摘 要：在研究并消化了全氫罩式退火爐的工藝和控制技術的基礎上,升級開發了攀鋼全氫罩式退火爐的控制系統;采用了基礎自動化系統和過程計算機兩級架構并銜接生產管理系統，實現了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。 關鍵詞：全氫罩式爐;退火;自動控制 1 引言 　　攀鋼冷軋罩式爐，是上個世紀九十年代初由德國LOI公司設計制造的全氫罩式退火爐，其控制系統是采用早期S5—115U控制系統，備品備件無法購買;原系統也不能支撐目前的生產管理系統，必須進行控制系統的改造升級，以解決控制系統的更新換代和實現罩式爐生產的信息化。全氫罩式爐是一種退火工藝水平很高的罩式退火設備,具有生產效率高、退火產品質量優,介質、能量消耗低等優點,是改善和提高冷軋產品特別是冷軋帶鋼表面質量的重要設備,在冷軋產品的生產中得到了普遍應用。攀鋼信息公司在消化了工藝技術和控制技術的基礎上,對原全氫罩式退火爐的控制系統進行成功升級改造。該自動控制系統以退火溫度曲線為目標，實現退火過程的溫度模糊控制。運行結果表明該自動控制系統升級改造成功，不但減少故障吹掃率,而且提高全氫罩式爐的生產率，也將罩式爐生產系統接入到攀鋼生產管理系統，實現了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。 2 罩式爐退火工藝過程簡述 　　全氫罩式爐設備包括爐臺、內罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下:爐臺裝料,放置內罩并利用液壓裝置壓緊內罩;檢驗H2閥和爐臺內罩密封性,確保系統安全;用氮氣吹掃內罩內空氣,使內罩內氧含量減少到1%以下,為通入氫氣做好準備;在內罩外放置加熱罩,內罩和加熱罩之間為燃燒區間，用空氣吹掃燃燒區間的殘余煤氣。當內罩內氧含量低于1%時,開始加熱點火;并用氫氣置換內罩的氮氣實現全氫氣氛退火過程;退火過程的加熱段、均熱段，控制氫氣流量吹掃;熱密封測試;帶加熱罩冷卻;吊走加熱罩/熱輻散/安裝冷卻罩;冷卻罩冷卻、噴淋水冷卻;用氮氣吹掃爐內氫氣;鋼卷吊運出爐。 3 控制系統設計 　　根據全氫罩式爐工藝的特點和實施自動控制的需要,自動化系統架構采用兩級控制系統和三級網絡系統。兩級控制系統即過程控制計算機（L2）系統和基礎自動化（L1）系統組成;三級網絡由過程控制級以太網、基礎自動化（L1）級以太網及設備級現場總線組成，各分布式I/O站與控制器間以PROFIBUS總線連接。自動化系統配置圖如圖1 所示。 　　按最優性價比的標準,選擇西門子S7系列PLC系統為基礎自動化系統，控制系統設計為一套PLC控制2臺全氫罩式退火爐的系統模式,系統包括組成分布式3個I/O站（爐臺閥站ET200M 、加熱罩 ET200M 、冷卻罩ET200M）、現場總線、OP操作面板和監控顯示系統。在L1高速以太網上設置了2臺服務器，2臺前置數據采集機，1臺開發站，2臺操作站。2臺服務器配置2塊3COM通用以太網卡，一個網卡與前置機進行數據通訊，另一網卡與監控操作員站進行數據交換，以服務器與客戶端的形式完成監控數據的交換和傳遞。2臺前置數據采集計算機1臺正常工作，另1臺熱備冗余，并配置雙網卡，一個網卡與21套PLC進行數據通訊，另一網卡與監控操作員站和數據庫計算機進行數據交換。其中歷史數據庫服務器,主要提供歷史數據保存和訪問，信息服務器主要為實時數據提供訪問，供操作畫面與PLC的數據通訊。監控軟件采用WONDERWARE公司的IAS版本，以客戶/服務器方式工作,完全能夠滿足冷軋39座罩式爐的工藝監控操作、報警消息、歷史數據歸檔、實時數據、退火曲線顯示等要求。 　　L2系統包括一臺數據服務器和1個操作員站，一個維護站，主要實現歷史數據存儲，退火曲線的管理，與冷軋L3系統的聯接。 　　自動控制系統開放性好，采用分布式I/O控制方案,提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力,同時又降低控制系統造價,達到合理配置的目的。控制系統特點如下: 　　（1） 可靠性高 　　采用分布式I/O，PLC、通信網絡和分布式I/O之間相互實行電氣隔離,可徹底防止任一設備故障而影響網絡中其他設備的正常工作，可隨時從網絡中解除或掛入，而不影響網絡系統的運行，信號連接線短，就地處理信號，引入干擾小;模塊供電分散也可以有效地減少由于電源引入的干擾,或電源故障而引起的系統故障。 　　（2） 靈活性好 　　由于工藝改變而需增加信號時,只要將新增信號接入附近分布式I/O柜即可,施工方便。 　　（3） 具有明顯的經濟效益 　　和集中控制方案相比,采用分布式I/O控制方案,可以節省很多電纜投資,所有需進PLC柜的信號接至現場分布式I/O柜即可,從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信網絡電纜,敷設電纜所需的安裝材料及人力也可大量減少。此控制系統的PLC 配置有效地發揮PLC 自身的功能和優勢,并降低系統造價,提高系統的可擴展性、可靠性和實用性。 　　（4） 系統開發性好 　　自動化系統硬件設備、軟件的選型、網絡配置，遵循通用性強、開放性好的原則，便于今后軟件的開發、移植、系統升級以及硬件擴展。 4 控制功能 　　全氫罩式退火爐的退火過程，以鋼卷的鋼種、規格為基礎，接收來自過程計算機的退火溫度曲線為控制目標,完成退火全過程的連鎖控制和回路控制,包括自動點火控制、燃燒過程控制,冷卻風機的運行、循環風機的變頻控制、爐溫爐壓監測與控制、氮氣和氫氣流量控制、冷卻水系統控制、各種閥門操作、事故緊急吹掃控制。控制功能根據工藝過程完成以下的內容: 　　（1） 內罩設置以及內罩夾緊松開裝置的控制。 　　（2） 進行H2閥和爐臺內罩系統的冷態密封性試驗。 　　（3） H2 、N2 的吹掃過程控制以及H2 、N2 流量檢測。 　　（4） 加熱罩的設置和點火,退火過程的加熱和均熱,以及爐臺熱態密封試驗。 　　（5） 冷卻過程的溫度調節。 　　（6） 各種過程變量的監測包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監測、內罩壓力監測、內罩壓力安全裝置監測、控制溫度測量,O2 含量測量、氮氣和氫氣流量監測等以及相關工藝過程的監測控制。 　　（7） 在退火過程中各類故障的檢測以及報警,并根據相應的情況給予特殊情況下的退火處理。 　　（8） 完成和過程計算機的通信,接收來自過程計算機的退火溫度曲線等各類數據（包括各種設定值,如退火時間設定、退火溫度設定、吹掃時間設定、吹掃量設定等）,并把過程監控狀態信息以及故障信息從PLC 傳至過程計算機。 　　（9） 接受生產管理系統下送的生產數據，上傳生產的實際數據。 　　（10）用于測試和維護操作的手動運行功能。 5 重要控制功能的實現 　　5. 1 　爐臺溫度模糊自適應控制 　　加熱程序最多允許有16個時間段來對溫度進行控制，設定每一個時間段的起始溫度和結束溫度，數據可以通過過程計算機設定、在OP操作面板設定以及監控畫面上來進行設定。加熱燒嘴共12個，12個加熱燒嘴分兩層排列，底部第一個燒嘴可用于廢氫燃燒。每個燒嘴配備自己的點火裝置和火焰監控系統。點火前，燃燒空間用最大的助燃空氣吹掃5分鐘。然后點火，所有12個燒嘴都控制，加熱階段時，頂部一排的燒嘴循環控制，底部一排的燒嘴連續控制，加熱完畢到保溫階段時，底部的燒嘴循環控制，頂部燒嘴關閉。如果底部燒嘴不能維持設定點溫度，頂部燒嘴將重新參與進來控制。整個溫度控制根據溫度曲線，自動實現12個噴嘴的模糊開關控制。 　　5. 2 　爐臺循環風機速度自動控制 　　全氫罩式爐循環風機采用無級變頻調速控制，根據加熱情況、鋼卷的鋼種和規格的區別，通過預先選擇的循環風機速度與起始時間和起始溫度的設定曲線來控制。保證了風機速度與氣氛氣體的比重和溫度相匹配，由于熱效率高，退火周期大大縮短，與傳統罩式爐相比縮短了30%～40%，能耗大大降低，顯著降低了電耗。 　　5. 3 　H2流量自動控制 　　氫氣流量控制由伺服電機的開和閉來實現，通過預先選擇的氫氣流量與起始時間和起始溫度的設定曲線來控制。與加熱程序類似，氫氣流量控制也是最多允許有16個時間段來對流量進行控制，設定每一個時間段的流量、時間和起始溫度，曲線數據可以通過過程計算機設定、在OP操作面板或監控畫面上來進行設定。 　　5. 4 　事故吹掃控制 　　出于安全保護的原因，全氫罩式爐在爐內壓力低于2.5mbar，或爐內氧含量高于1%，以及高溫密封測試不合格時，都會產生氮氣緊急吹掃。緊急吹掃后只能在N2氣氛下繼續退火或冷卻，退火周期延長，而且嚴重影響帶鋼表面質量。 　　5. 5　 異常情況的處理 　　由于緊急停電、壓力開關誤報、高溫密封測試沒通過（經確認不是泄漏而產生的密封不合格）而發生的急緊吹掃，吹掃后均可用H2置換爐內的N2。具體操作方法如下： 　　（1）在加熱階段的爐臺由于上述原因造成的緊急吹掃，經確認沒有泄漏，進行如下操作：①關斷加熱罩;②將爐臺置于基本狀態;③啟動N2預吹掃，結束后重新點火;④點火后重新設定退火時間、吹氫流量和時間。退火時間用總的退火時間減去實際退火時間再加1～2h，吹掃時間根據退火時間作相應調整。 　　（2）由于高溫密封測試不合格，經確認非泄漏造成可進行如下操作：①將爐臺置于基本狀態;②啟動N2預吹掃，結束后重新點火;③重新設置加熱和H2吹掃參數，H2吹掃流量：30m3/h，時間：30min。 　　（3）冷卻階段發生的緊急吹掃，結束后采用強制打開H2入口，關N2入口，開N2出口，20min后關出口。 6 結束語 　　攀鋼冷軋全氫罩式爐控制系統的升級改造于2008 年10月投入生產,目前已運行2個月，至今系統運行良好,自動投運率達100 %。板卷的各項性能指標達到生產標準,滿足用戶要求。