系统构成系统拓扑图见图 2；图 2 系统拓扑图本加热炉
13、自动化掌握系统由基础自动化系统L1 ）和过程运算机掌握系统L2 ）共同构成；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用本系统一级基础自动化掌握系统由淬火炉电气传动部分、回火炉电气传动部分和淬火炉仪控部分、回火炉仪控部分四个掌握站；淬火炉电气传动部分 PLC 为 S7 315-2DP 带 4 个 ET200M 从站和 3 个 PROFIBUS-DP 卡的西门子变频器 MM440 系列,实现辊道的顺控,钢管在入炉辊道上的定位掌握,步进梁掌握的功能；淬火炉传动系统采纳变频掌握,变频器是由西门子公司供应的
14、 MM440 系列； 3 个带PROFIBUS-DP 卡的 MM440 系列变频器掌握 3 组辊道；回火炉电气传动部分 PLC 为 S7 315-2DP 带 3 个 ET200M 从站和 2 个带 PROFIBUS-DP卡的西门子变频器 MM440 系列 ,实现辊道的顺控,钢管在入炉辊道上的定位掌握,步进梁掌握的功能；回火炉传动系统采纳变频掌握,变频器是由西门子公司供应的 MM440 系列； 2 个带PROFIBUS-DP 卡的 MM440 系列变频器掌握 2 组辊道；淬火炉仪控部分 PLC 主要由 S7 315-2DP 及功能模板 FM355C 闭环掌握模块构成,每套 PLC 及其相应的 P
15、ID 模块负责掌握淬火炉的全部外表,用来完成加热炉工艺参数的数据采集与过程掌握；采纳西门子 正确燃烧的掌握成效；FM355C 闭环掌握模块掌握加热炉的工艺参数以达到加热炉回火炉仪控部分PLC 与淬火炉仪控部分PLC 的构成与功能基本上是一样的；在过程运算机掌握系统中,淬火炉和回火炉各设置一台运算机,对各自的加热炉系统进行硬件的组态与参数设置、通讯的定义、编写、调试用户程序及画面的监控与数据的纪录,最终实现集中监控和操作；两台运算机为 SIEMENS 工控机,配置为 P4 2.0G,256M ,并且带有工业以太网处理器 CP1613；运算机借助于 CP1613,通过工业以太网光纤交换机 OSM
16、,与 PLC 进行通讯；工业以太网光纤交换机 OSM ,带有两个光纤接口和 6 个电气接口；连接电缆采纳多模纤维光缆,可用于强电磁干扰环境；冗余10M/100M 工业以太网大大提高了网络性能,网络配置和扩展也特别简洁；用两根光缆即可,而且是冗余配置,掌握柜接线也很简洁；名师归纳总结 4.2 编程和组态及功能模块FM355C 第 6 页,共 13 页1）PLC 编程软件采纳STEP7,STEP 7 编程软件在windows2000/XP 下运行； STEP7编程语言供应了特别丰富的指令集,它使复杂功能的编程变得简洁快捷；STEP7 供应了结- - - - - - -精选学习资料 - - - -
17、- - - - - 个人资料整理 仅限学习使用构化的程序设计方法,以块形式治理用户编写的程序和资料,可以通过调用语句将它们组 成结构化的用户程序,增加了程序的可读性和易爱护性；系统为用户供应了大量预先编制 的功能块,用户可直接使用这些功能块,从而大大缩短了编程时间；标准软件包的功能：标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段,如：建立和治理工程 对硬件和通讯作组态和参数赋值 治理符号 S7 可编程掌握器创建程序 创建程序,例如为 下载程序到可编程掌握器 测试自动化系统 诊断设备故障2）运算机上安装的SCADA 软件为 WinCC ,操作系统为windows2000 ；WinCC 具有广泛的应用和极
18、高的兼容性,供应成熟牢靠的操作和高效的组态性能；Wincc 可用于自动化领域中全部的操作员掌握和监控任务；Wincc 可将生产过程中的状态以图像、文字、棒图、曲线或报警形式清晰地表达出来；它同时能够将所发生的大事、过程数据记录下来,供历史数据查询使用；可很便利地组态产生所需的报表格式,按时间 或大事触发打印；Wincc 在 Windows 环境下,通过OLE 和 ODBC 很简洁将其他控件集成到应用软件中；也可通过DDE 方式与其他应用程序进行通信；在Wincc 中,嵌套一个标准C 语言,在工程中,可随便地完成任务；同时可拜访Wincc 的 API 编程接口来达到某些特别功能；Wincc 的具
19、有开放通信协议,支持多种PLC 系统；它有如下功能：3）FM355C 是用于闭环掌握任务的4 通道闭环掌握模块,可用于温度、压力和流量掌握便利用户的在线自优化温度掌握预编程的掌握器结构FM 355C 作为连续动作掌握器4 个模拟输出端用于掌握执行元件CPU 停机或故障后仍能连接运行 FM 355C 掌握器具有以下性能：工厂预制的掌握器结构用于：固定设定点掌握,串联掌握,比例掌握,重量掌握；根名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用据所挑选的掌握器结构,几个掌握器可结合到一个结构中；不同的操作方式
20、 自动 手动 安全方式 跟随方式 后备方式2 种掌握算法 自优化温度掌握算法 PID 算法 本系统应用了模块基本的功能,取得了较好的成效；5 掌握软件的设计本系统的掌握方式有以下几种：1）手动方式：用于设备调试、检修时的操作；2）半自动方式：用于在手动方式下对单体设备的自动掌握；3）自动方式：用于对全部设备的自动掌握；掌握软件设计主要有以下几部分： 辊道掌握 步进梁掌握 炉温掌握 炉压掌握 煤气总管压力掌握 空气总管压力掌握 热风温度掌握 紧急停炉爱护 其中主要的是步进梁的掌握和炉温掌握及紧急停炉爱护,下面主要说一下步进梁控 制、炉温掌握、紧急停炉爱护的掌握思想；名师归纳总结 - - - -
21、- - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用5.1 步进梁掌握步进梁的动作方式有周期方式和踏步方式,周期方式用于运输钢管向前移动,而踏步方式用于等待出钢；步进梁的周期方式：活动梁上升 钢管前进一个齿距；其运行轨迹如下：其运行速度如下图所示：180mm,前进 145mm,下降 180mm,后退 145mm,图 3 步进梁动作轨迹图图 4 步进梁运行速度图在步进梁接近固定梁面时,放慢步进梁的上升速度,以使步进梁轻接触固定梁上的钢 管,同样下降时也是如此；步进梁的掌握系统如图 5；图 5 步进梁掌握原理图名师归纳总结 - - - -
22、- - -第 9 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 步进梁踏步方式：活动梁上升个人资料整理仅限学习使用180mm,后退45mm,下降180mm,前进45mm,钢管在固定梁原齿槽内转动；运行轨迹如下图所示：图 6 步进梁踏步轨迹图5.2 炉温掌握 炉子温区划分淬火炉共 8 个控温区；加热段沿炉宽分四个区,即加热 1、加热 2、加热 3、加热4、；保温段沿炉宽也分 4 个区,即保温 1、保温 2、保温 3 和保温 4；回火炉共 10 个控温区；加热段沿炉宽分二个区,加热 1 为中间段,加热 2 为左右两段组成；均温段沿炉宽分 4 个区,即均温 1、均温 2、均温 3
23、、均温 4；保温段沿炉宽也分 4个区,即保温 1、保温 2、保温 3 和保温 4；以上每个区均为独立控温； 各区炉温的设定方式各区的温度有二种设定方式：手动设定方式：即在工控机上手动转变各区温度设定值对炉温进行设定；程序设定方式：对于不同规格及材质的钢管,按工艺要求对应不同的设定温度,操作者可予先将不同规格和材质的钢管的炉温设定值以数据库形式储存在PLC 内,并在工控机CRT 的钢管挑选界面上,可按需要,通过“ 一触式 ” 软按键对各区炉温进行批量设定； 各区温度的调剂方式采纳 PID 调剂方式,其过程是由热电偶检测来的实际炉温传给FM355 PID 模块,并与该区设定值进行比较,由该模块实现
24、PID 运算并输出420mA 信号,并将此信号传输至Krom 公司的连续掌握或脉冲掌握器的输入端,再去掌握燃烧系统,实现温度掌握；其体掌握过程如下：名师归纳总结 对于淬火炉加热1、加热 2、加热 3、加热 4 四个温区,是采纳德国Krom 公司的比例第 10 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用燃烧连续掌握系统,温度模块的 磁蝶阀开度发生变化,通过空PID 输出 420mA 信号掌握系统的空气电磁蝶阀；空气电 /燃比例调剂阀使烧嘴前煤气压力发生变化,从而使供热发生变化,实现炉温的自动掌握,见图 7；图 7 连续燃
25、烧掌握原理图对于淬火炉的保温 1、保温 2、保温 3、保温 4 四个区和回火炉的各区而言,是采纳德国 Krom公司的脉冲燃烧掌握系统,脉冲掌握器MPT-700,接受 PID 模块的 PID 输出信号并将该信号变成具有脉冲调宽时序信号去掌握脉冲烧嘴的开关时序及开关时间比例,从而达 到调剂空气、煤气的流量,达到掌握炉温的目的；为保证炉温匀称度5和沿钢管全长温度匀称性小于10要求,淬火炉的保温段及回火炉均采纳脉冲燃烧掌握,在脉冲燃烧掌握中,烧嘴只工作在开或关两种状态下,依据 对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求,将烧嘴一次性调至正确工作状态,我们采纳的 是 Krom公司的调温烧嘴,这样对于提高燃烧效
26、率,降低排放物污染程度都有明显成效；其名师归纳总结 掌握系统示意图见图8；第 11 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 8 脉冲燃烧掌握原理图5.3 紧急停炉爱护和连锁1）自动停炉 当发生以下情形时应自动停炉： 车间煤气总管压力超低限 热风压力超低限 冷却水压力超低限或断水 助燃风机故障停转 停电自动停炉过程：总管煤气紧急迫断 2）紧急手动停炉氮气吹扫管道 管道内煤气放散；它用于掌握系统显现故障等特别情形,该系统为独立于 PLC 掌握的联锁系统,由操作者按急停按钮完成停炉；停炉过程仍具有下面联锁功能：总管煤气紧急迫断氮气吹扫管道管道内煤气放散；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用6 终止语本系统设计采纳了先进的自动化技术,达到了加热炉生产的高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求；现在该系统自投运以来,运行稳固牢靠,操作简便,深受现场工作人员的欢迎,达到了比较好的预期成效；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 13 页