摘 要：目前，工業控制自動化技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發展。本文通過對步進式加熱爐系統的設計，從而反映出當今自動化技術的發展方向。同時，介紹了軟件設計思想和脈沖式燃燒控制技術原理特點及在本系統的應用。 1 引言 　　加熱爐是軋鋼工業必須配備的熱處理設備。隨著工業自動化技術的不斷發展，現代化的軋鋼廠應該配置大型化的、高度自動化的步進梁式加熱爐，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，以提高其產品的質量，增強產品的市場競爭力。 　　我國軋鋼工業的加熱爐型有推鋼式爐和步進式爐兩種，但推鋼式爐有長度短、 　　產量低，燒損大，操作不當時會粘鋼造成生產上的問題，難以實現管理自動化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點，而步進梁式爐是靠專用的步進機構，在爐內做矩形運動來移送鋼管，鋼管之間可以留出空隙，鋼管和步進梁之間沒有摩擦，出爐鋼管通過托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，鋼管加熱斷面溫差小、加熱均勻，爐長不受限制，產量高，生產操作靈活等特點，其生產符合高產、優質、低耗、節能、無公害以及生產操作自動化的工藝要求。 　　全連續、全自動化步進式加熱爐。這種生產線都具有以下特點: 　　①生產能耗大幅度降低。 　　②產量大幅度提高。 　　③生產自動化水平非常高，原加熱爐的控制系統大多是單回路儀表和繼電邏 　　輯控制系統，傳動系統也大多是模擬量控制式的供電裝置，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。 　　本工程是某鋼鐵集團新建的φ180小口徑無縫連軋鋼管生產線中的熱處理線部分的步進式加熱爐設備。 2 工藝描述 　　本系統的工藝流程圖見圖1 [align=center] 圖1 步進式加熱爐工藝流程圖[/align] 　　淬火爐和回火爐均為步進梁式加熱爐。裝出料方式：側進，側出;爐子布料：單排。活動梁和固定梁均為耐熱鑄鋼，頂面帶齒形面，直徑小于141.3mm鋼管，每個齒槽內放一根鋼管。直徑大于153.7mm的鋼管每隔一齒放一根鋼管。活動梁升程180mm，上、下各90mm，齒距為190mm，步距為145mm。因此每次步進時，鋼管都能轉動一角度，使鋼管加熱均勻，并防止在爐內彎曲變形。步進梁能進行正循環，送循環、單動、點動各種動作，升降時對鋼管輕托輕放，前進時緩起緩停，無振動沖擊和失控現象。同時，具有踏步功能，踏步時向后步距為45mm，使鋼管在原齒槽內不斷轉動。 　　固定梁用帶保溫支柱支撐其頂面高出爐底520mm。使爐氣能圍繞鋼管形成良好的循環，保證均勻加熱。 　　淬火爐沿爐長方向分為裝料段、加熱段和保溫段。裝料段爐頂壓低，不裝排煙予熱鋼管（三個測量溫度點），以免鋼管突然受到強大熱流沖擊產生彎曲變形。 　　加熱段沿爐寬方向分為四個區段進行比例燃燒和溫度控制。保溫段沿爐寬方向分4區段進行脈沖燃燒和溫度控制（用二套控制器），以確保保溫區爐溫±5℃和保溫后鋼管全長溫度均勻性在10℃以內的要求。同時更方便用戶控制鋼管端溫度，滿足淬火需要。 　　淬火爐最高控制爐溫960℃，允許max1050℃。 　　回火爐沿爐長方向分為裝料段，加熱段，均溫段和保溫段。同樣裝料段不設燒嘴。加熱段沿爐寬方向分二個溫區，中間8個燒嘴為一個溫區，兩邊各4個燒嘴合起來為一溫區，用一個脈沖控制器控制。均溫段、保溫段沿爐寬方向各分為四區（每二個溫區一個控制器），均采用脈沖燃燒溫度控制。 　　確保爐溫控制±5℃，保溫后鋼管全長溫度均勻性10℃的要求。 　　回火爐最高控制爐溫750℃，允許max800℃（為生產高壓鍋爐管作儲備）。 　　淬火爐、回火爐爐內煙氣均經裝料段下方的八個分煙管引出，進入集煙管，由集煙管中部引至總煙管，通過空氣予熱器回收煙氣余熱，再經煙道由煙囪排入大氣。這種方式可有效防止爐內煙氣的偏流。 　　淬、回火爐進出料均采用側進，側出方式。淬火爐裝出料懸臂輥采用斜80角安裝，使鋼管在入爐和出爐時產生自轉并靠向裝出料端墻一側靠齊，其目的是防止鋼管入爐時彎曲并有利裝出料定位。 3步進式加熱爐生產中的關鍵控制技術 　　3.1 生產節奏的控制 　　步進式加熱爐生產中的生產節奏的控制是非常重要的，在管材線全自動、全連續工作時，加熱爐區的機械設備如進料輥道、步進梁、出料輥道、液壓站及其它公輔設施，設備運行節奏必須高度統一，才能實現管材物流全過程準確定位，以實現全自動、全連續工作。 　　依據生產調度計劃而需要裝爐時，通過上料臺架輸送至裝料輥道，經光電開關及金屬探測器而自動輸送到爐外輥道上。待爐內裝料端空出位置時，自動開啟爐門，由其及爐內輥道托入爐內放置到固定梁上，并由此開始進行爐內的管材物流跟蹤。管材通過爐子步進梁自裝料端一步步地移送到爐子的出料端。由裝在出料端的光電開關檢測到管材邊緣并在步進梁完成此時的步距運行后，暫停步進梁的移送動作，PLC同時測算等待出爐管材的位置。在加熱爐接到出鋼信號后，再自動開啟出料爐門，由出料輥道運至爐外出料輥道上。當金屬檢測器探測到管材時，在由出料輥道輸送至其他設備，進行下一道工藝。 　　管材輸送、測量、裝出料、物流跟蹤以及管材的數據信息交換通過PLC和二 　　級計算機系統進行順序、定時、聯鎖與邏輯控制，實現操作自動化和計算機管理。 　　3.2 加熱爐燃燒控制 　　工業爐的燃燒控制水平直接影響到生產的各項指標，例如：產品質量、能源消耗等。目前國內的工業爐一般都采用連續燃燒控制的形式，即通過控制燃料、助燃空氣流量的大小來使爐內的溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。由于這種連續燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調節和測量等環節的制約，所以目前大多數工業爐的控制效果不佳。隨著工業爐工業的迅猛發展，脈沖式燃燒控制技術也應運而生，并在國內外得到一定程度的應用，取得了良好的使用效果。 　　目前高檔工業產品對爐內溫度場的均勻性要求較高，對燃燒氣氛的穩定可控性要求較高，使用傳統的連續燃燒控制無法實現。隨著寬斷面、大容量的工業爐的出現，必須采用脈沖燃燒控制技術才能控制爐內溫度場的均勻性。 　　本系統主要采用脈沖燃燒系統。它是一種間斷燃燒的方式，使用脈寬調制技術，通過調節燃燒時間的占空比（通斷比）實現窯爐的溫度控制。燃燒狀態下的燃料流量可通過主燃料控制閥門在線調節，燃燒器一旦燃燒，就處于其設計的最佳燃燒狀態，保證燃燒器燃燒時的燃氣出口速度不變。控制系統使爐內燃燒器交替燃燒，通過燃氣在爐內的不斷攪拌，使爐內溫度場均勻分布。當需要升溫時，燃燒器燃燒時間加長，間斷時間減小;需要降溫時，燃燒器燃燒時間減小，間斷時間加長。并根據爐內的設定溫度來控制燃燒時的燃料流量，當設定溫度較低時，將主燃料控制閥門關小，當設定溫度較高時，將主燃料控制閥門開大，避免爐內處于低溫狀態時，燃氣與爐內的溫度差過大，對爐內制品造成的直接熱沖擊。 　　脈沖燃燒系統的主要優點為： 　　1） 系統簡單可靠，造價低。 　　2） 可提高爐內溫度場的均勻性。 　　3） 傳熱效率高，大大降低能耗。 　　4） 燃燒器的負荷調節比大。 　　5） 無需在線調整，即可實現空燃比的精確控制。 　　與傳統的比例燃燒控制相比，脈沖燃燒控制系統中參與控制的儀表大大減少，僅有溫度傳感器、控制器和執行器，省略了大量價格昂貴的流量、壓力檢測控制機構。并且，由于只需兩位式開關控制，執行器也由原來的氣動（電動）控制閥門變為電磁閥門，增加了系統的可靠性，大大降低了系統造價。 　　普通燒嘴的空燃比一般為1：4左右，當燒嘴在滿負荷工作時，燃氣流速、火焰形狀、熱效率均可達到最佳狀態，但當燒嘴流量接近其最小流量時，熱負荷最小，燃氣流速大大降低，火焰形狀達不到要求，熱效率急劇下降，高速燒嘴工作在滿負荷流量50%以下時，上述各項指標距設計要求就有了較大的差距。脈沖燃燒則不然，無論在何種情況下，燒嘴只有兩種工作狀態，一種是滿負荷工作，另一種是不工作，只是通過調整兩種狀態的時間比進行溫度調節，所以采用脈沖燃燒可彌補燒嘴調節比低的缺陷，需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態。在使用高速燒嘴時，燃氣噴出速度快，使周圍形成負壓，將大量爐內煙氣吸人主燃氣內，進行充分攪拌混合，延長了煙氣在爐內的滯留時間，增加了煙氣與制品的接觸時間，從而提高了對流傳熱效率。 4 系統簡介 　　4.1系統構成 　　系統拓撲圖見圖2 [align=center] 圖2 系統拓撲圖[/align] 　　本加熱爐自動化控制系統由基礎自動化系統（L1）和過程計算機控制系統（L2）共同構成。 　　本系統一級基礎自動化控制系統由淬火爐電氣傳動部分、回火爐電氣傳動部分和淬火爐儀控部分、回火爐儀控部分四個控制站。 　　淬火爐電氣傳動部分PLC為S7 315-2DP帶4個ET200M從站和3個PROFIBUS-DP卡的西門子變頻器MM440系列,實現輥道的順控，鋼管在入爐輥道上的定位控制，步進梁控制的功能。 　　淬火爐傳動系統采用變頻控制，變頻器是由西門子公司提供的MM440系列。3個帶PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制3組輥道。 　　回火爐電氣傳動部分PLC為S7 315-2DP帶3個ET200M從站和2個帶PROFIBUS-DP卡的西門子變頻器MM440系列,實現輥道的順控，鋼管在入爐輥道上的定位控制，步進梁控制的功能。 　　回火爐傳動系統采用變頻控制，變頻器是由西門子公司提供的MM440系列。2個帶PROFIBUS-DP卡的MM440系列變頻器控制2組輥道。 　　淬火爐儀控部分PLC主要由 S7 315-2DP及功能模板FM355C閉環控制模塊構成，每套PLC及其相應的PID模塊負責控制淬火爐的全部儀表，用來完成加熱爐工藝參數的數據采集與過程控制。采用西門子FM355C閉環控制模塊控制加熱爐的工藝參數以達到加熱爐最佳燃燒的控制效果。 　　回火爐儀控部分PLC與淬火爐儀控部分PLC的構成與功能基本上是一樣的。 　　在過程計算機控制系統中，淬火爐和回火爐各設置一臺計算機，對各自的加熱爐系統進行硬件的組態與參數設置、通訊的定義、編寫、調試用戶程序及畫面的監控與數據的紀錄，最終實現集中監控和操作。 　　兩臺計算機為SIEMENS 工控機，配置為P4 2.0G，256M，并且帶有工業以太網處理器CP1613。計算機借助于CP1613，通過工業以太網光纖交換機OSM，與PLC進行通訊。工業以太網光纖交換機OSM，帶有兩個光纖接口和6個電氣接口。連接電纜采用多模纖維光纜，可用于強電磁干擾環境。冗余10M/100M 工業以太網大大提高了網絡性能，網絡配置和擴展也十分簡單。用兩根光纜即可，而且是冗余配置，控制柜接線也很簡單。 　　4.2 編程和組態及功能模塊FM355C 　　（1） PLC編程軟件采用STEP7，STEP 7編程軟件在windows2000/XP 下運行。STEP7編程語言提供了非常豐富的指令集，它使復雜功能的編程變得簡單快捷。 STEP7提供了結構化的程序設計方法，以塊形式管理用戶編寫的程序和資料，可以通過調用語句將它們組成結構化的用戶程序，增加了程序的可讀性和易維護性。系統為用戶提供了大量預先編制的功能塊，用戶可直接使用這些功能塊，從而大大縮短了編程時間。 　　標準軟件包的功能 　　標準軟件支持自動任務創建過程的各個階段，如： 　　· 建立和管理項目 　　· 對硬件和通訊作組態和參數賦值 　　· 管理符號 　　· 創建程序，例如為S7可編程控制器創建程序 　　· 下載程序到可編程控制器 　　· 測試自動化系統 　　· 診斷設備故障 　　（2）計算機上安裝的SCADA軟件為WinCC，操作系統為windows2000 。WinCC具有廣泛的應用和極高的兼容性，提供成熟可靠的操作和高效的組態性能。 　　Wincc可用于自動化領域中所有的操作員控制和監控任務。Wincc可將生產過程中的狀態以圖像、文字、棒圖、曲線或報警形式清楚地表達出來。它同時能夠將所發生的事件、過程數據記錄下來，供歷史數據查詢使用。可很方便地組態產生所需的報表格式，按時間或事件觸發打印。 　　Wincc在Windows環境下，通過OLE和ODBC很容易將其他控件集成到應用軟件中。也可通過DDE方式與其他應用程序進行通信。在Wincc中，嵌套一個標準c語言，在工程中，可隨意地完成任務。同時可訪問Wincc的API編程接口來達到某些特殊功能。Wincc的具有開放通信協議，支持多種PLC系統。 　　（3）FM355C是用于閉環控制任務的4 通道閉環控制模塊， 它有如下功能: 　　• 可用于溫度、壓力和流量控制 　　• 方便用戶的在線自優化溫度控制 　　• 預編程的控制器結構 　　• FM 355C 作為連續動作控制器 　　• 4 個模擬輸出端用于控制執行元件 　　• CPU 停機或故障后仍能連接運行 　　FM 355C 控制器具有下列性能: 　　• 工廠預制的控制器結構用于 固定設定點控制，串聯控制，比例控制，3 分 　　量控制;根據所選擇的控制器結構，幾個控制器可結合到一個結構中。 　　• 不同的操作方式 　　自動 　　手動 　　安全方式 　　跟隨方式 　　后備方式 　　• 2 種控制算法; 　　自優化溫度控制算法 　　PID 算法 　　本系統應用了模塊基本的功能，取得了較好的效果。 5 控制軟件的設計 　　本系統的控制方式有以下幾種： 　　1）手動方式：用于設備調試、檢修時的操作。 　　2）半自動方式：用于在手動方式下對單體設備的自動控制。 　　3）自動方式：用于對所有設備的自動控制。 　　控制軟件設計主要有以下幾部分： 　　● 輥道控制 　　● 步進梁控制 　　● 爐溫控制 　　● 爐壓控制 　　● 煤氣總管壓力控制 　　● 空氣總管壓力控制 　　● 熱風溫度控制 　　● 緊急停爐保護 　　其中主要的是步進梁的控制和爐溫控制及緊急停爐保護，下面主要說一 　　下步進梁控制、爐溫控制、緊急停爐保護的控制思想。 　　5.1步進梁控制 　　步進梁的動作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于運送鋼管向前移動，而踏步方式用于等待出鋼。 　　步進梁的周期方式： 　　活動梁上升180mm，前進145mm，下降180mm，后退145mm，鋼管前進一個齒距。 　　其運行軌跡如下： [align=center] 圖3 步進梁動作軌跡圖[/align] 　　其運行速度如下圖所示： [align=center] 圖4 步進梁運行速度圖[/align] 　　在步進梁接近固定梁面時，放慢步進梁的上升速度，以使步進梁輕接觸固定梁上的鋼管，同樣下降時也是如此。 　　步進梁的控制系統如圖 [align=center] 圖5 步進梁控制原理圖[/align] 　　步進梁踏步方式： 　　活動梁上升180mm，后退45mm，下降180mm，前進45mm 　　鋼管在固定梁原齒槽內轉動。運行軌跡如下圖所示： [align=center] 圖6 步進梁踏步軌跡圖[/align] 　　5.2 爐溫控制 　　● 爐子溫區劃分 　　淬火爐共8個控溫區。加熱段沿爐寬分四個區，即加熱1、加熱2、加熱3、加熱4、。保溫段沿爐寬也分4個區，即保溫1、保溫2、保溫3和保溫4。 　　回火爐共10個控溫區。加熱段沿爐寬分二個區，加熱1為中間段，加熱2為左右兩段組成。均溫段沿爐寬分4個區，即均溫1、均溫2、均溫3、均溫4。保溫段沿爐寬也分4個區，即保溫1、保溫2、保溫3和保溫4。 　　以上每個區均為獨立控溫。 　　● 各區爐溫的設定方式 　　各區的溫度有二種設定方式： 　　手動設定方式： 　　即在工控機上手動改變各區溫度設定值對爐溫進行設定。 　　程序設定方式： 　　對于不同規格及材質的鋼管，按工藝要求對應不同的設定溫度，操作者可予先將不同規格和材質的鋼管的爐溫設定值以數據庫形式保存在PLC內，并在工控機CRT的鋼管選擇界面上，可按需要，通過“一觸式”軟按鍵對各區爐溫進行批量設定。 　　● 各區溫度的調節方式 　　采用PID調節方式，其過程是由熱電偶檢測來的實際爐溫傳給FM355 PID模塊，并與該區設定值進行比較，由該模塊實現PID運算并輸出4～20mA信號，并將此信號傳輸至Krom公司的連續控制或脈沖控制器的輸入端，再去控制燃燒系統，實現溫度控制。 　　其體控制過程如下： 　　對于淬火爐加熱1、加熱2、加熱3、加熱4四個溫區，是采用德國Krom公司的比例燃燒連續控制系統，溫度模塊的PID輸出4～20mA信號控制系統的空氣電磁蝶閥。空氣電磁蝶閥開度發生變化，通過空/燃比例調節閥使燒嘴前煤氣壓力發生變化，從而使供熱發生變化，實現爐溫的自動控制。見圖7 圖7 連續燃燒控制原理圖 　　對于淬火爐的保溫1、保溫2、保溫3、保溫4四個區和回火爐的各區而言，是采用德國Krom公司的脈沖燃燒控制系統，脈沖控制器MPT-700，接受PID模塊的PID輸出信號并將該信號變成具有脈沖調寬時序信號去控制脈沖燒嘴的開關時序及開關時間比例，從而達到調節空氣、煤氣的流量，達到控制爐溫的目的。 　　為保證爐溫均勻度±5℃和沿鋼管全長溫度均勻性小于10℃要求，淬火爐的保溫段及回火爐均采用脈沖燃燒控制，在脈沖燃燒控制中，燒嘴只工作在開或關兩種狀態下，根據對燒嘴的功率、混合比、噴出速度等要求，將燒嘴一次性調至最佳工作狀態，我們采用的是Krom公司的調溫燒嘴，這樣對于提高燃燒效率，降低排放物污染程度都有明顯效果。 　　其控制系統示意圖見圖 8 [align=center] 圖8 脈沖燃燒控制原理圖[/align] 　　5.3 緊急停爐保護和連鎖 　　（1）自動停爐 　　當發生以下情況時應自動停爐： 　　● 車間煤氣總管壓力超低限; 　　● 熱風壓力超低限; 　　● 冷卻水壓力超低限或斷水; 　　● 助燃風機故障停轉; 　　● 停電。 　　自動停爐過程：總管煤氣緊急切斷→氮氣吹掃管道→管道內煤氣放散。 　　（2）緊急手動停爐 　　它用于控制系統出現故障等特殊情況。 　　該系統為獨立于PLC控制的聯鎖系統，由操作者按急停按鈕完成停爐。 　　停爐過程仍具有下面聯鎖功能： 　　總管煤氣緊急切斷→氮氣吹掃管道→管道內煤氣放散。 6 結束語 　　本系統設計采用了先進的自動化技術，達到了加熱爐生產的高產、優質、低耗、節能、無公害以及生產操作自動化的工藝要求。現在該系統自投運以來，運行穩定可靠，操作簡便，深受現場工作人員的歡迎，達到了比較好的預期效果。 參考文獻 　　[1] 陳南岳.現代加熱爐過程控制技術及其數學模型《冶金自動化》1995.5 　　[2] 胡仁安 鋼鐵工業自動化上的新技術《冶金自動化》2001.2 　　[3] 西門子STEP 7編程手冊 《西門子（中國）有限公司》 2003.3 　　[4] 西門子工業通訊網絡及現場總線手冊《西門子（中國）有限公司》2002.2