步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_圖文

1、步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)周 沛1, 2何 為 1 張占龍1(1. 重慶大學(xué) , 重慶 400044; 2. 重慶工商大學(xué) , 重慶 400067摘 要 :從分析步進(jìn)式加熱爐工藝著手 , 對(duì)加熱爐的主要設(shè)備 , 如裝鋼機(jī)、 步進(jìn)梁、 出 鋼機(jī)的控制 要素和控 制特點(diǎn)進(jìn) 行了分析。根據(jù)上述分析利用 S7-400編程軟件完成了 PLC 程序 的整體 設(shè)計(jì)。根據(jù) 加熱爐 的工藝 和設(shè)備 分布特 點(diǎn) , 在 W i nCC 環(huán)境下 , 組態(tài)了加熱爐部分監(jiān)控畫(huà)面。 關(guān)鍵詞 :加熱爐 ; 控制系統(tǒng) ; 裝鋼機(jī)中國(guó)分類號(hào) :TG307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1673-1980(2008 05-0

2、068-03收稿日期 :2008-03-19作者簡(jiǎn)介 :周沛 (1977-, 女 , 重慶人 , 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生 , 主要從 事電氣及控制方面的研究。1 步進(jìn)式加熱爐概述現(xiàn)代化的高產(chǎn)量熱軋帶鋼軋機(jī) , 由于對(duì)軋制帶 鋼的厚度尺寸公差、 帶鋼表面質(zhì)量和板型控制的要求日益嚴(yán)格 , 因而對(duì)板坯加熱溫度均勻性和熱板坯 表面的質(zhì)量要求也不斷提高。加熱爐是熱軋帶鋼軋 機(jī)必須配備的熱處理設(shè)備。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的 不斷發(fā)展 , 現(xiàn)代化的熱連軋機(jī)應(yīng)該配置大型化的、 高 度自動(dòng)化的步進(jìn) 式加熱爐 , 其生產(chǎn)應(yīng)符合 高產(chǎn)、 優(yōu) 質(zhì)、 低耗、 節(jié)能、 無(wú)公害以及生產(chǎn)操作自動(dòng)化的工藝 要求 , 以提高

3、其產(chǎn)品的質(zhì)量 , 增強(qiáng)產(chǎn)品 的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 力。步進(jìn)式加熱爐具有以下特點(diǎn) :(1 生產(chǎn)能耗大幅度降低 , 從煉鋼連鑄后開(kāi)始 全連續(xù)的直接生產(chǎn)。(2 產(chǎn)量大幅度提高 , 在 100 104t/a以上。 (3 生產(chǎn)自動(dòng)化水平非常高 , 原加熱爐的控制 系統(tǒng)大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng) , 傳 動(dòng)系統(tǒng)也大多是模擬量控制式供電裝置?，F(xiàn)在的加 熱爐的控制系統(tǒng)都是 PLC 或 DCS 系統(tǒng) , 而且大多還 具有二級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)和三級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng) , 傳動(dòng) 系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置。2 步進(jìn)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(hào)發(fā)給加熱爐 PLC 。同時(shí)把待人

4、爐板坯的有關(guān)數(shù) 據(jù)傳送給加熱爐 PLC , 裝鋼機(jī)待加熱爐內(nèi)有裝鋼空 位 , 即根據(jù)計(jì)算的裝鋼行程裝鋼入爐 , 當(dāng)板坯被入爐 檢測(cè)儀檢測(cè)到時(shí) , 開(kāi)始測(cè)寬。板坯進(jìn)入加熱爐后 , 步進(jìn)梁作周期性的上升、 前 進(jìn)、 下降、 后退運(yùn)動(dòng) , 將板坯移至出爐側(cè)。在板坯到 達(dá)激光檢測(cè)器后 , 步進(jìn)梁走完正在運(yùn)行的步進(jìn)周期 , 即停止運(yùn)動(dòng) , 板坯停留在固定梁上 , 等待出鋼。 當(dāng)二級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá) 出鋼 指令時(shí) , 出鋼機(jī)根據(jù) 計(jì)算出的出鋼行程 , 把板坯從爐內(nèi)送到出爐輥道上。 當(dāng)出鋼機(jī)退回到原點(diǎn)時(shí) , 加熱爐 PLC 將板坯數(shù)據(jù)傳 輸給輥道 PLC , 輥道 PLC 控 制板坯經(jīng) C1輥道向粗 軋傳送。3

5、步進(jìn)式加熱爐 PCL 控制方案概述加熱爐區(qū) PLC 控制的最終目的是保證板坯在 加熱爐內(nèi)順利傳輸 , 維持板坯對(duì)軋機(jī)的供應(yīng)量。這 就需要各種電氣設(shè)備密切配合 , 嚴(yán)格按照時(shí)序動(dòng)作。 將電氣控制系統(tǒng)分為裝鋼機(jī)控制、 步進(jìn)梁控制、 出鋼 機(jī)控制、 汽化控制和液壓站及站內(nèi)設(shè)備控制等五個(gè) 系統(tǒng) , 下面對(duì)前三種控制進(jìn)行介紹。4 步進(jìn)式加熱爐 PLC 控制系統(tǒng)4. 1 裝鋼機(jī)控制系統(tǒng)裝鋼運(yùn)行包括裝鋼機(jī)、 裝料爐門(mén)運(yùn)行控制。裝 鋼機(jī)控制有手動(dòng)、 半自動(dòng)和全自動(dòng)三種操作方式 , 同 時(shí)具有手動(dòng)裝鋼和返鋼、 半自動(dòng)、 全自動(dòng)裝鋼功能。 裝料爐門(mén)控制有就地手動(dòng)、 遠(yuǎn)程手動(dòng)、 自動(dòng)運(yùn)行 3種 控制方式。這里只討論

6、自動(dòng)運(yùn)行控制。裝鋼動(dòng)作順序是 :前進(jìn)推鋼、 升上 、 前進(jìn)、 下降、 后退。其裝鋼自動(dòng)運(yùn)行流程程序如圖 1所示。第 10卷 第 5期 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 2008年 10月圖 1 裝鋼自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖4. 2 步進(jìn)梁控制系統(tǒng)步進(jìn)梁的基本動(dòng)作是上升、 前進(jìn)、 下降、 后退 , 步 進(jìn)梁的任何控制都建立在這 4步基礎(chǔ)之上。其運(yùn)動(dòng) 速度的變化由液壓系統(tǒng)比例閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn) , 而步 進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)極限位置以及運(yùn)動(dòng)速度改變點(diǎn) (位置 分別由升降缸內(nèi)置線性位移傳感器和平移缸內(nèi)置線 性位移傳感器來(lái)確定。在液壓站啟動(dòng)后 , 控制油路上相應(yīng)的電磁閥的 開(kāi)閉 , 使液壓缸動(dòng)作 , 從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁的升降、

7、 平移 , 控制。系統(tǒng)框圖如圖 2所示。圖 2 比例閥控制系統(tǒng)步進(jìn)梁運(yùn)行速度由比例閥開(kāi)度及閥兩端的壓力 差決定。壓力差在調(diào)試完畢后 , 即為固定值。比例 閥開(kāi)度大致與閥內(nèi)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(diào)節(jié)步進(jìn)梁運(yùn)行速度。 4. 3 出鋼機(jī)和出料爐門(mén)控制出鋼運(yùn)行包括出鋼機(jī)、 出料爐門(mén)運(yùn)行控制。出鋼 機(jī)控制有手動(dòng)、 半自動(dòng)和全自動(dòng) 3種操作方式 , 同時(shí) 具有手動(dòng)出鋼和返鋼、 半自動(dòng)、 全自動(dòng)出鋼功能。出 料爐門(mén)控制有就地手動(dòng)、 遠(yuǎn)程手動(dòng)、 自動(dòng)運(yùn)行 3種控 制

8、方式。這里只討論自動(dòng)運(yùn)行控制。當(dāng)板坯到達(dá)出爐側(cè) , 且二級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)出鋼指令 時(shí) , 出鋼料爐門(mén)打開(kāi) , 出鋼機(jī)進(jìn)入爐內(nèi) , 將板坯抬出至 出爐輥道。其出鋼自動(dòng)運(yùn)行流程程序如圖 3 所示。圖 3 出鋼自動(dòng)運(yùn)行流程程序圖5 步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步進(jìn) 式加熱爐控制系統(tǒng)是采用西門(mén)子 PLC 系統(tǒng) 來(lái)實(shí) 現(xiàn)的 , 整個(gè)系統(tǒng) 包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng) , 是一 套完整 的控制系統(tǒng)解決方案 , 下面詳細(xì)介紹實(shí) 現(xiàn)過(guò)程。 5. 1 西門(mén)子 PLC 硬件系統(tǒng)整個(gè)加熱爐 DCS 控制系統(tǒng)具有兩個(gè)顯著特點(diǎn) :一是基礎(chǔ)自動(dòng)化層采用冗余環(huán)結(jié)構(gòu) , 以提高系統(tǒng)的可 靠性和穩(wěn)定性 ; 二是信息層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

9、, 使 得整個(gè)系統(tǒng)具有大容量的數(shù)據(jù)通訊能力和方便的可 擴(kuò)展性。針對(duì)上述特點(diǎn)在硬件選擇上采用以下方式 : (1 選用西門(mén)子公司 S7-400系列 PLC 中的過(guò) 程控制器 CPU414-H 作為整個(gè)加熱爐控制系統(tǒng)的 核心 , 與分布式 I/OET200M 共同組成冗 余的系統(tǒng) 控制站。該產(chǎn)品具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、 可靠性高、 操作 性強(qiáng)、 可維護(hù)性好、 可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。(2 監(jiān)控系統(tǒng)選用研華工控機(jī)、 菲利普 22寸純 平彩色顯示器構(gòu)成其工程師站和操作員站。系統(tǒng)各 操作站是聯(lián)網(wǎng)、 協(xié)調(diào)工作的 , 操作站之間是全透明、 全容錯(cuò)的 , 可以實(shí)現(xiàn)相互代替。采用這種方式使得 本系統(tǒng)具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、 數(shù)據(jù)分布合

10、理、 操作速度快、 人機(jī)界面友好、 使用方便等優(yōu)點(diǎn)。(3 由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) (I EEE E t h er net 802. X 、 SI E -ME NS SI M ATI C NE T 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、 PROFI B US 過(guò)程 現(xiàn)場(chǎng)總線 (E N50, 170 所構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的高可靠性、 無(wú)阻塞和高速度 , 尤其是采用雙環(huán)容錯(cuò)光纖網(wǎng)絡(luò)更有效的保證了網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目宫F(xiàn)場(chǎng)干擾能力和高可靠性。5. 2 軟件系統(tǒng)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)軟件選用 W i n CC6. 0作為 HM I 畫(huà)面的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) , 使用 M icrosoft SQL Ser ver

11、2000作為組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù) 據(jù)庫(kù)。 W inCC 是 W i n dows Contro lCenter(視窗控制中 心 的縮寫(xiě) , 是 SI E ME NS 公司于 2003年底推出的基 于 W indo w s 2000/XP平臺(tái)下的集成化的工控軟件。 它集成了數(shù)據(jù)采集、 組態(tài)、 腳本語(yǔ)言和 OPC 等先進(jìn)技 術(shù) , 具有強(qiáng)大的圖形界面和實(shí)施過(guò)程監(jiān)控功能 , 繼承 了 SI E ME NS 過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)和無(wú)縫集成的 特點(diǎn) , 是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵組成部分。當(dāng) 過(guò)程進(jìn)行操作時(shí) , 它能夠以非常容易讀取的方式顯示 過(guò)程信息 ; 而當(dāng)過(guò)程停機(jī)時(shí) , 它能夠幫助減少停

12、機(jī)時(shí) 間 , 以確保生產(chǎn)過(guò)程更為高效。系統(tǒng)下位機(jī)采 用 Step7編制 軟件。 S tep7是用 于西門(mén)子 S7-300/400系列 PLC 創(chuàng)建 可編程邏輯 控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件 , 可使用多種編程語(yǔ)言 :(1 梯 形圖 (LAD ; (2 功 能 塊 圖 (FBD ; (3 語(yǔ) 句 表 (STL 。它具有以下特點(diǎn) :(1 有很多通用的控制 模塊 , 包括系統(tǒng)本身控制、 處理數(shù)據(jù)通信、 傳統(tǒng)的設(shè) 備控制等幾類 , 這些模塊使得編程簡(jiǎn)單易懂且效率 高 ; (2 對(duì)自動(dòng)化工程各方面具有良好的用戶功能 , 如硬件的配置、 參數(shù)設(shè)置、 通訊的定義、 診斷功能等 ; (3 可以方便地定義經(jīng) M PI 、

13、 Profibus 連接的自動(dòng)化 組件之間的周期性數(shù)據(jù)傳送 ; (4 能快速瀏覽 CP U 數(shù)據(jù)和用戶所寫(xiě)程序在運(yùn)行中的故障原因。5. 3 程序編制電氣控制主要完 成對(duì)輸入開(kāi)關(guān)信 號(hào)的邏輯運(yùn) 算 , 然后發(fā)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(shè)備。程序編制就是一些 典型的控 制環(huán)節(jié)的 組合 :(1 與 關(guān)系控 制 ; (2 或 關(guān)系控制 ; (3 互鎖控制 ; (4 自鎖控制。根據(jù) 前面介紹的系統(tǒng)功能流程圖 , 利用這些基本的環(huán)節(jié) , 就可以對(duì)加熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)行描述了。6 結(jié) 語(yǔ)在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天 , 為了提高自動(dòng)化 水平 , 降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度 , 應(yīng)用計(jì)

14、算機(jī)和一些過(guò)程控 制軟件對(duì)大型、 復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程控制和監(jiān)控 已成為必然趨勢(shì)。在程序編制過(guò)程 中 , PCS7強(qiáng) 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(shù)選項(xiàng)過(guò)多。W inCC 中的 HORN 功能 使語(yǔ)音報(bào)警組態(tài) 容易 且快速。它只需 要錄好報(bào)警的語(yǔ) 音 *. w av 文件 , 在 HORN 功能中使語(yǔ)音報(bào)警與報(bào)警事件相連即可。 W inCC 和 STEP 7結(jié)合 , 合理地分 擔(dān)了上位 機(jī) 監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、 控制的任務(wù) , 充分發(fā)揮了不同 設(shè)備各自的優(yōu)勢(shì) , 是一種有特色、 有前途的計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在系統(tǒng)調(diào)試和投運(yùn)過(guò)程中 ,

15、PCS7系統(tǒng)的硬件診 斷功能強(qiáng)大 , 可幫助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員快速解決問(wèn)題。 PI D 面 板信息量全面 , 在 PI D 參數(shù)整定過(guò)程中可 及時(shí)觀 測(cè)到 P V 值和 OP 值的變化 , 在進(jìn)行回路相關(guān)參 數(shù)的現(xiàn) 場(chǎng)操作時(shí)也很方便 , 為開(kāi)發(fā)人員節(jié)約大 量時(shí)間。參考文獻(xiàn)1張文學(xué) . 現(xiàn)代化步進(jìn)式加熱爐 的發(fā)展 J.工業(yè)爐 , 1995 (l:30-38.2何用梅 . 現(xiàn)代連續(xù)加熱 爐 M.北 京 :冶 金工業(yè)出版 社 , 1981.3耿文 學(xué) . 微 機(jī)可 編 程 序控 制 器原 理 、 使 用 及 應(yīng) 用實(shí) 例 M.北京 :電 子工業(yè)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