江苏诚德钢管厂φ18m环形炉仪表自动化控制特点及应用

摘 要：该文通过对江苏诚德钢管厂φ18m环形炉仪表的介绍并结合现场生产的实际情况，论述了加热炉控制系统的工作原理及仪表选型，反映出当今自动化技术的发展方向。

关键词：环形加热炉 燃烧控制系统 炉温控制

中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0200-02

1 工艺流程描述

钢坯经炉前夹料装置送入环形炉内，通过炉底传动设备，根据工艺要求的升温曲线，经预热段、加热I段、加热II段、均热段四段的均匀加热，通过出料夹钳将加热后的坯料送入出料辊道，经穿孔、均整、再加热、定径、酸洗等工艺程序，最终送入成品库记录。

2 控制系统

2.1 控制系统的设计

本加热炉控制系统基于WINDOWS XP操作系统平台，采用SIEMENS公司的S7-300控制系统配以ET-200M分布式I/O对整个系统进行数据的采集、状态监视和过程控制。使用SIEMENS公司的STEP7 V5.5编程软件，完成系统硬件组态及加热炉应用程序的设计。采用WINCC 7.0上位软件进行画面制作，操作员通过这些画面完成现场工艺参数和设备运行状态的监视和操作。

2.2 环形炉检测项目与报警、联锁项目简介

本环形加热炉分为预热段、加热I段、加热II段和均热段四段，燃料为天然气。空气经换热器预热进入炉膛，通过这种换热方式，可以保持良好的工作状况，节约热能。天然气总管上设切断阀，正常工作时切断阀打开，天然气低压、空气低压时切断阀自动切断。天然气支管和空气支管上设调节阀，自动或手动调节天然气和空气流量，以控制炉膛温度。燃烧时空气和天然气流量应保持一定比例，称为空燃比，以保证最佳燃烧效果。空燃比一般设定在10.0左右。烟道上设置烟道闸板以调节炉膛压力，保证炉膛压力为微正压（设定值在10Pa～15Pa之间）。热空气管道设热风放散阀门，当热风温度过高（高于450℃）时，热风放散阀门自动进行PID调节，降低热风温度保证后续设备的使用寿命。烟道处设掺冷风机与掺冷风阀门，当烟气温度过高，打开风机与阀门，为烟气降温以保护换热器。

2.3 燃烧控制系统

环形炉燃烧系统采用连续双交叉限幅燃烧控制方式。这种交叉式控制为国内环形炉比较常用的燃烧方式，通过这种燃烧方式，可以保持良好的工作状况，节约热能，稳定的控制炉温，适应了诚德钢厂高效率生产的要求。在环形炉操作过程中，炉温是关系到成品质量的关键参数，科学的空燃比控制是关系到燃烧是否充分的重要参数。空燃比过高，钢坯氧化严重，氧化皮层厚，影响成品产能，废气增多，热量损失严重；空燃比过低，使燃气不能完全燃烧，浪费了燃料并污染环境。采用双交叉式限幅控制方式，即以炉膛温度为主环，空燃气交叉控制为副环的炉温控制回路。炉温低于设定值时，先增空气流量后增加燃气流量，炉温高于设定值时，先减少燃气流量后再减空气流量，实现空气、燃气交叉控制。保证空燃比的合理性及炉膛温度的可控性。下面将以预热段为例，讲述炉温的具体控制过程，预热段、加热段与之相同。

预热段炉温控制系统包括炉膛温度检测与炉温调节两部分，预热段的检测与流程控制图见图1。

炉温监测系统共设2支S型热电偶检测炉温，其检测参数可根据用户需求选择取高值、低值或平均值作为炉温调节的被控变量，并保证其中一支热电偶故障后自动换另一只作为被控参量。如检测到2只热电偶都有故障，程序自动使空气阀门与燃气阀门保持原位，并以闪烁文字形式提醒操作人员排除故障，保证生产继续进行。

炉温调节系统在预热段的燃气管道、空气管道各安装一台流量孔板与一台低负载气动蝶阀，流量检测参数作为副回路的被控参数，蝶阀作为执行器。当加热炉正常生产时，控制器接收来自现场的预热段的温度值，通过用户程序的PID运算及一系列边界条件的处理输出控制信号，控制空气段管与燃气段管上调节阀的开度改变该段空气流量与天然气流量，使之在合理的空燃比（10.0）范围内充分燃烧。

2.4 PLC系统配置即网络拓扑结构

PLC系统采用两层网络，分别为：上位操作站与PLC之间的通讯网及PLC与现场设备之间的现场设备网，两层网络均为总线型拓扑结构。其中控制网采用标准工业以太网；现场设备网采用Profibus-DP现场总线。

加热炉仪控单独采用一套PLC，传动单独采用一套PLC，两套PLC之间通过工业以太网连接，传输介质为光纤。

仪控PLC下挂现场总线分布式I/O模块，PLC及现场总线I/O模块均采用德国SIEMENS公司的S7-300系列产品，现场总线分布式I/O模块采用德国西门子公司的ET-200M系列产品。现场总线网络采用Profibus-DP协议。

2.5 控制系统的特点

1）先进的双交叉燃烧控制系统完成对炉温、空燃比的精确控制，从根本上提高了加热炉的能源利用率，并保证了钢坯加热的质量；特别是对天然气燃料的合理利用，大大降低了烧损；既满足生产的需要，又减少了废气的排放，并有效的节约了能源；

2）现场仪表具有较高的精度和稳定性，为整个燃烧系统的可靠运行提供保障；

3）简单实用的人机界面，降低了工人的工作强度，改善了工人的劳动条件。

参考文献

[1] 蒋利军，姜建国，付涛，等.加热炉燃烧控制技术分析[J].山东冶金，2006（2）.

[2] 曹世海.加热炉燃烧控制系统的几项改进措施[J].冶金自动化，2002（4）.