棒材加热炉自动控制系统的应用

摘 要 通过对承钢棒材加热炉控制现状及技术难点的分析，提出棒材加热炉自动控制系统的实施方案并给予实现。经过实际运行，自动控制系统稳定性强，满足工艺要求，节能效果明显，有一定的推广作用。

【关键词】加热炉 自动控制 人机交换 安全保护

加热炉热自动控制的目的就是得到满足工艺轧制要求温度的钢坯，提高加热质量，保证最终产品质量的稳定。同时使得加热钢坯过程能耗最低，产生的氧化铁皮量最少。现代加热炉能耗占整个棒材生产线耗能的50%左右，随着轧钢生产的大型化、连续化和高产量、高质量、多品种、节约能源等的要求，采用自动控制技术是实现加热炉控制的发展趋势。同时加热情况的稳定性直接关系到后期产品的质量稳定，必须通过自动控制手段才可以实现。

本文通过对棒材加热炉控制现状与技术难度的分析，提出对加热炉自动控制的方案，从而实现了对整个加热炉90%以上的自动控制，其控制精度及节能效果优于传统控制方式。

1 加热炉现状及系统配置

1.1 加热炉现状

承钢棒材加热炉为双蓄热步进式加热炉，其设计能力为120t（冷装）-200t（热装）/h，可以装炉钢坯长度为6米-12.1米，并可以选择自动进行双排料或单排布料形式，加热炉分为加预热段、加热一段、加热二段、均热段控制加热，配备3台变频鼓风机（两用一备）4台变频引风机助燃，入炉煤气采用高炉煤气。

整个加热炉式复合结构，分段加热，各段加热之间相互耦合，是一个复杂对象，其加热钢坯升温的过程是一个典型的非线性，滞后性强，耦合性强的过程。

1.2 系统配置

加热炉自动控制系统是由西门子PLC400作为系统的主控制器，CPU模块采用两块CPU414-2DP使用MPI做通讯，I/O采用分布式控制结构的ET200系统，现场总线采用profibus-DP的总线结构，将主控制器与现场ET200系统相连接，操作站（HMI）与主控制器通过工业以太网方式相连，可以提供加热温度趋势曲线、入炉钢坯温度、煤气空气流量、出炉钢坯温度的数据，预留二级系统接口，并可以随时接收加热炉发出的设定温度、加热制度数据等。

PLC1控制器主要用以生产过程的逻辑控制及顺序控制，主要是接收数字量的信号，PLC2主要是仪表自动控制系统，主要是接收数模拟量的信号。工作站用于参数设定、操作及修改、报警、事故显示、过程画面和系统状态等。

2 控制系统工程设计

加热炉自动控制系统功能主要分为以下几方面：炉温控制及炉压控制、换向系统控制、入出料控制、安全保护控制及其他一些能源监控等。

2.1 炉温控制及炉压控制

加热炉分为4个燃烧控制段，每段的控制方式相同，在每个燃烧控制段采用4只S型热电偶进行测温，分别为炉顶2只均布，炉墙2只位于钢头尾处布置，每个热电偶的测温信号通过PLC处理后在HMI上显示，系统会自动比对炉顶及炉墙上热电偶的检测结果，当有热电偶出现故障或者燃烧温度异常于要求时，会在操作站报警，提醒岗位人员及维护人员进行确认及维修。

当加热炉进行自动控制设定温度后，每段测量温度会与设定温度进行比较，经过双交叉限幅控制方式，首先对所在区域的电动调节阀进行操作，以达到调控温度的目的，当调节阀开度无法满足要求时，系统会对区域所在的鼓风机、引风机及煤气开度进行调节，直到达到预期设定温度，由于温度提升存在滞后性，整个过程需要至少5-8分钟稳定运行。

加热炉整体采用微正压控制，在炉顶压差变送器将测量值送给PLC，PLC处理后一方面传给自动控制系统，一方面在HMI上显示，在炉压测量中，可能会出现几个区域不一样的情况，在操作站可以设定允许炉压偏差值，使系统自动控制烟道阀门进行打开或关闭操作，从而达到炉压控制的目的。由于加热负荷波动大，我们采取前馈的方式来保证炉压稳定。

2.2 换向系统控制

2.2.1 定时换向

加热炉换向阀自动操作最常用的方式，是段与段之间错开，也就是一侧燃烧对面侧排烟，按照烧嘴燃烧的时间，当某段燃烧到设定时间时，系统进行按照一定的顺序换向。

2.2.2 定温定时换向

每个换向阀蓄热箱有热电偶进行检测温度，首先设定换向定时时间，之后设定换向阀换向定温温度（不可以超过厂家给的最大使用温度），之后系统自动运行，在运行过程中。在换向周期内，只要换向阀超过检测温度，无论时间是否到，换向阀都进行换向，且当温度超过设定温度后，操作站报警。

2.2.3 换向阀报警

系统给出换向命令后，由于长时间阀杆未达到换向的检测位置，系统会出现换向报警，提示维护人员及时处理故障，防止事故扩大，保证系统的稳定运行。

2.3 入出料控制

主要是自动将热对接辊道或上料台架的钢坯实现自动入炉、定位 推钢、步进、出炉及与轧机连锁，控制钢坯出炉的频率，防止钢坯出炉过快或者过慢，避免机架间跟近废钢或影响轧制节奏。此功能主要是在PLC1上进行逻辑处理。同时此功能可以检测出钢温度，当钢温过高或者低于工艺要求时，操作画面会报警，同时出炉辊道变慢或者停止，等待下一步人工指令，并且可以记录每只钢坯的平均温度。

2.4 安全保护控制及其他监控

煤气总管上设有事故自动切断阀，在发生煤气压力低、流量波动大、氮气压力低、步进梁冷却水流量不足等重大事故时自动切断煤气；双PLC功能是为保证万一出现某一个PLC死机情况，另外一个PLC也具备紧急切断及紧急处理功能；另外操作台具有紧急事故人工按钮，它是独立硬件，不与任何判断相连接，是人工处理事故最为紧急可靠的保证。

煤气及其他能源介质是保证加热炉稳定运行的重要条件之一，操作站可以对加热炉使用的净环水、软水、压缩空气、氮气及步进梁冷却水等进行监控，当任何某一指标未达到要求时，操作台会报警，使维护人员进行故障处理，当介质低于某一临界条件时，快切阀动作，切断煤气，加热炉开始自动降温。

3 结束语

承钢棒材加热炉自动系统投用后，系统运行稳定，人机界面友好，操作人员可以方便、快捷的根据现场实际情况进行参数设定及修改，更对以后的工艺及对特殊钢种的加热温度及加热时间也有一定的指导意义。

参考文献

[1]俞金寿著.传热设备的自动调节[M].北京：化学工业出版社，1981.

[2]欣斯基著，方崇智译.过程控制系统[M].北京：化学工业出版社，1982.

作者单位

河北钢铁集团承德分公司 河北省承德市 067000