工 业 技 术 Science and Technology Innovation Herald 科技创新导报 2010 NO.12 步进加热炉控制系统设计 ( 1 . 北京神雾热能技术有限公司 北京 1 0 2 2 0 0 ; 2 . 河南大河新型建材有限公司 河南漯河 4 6 2 0 0 0 ) 苗君淦 1 苏义军 2 摘 要:主要介绍了西门子S7-400PLC在蓄热式步进加热炉中的应用,简单介绍了加热炉的工艺流程和控制要求、PLC模板和仪表设备的 选 型 、P L C程 序 和W I N C C 画 面 设 计 。 关键词:S7-400 WINCC 蓄热式步进加热炉 汽包 除氧器 中 图 分 类 号 : T G 1 5 5 文章编号:1674-098X(2010)04(c)-0061-02 文 献 标 识 码 : A Design Of Regenerative Walking-Beam Heating Furnace Automatic Control System (1.Beijing shenwu thermal energy technology Co., Ltd;2.Henan dahe new profiles Co.,LTD) MIAO jungan SU yijun Abstract:This paper mainly introduces Siemens S7-400 PLC in the regenerative walking-beam heating furnace application,briefly describes the process of heating furnace and control requirements,Selection of moduls and instrumentation,design of PLC program and WINCC HMI. Key Words:s7-400;WINCC;regenerative walking-beam heating furnace;drum;deaerator 加 热 炉 是 轧 钢 工 业 必 须 配 备 的 热 处 理 设备。随着工业自动化技术的不断发展,现 代 化 的 轧 钢 厂 应 该 配 置 大 型 化 的、高 度 自 动 化 的 步 进 梁 式 加 热 炉 , 其 生 产 应 符 合 高 产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作 自动化的工艺要求, 以提高其产品的质量, 增 强 产 品 的 市 场 竞 争 力 。 1 工艺流程和控制要求 本 钢 厂 使 用 燃 料 为 天 燃 气 , 只 对 助 燃 空 气 经 换 热 器 进 行 预 热 的 单 蓄 热 方 式 , 炉 区分为三段, 步进梁采用汽化冷却方式, 炉 门、横梁等其它设备采用水冷方式。炉内废 气 经 安 装 有 换 热 器、烟 道 闸 板 的 烟 道 排 入 烟 囱。加 热 炉 燃 烧 介 质 和 汽 化 系 统 的 各 参 数 的 稳 定 运 行 非 常 重 要, 它 直 接 影 响 到 烧 坯的质量, 并涉及着安全生产等重大问题。 在 生 产 过 程 中 对 加 热 炉 燃 气 及 空 气 压 力 、 炉压、温度和汽化、水冷系统的稳定有严格 的要求。要想实现这些参数的稳定, 并且达 到 较 好 地 配 比 和 控 制 , 必 须 采 用 可 靠 的 控 制 系 统 和 现 场 仪 表。目 前 有 不 同 的 方 法 可 以 实 现。随 着 微 电 子 技 术 的 发 展, P L C产品 在其功能和性能指标上都大大地丰富和完 善, 因 此 ,我 们 就 应 用 PLC 的 一 些 特 殊 功 能 模 块 和 一 些 普 通 的 I / O 模 块 对 加 热 炉 的 各 个 参 数 进 行 自 动 控 制 , 包 括 前 面 提 到 的 各 种 参 数、以 及 通 过 以 太 网 和 轧 线 还 有 二 级 系 统 进 行 通 讯 。 2 控制系统的结构 根 据 加 热 炉 的 生 产 流 程 和 现 场 设 备 的 要求, 本系统为集散型计算机控制系统( 分 布式I/O), 分 控 炉 区 仪 表, 汽 化 冷 却 仪 表, 水 冷 部 分 检 测 仪 表。中 控 室 设 2 台 装 有 W I N C C 组 态 软 件 的 上 位 机 和 两 面 与 之 配 套 的 P L C 控 制 柜 以 及 一 台 打 印 机 组 成 。 系 统 采 用 以 太 网 和 现 场 总 线 混 合 型 结 构 , 现 场 层 的 通 信 用 P R O F I B U S - D P 主 / 从 协 议 , 不 同 的 子 网 和 不 同 的 介 质 之 间 可 通 过 接 口 模 块 连 接。过 程 监 控 层 使 用 以 太 网 协 议 , 通 过 带 有 双 网 卡 的 P L C 进 行 通 信 协 议 的 转 换 , 一 块 网 卡 为 P R O F I B U S - D P 网 卡 ,另 一 块 为 以 太 网 ( C P 4 4 3 - 1 ) 。P L C 为 现 场 总 线 P R O F I B U S - D P 网 络 中 的 站 点 ; 操 作 员 站 工 控 机、工 程 师 站 工 控 机 为 以 太 网 中 的 节 点 , 此 网 上 的 各 站 点 相 互 之 间 的 数 据 交 换 通 过 以 太 网 进 行 , 通 过 以 太 网 从 P L C 的 寄 存 器 读 取 现 场 的 信 息 , 控 制 现 场 的 参 数 也 由 以 太 网 送 到 D P 主 站 P L C 的 寄 存 器 中, 再通过主/ 从协议传送到现场总线中的 各 从 站 。 过程PLC 控 制 系 统 选 用 西 门 子 S 7 - 4 0 0 的 产 品 。P L C 的 C P U 选 用 C P U 4 1 4 - 2 D P , 其 图 1 系 统 配 置 图 本 身 集 成 了 P R O F I B U S - D P 总 线 的 端 口 , 利 用 这 个 口 实 现 和 远 程 的4 个ET2 00 通 信。工 程 师 站 使 用 研 华 工 控 机。配 置 了 一 台 带 光 口 的 交 换 机。采 用 基 于TCP/IP 协 议 的 工 业 以 太 网 实 现 上 下 位 机 之 间 的 通 讯 , 并 与 公 司 局 域 网 相 连 , 从 而 实 现 整 个 公 司 的 管 控 一 体 化。设 计 方 案 如 图1。 3 功能块的选择 根据工艺需要和控制要求, 本系统需要 数字输入量50点,数字输出量17点,模拟输 出量108点,模拟输出量23点,考虑系统的余 量,选用西门子的SM321的32点DI32*24V数 字量输入模块3块,SM322的 DO32*24V数字 量输出模块2块,SM331 的 8点AI8*12BIT模 拟量输入模块11块,SM331的8点AI8*12BIT 模 拟 量 热 电 偶 输 入 模 块 3 块 , S M 3 3 1 的 8 点 A I 8 * 1 2 B I T 模 拟 量 热 电 阻 输 入 模 块 3 块 , SM332的8点AO8*12BIT模拟量热电阻输入 模块5块,ET200远程I/O模块4块。 4 盘柜的布置 仪表PLC盘 柜 采 用 两 面 在 主 控 室,一台 放 S 7 - 4 0 0 主 机 架 , 包 括 P S 4 0 7 电 源 和 C P - 443模块,和两个ET200机架,另一台放两个 E T 2 0 0机架. 每 个 盘 柜 都 配 有 独 立 的20A 的 S IT O P 电 源 来 对 各 个 模 块 供 电 。 5 现场仪表的选择 选用了31台日本横河EJA差压变送器, 1 台 日 本 横 河 E J A 微 差 压 变 送 器 , 9 台 日 本 横河EJA 压 力 变 送 器 , 3 台 瑞 普 静 压 压 式 液 位计, 2 台 上 海 光 华 的 电 磁 流 量 计 , 1 5只重 庆川仪热电偶,15只重庆川仪热电阻,26台 开 封 流 量 孔 板 . 4 台 电 子 执 行 器 ,19 台 无 锡 万佳气动调节阀,2 台无锡万佳气动球阀,1 台无锡万佳气动快切阀, 3 只宜昌东政压力 开 关 。 6 监控设备选择. 所 选 研 华 工 控 机 , C P U 采 用 主 频 2 . 8 G 、硬 盘8 0 G 、内 存5 1 2 M 、显 存1 2 8 M 、网 卡 ( 下转 6 3 页) 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 61 

工 业 技 术 抗 剥 落 剂 性 能; (8)进行混合 料粘结力试验,按表五要 求 确 定 初 终 凝 时 间 和 开 放 交 通 时 间; (9)按不同沥青用量的磨耗值及砂吸附率 关系绘图,得出沥青用量可选范围;(见《微表 处和稀浆封层技术指南》沥青用量曲线); (10)根 据 原 路 面 及 气 候 条 件 确 定 最 佳 沥 青 用 量。其 基 本 原 则 为: ① 原 路 面 贫 油 干 涩、老 化 严 重, 表面空 隙大, 透水严重, 施工气温低或寒冷地区使 用 可 取 高 限 。 ② 上 述 条 件 相 反 时, 沥 青 用 取 低 值 。 ③ 重 交 通 路 段 及 用 于 修 补 车 辙 时 , 可 用 较 小 的 沥 青 量 。 2 . 3 S B S 改性乳化沥青粘层油的技术要求 在 铺 筑 微 表 处 混 合 料 时 , 需 在 铣 刨 后 的路面上喷洒粘层油。粘层油选用S B S 改 性 乳 化 沥 青 粘 层 油 。 3 微表处施工要求 3 . 1 施工前要求 ① 微 表 处 施 工 前 , 应 对 原 路 面 进 行 检 查, 确认原路面的病害己全部处治, 并达到 规 范 规 定 的 强 度 要 求 后, 方 可 进 行 。 ② 施 工 单 位 必 须 提 供 详 实 的 混 合 料 设 计报告, 并由具有丰富实际经验、有资质的 实验室进行验证性试验, 出具复核报告, 符 合 前 述 技 术 要 求 后 方 可 施 工 。 ③ 微 表 处 必 须 采 用 专 用 机 械 施 工 , 微 Science and Technology Innovation Herald 科技创新导报 2010 NO.12 表 处 摊 铺 机、拌 和 箱 必 须 为 大 功 率 双 轴 强 制拌和式,摊铺槽必须带有两排布料器,摊 铺机必须具有精确计量系统并可记录显示 矿料、乳化沥青等的用量, 当采用微表处修 补 车 辙 时 还 必 须 配 有 专 用 的 V 字 形 车 辙 摊 铺 槽 。 ④施工前,对乳化沥青、矿料、水 ( 饮用 水) 、填 料 进 行 质 量 检 查, 符 合 设 计 要 求 后 方 可 使 用。粗 集 料 中 的 超 粒 径 颗 粒 必 损 筛 除。以 1 % 的 含 水 量 间 隔, 参照T 03 3 1 中 细 集 料 紧 装 密 度 的 测 试 方 法, 检 测 矿 料 在 含 水 量0～7%情况下的单位体积干矿料重量,得 出 矿 料的“ 含 水 量- 单 位 体 积 干 矿 料 重 量 ” 的关系曲线 , 用 于 摊 铺 车 设 定 。 定的相应级配类型的各筛孔通过率上下限, 且以矿料设计级配为基准,施工配合比的矿 料级配中各筛孔通过率不应超过允许波动范 围。施工配合比的油石比或者矿料级配的调 整幅度超出上述规定时,必须重新进行混合 料设计,通过试验段得出的施工配合比和确 定的施工工艺经相关部门认可后,作为正式 施工的依据。不能随意更改。 3 . 2 施工过程的要求 ①施工养生期内的气温应高于10℃。不 得 在 雨 天 施 工。施 工 中 遇 雨 或 者 施 工 后 混 合 料 尚 未 成 型 就 遇 雨 时 , 应 在 雨 后 将 无 法 成 型 的 材 料 铲 除。不 能 在 过 湿 或 积 水 的 路 面 上 进 行 微 表 处 等 的 施 工 。 ⑤ 对 施 工 机 具 进 行 施 工 前 的 检 查 和 标 定, 各种施工机械和辅助工具均应备齐, 并 保 持 良 好 的 施 工 状 态 。 ② 微 表 处 施 工 现 场 的 交 通 控 制 应 严 格 按照《 公 路 养 护 安 全 作 业 规 程 》( J T G H 3 0 ) 的要求进行, 保 障 现 场 作 业 安 全 。 ⑥ 通 过 摊 铺 车 的 标 定 , 得 出 摊 铺 车 各 料门开度或泵的设定等与各材料出料量的 关 系 曲 线, 出 具 标 定 报 告 。 ⑦ 矿 料 掺 配 不 宜 采 用 装 载 机 进 行 ; 应 选 用 具 有 储 料、计 量 和 掺 配 功 能 的 配 料 设 ⑧ 微 表 处 正 式 施 工 前 , 应 选 择 长 度 不 小 于 200m的 路 段 作 为 摊 铺 试 验 段 。 通过试验,确定施工工艺。根据试验段的 摊铺情况,在设计配合比的基础上做小范围 的调整,确定施工的配合比。施工配合比的油 石比不应超出设计油石比+0.2%～0.3%的范 围,施工配合比的矿料级配不应超出下表规 ③ 微 表 处 施 工 前 应 彻 底 清 除 原 路 面 的 泥 土、杂 物 等, 施 画 导 线 , 以 保 证 摊 铺 车 顺 利 行 驶 , 有 路 缘 石、车 道 线 等 作 为 参 照 物 的, 可 不 施 画 导 线。其 施 工 顺 序 为: 清 除 泥 土、杂 物- 喷 水 清 洗 并 晒 干 原 路 面 - 喷 洒 乳 化 沥 青 粘 层 抽 - 摊 铺 车 摊 铺 微 表 处 混 合 料- 手 工 修 复 局 部 施 工 缺 陷 - 初 期 养 护 - 开 放 交 通 。 ④ 喷 洒 粘 层 油、摊 铺 微 表 处 混 合 料,初 期 养 护 等 应 严 格按《 微 表 处 和 稀 浆 封 层 技 术 指 南》等 规 范 进 行 。 参考文献 [1] JTGD50-1006,公路沥青路面设计规范[S]. [2] JTGF40-2004,公路沥青路面施工技术 规范[S]. [3] DB 14/T.160-2007, 公路改性沥青路 面施工技术规范[S]. [4] 微表处和稀浆封层技术指南, 公交便字 [2005]329号. 主要界面包括启动初始画面、燃烧总画面、 汽 化 冷 却 部 分 画 面、报 警 画 面、历 史 曲 线 、 报 表 打 印、仪 表 量 程 设 定、高 低 报 警 设 定 、 事 故 连 锁 关 系 等 , 整 个 系 统 界 面 友 好、直 观、操 纵 方 便 。 当 各 个 画 面 流 程 图 中 点 击 相 应 阀 门 、 或电机位置, 则可弹出对应操作画面, 为了 调试检修方便,把一些I\O点包括量程集中 在 单 独 的 画 面 上 显 示 。 以 本 方 案 为 基 础 设 计 的 加 热 炉 燃 烧 控 制系统、利用了当前先进的硬件、控制系统 软件、网路总线技术, 经应用开发形成了一 套先进、可靠、可利用性高、实时性好、操作 简 单、控 制 品 质 高、经 济 适 用 的 控 制 系 统 。 通 过 半 年 的 实 际 运 行 , 达 到 了 钢 铁 公 司 的 节 能 使 用 要 求 , 运 行 至 今 没 有 出 现 过 任 何 故障, 得 到 了 用 户 的 高 度 评 价 。 参考文献 [1] 陈 进 东 , 潘 丰 . 污 水 处 理 控 制 系 统 设 计 [J].自动化与仪器仪表,2008(6):3～21. [2] 王薇.西门子S7-300 PLC 在造纸研磨系 统 中 的 应 用 . 自 动 化 与 仪 器 仪 表 , 2 0 0 8 (6)～4～09. 表 5 单 层 微 表 处 通 常 的 材 料 用 量 范 围 (上 接 61 页 ) 1块 、D V D 光 区、带 U S B 接 口 、1 9 寸 液 晶 监 视 器 , 键 盘 采 用 工 业 用 标 准 键 盘 , H P 的 A 4 激 光 打 印 机 。 7 PLC的程序设计 在 整 个 控 制 系 统 中 , 自 动 控 制 部 分 主 要 有 : (1)炉区部分和汽化冷却部分 炉 区 部 分 有 燃 气 事 故 切 断 阀 控 制、燃 气 流 量 累 计 及 显 示、燃 气、助 燃 空 气 入 口 压 力 显 示 与 调 节、压 缩 空 气、氮 气 压 力 显 示 报 警、炉 内 温 度、炉 内 压 力、废 气 温 度 显 示 与 控 制 , 空 气 放 散 阀 的 调 节 , 掺 冷 风 机 的 控 制 。 炉区部分控制方案:三段炉内温度控制, 是根据炉内温度、燃气、空气的流量采用双交 叉限幅的控制方式来控制调节阀的开度来达 到控制流量和温度的目的;三段废气管路的 温度、炉内压力、助燃空气管路的压力、燃气 总管压力,这些量都采用PID控制方式来控 制;水封槽、炉坑的液位调节是根据用液位变 送器低高液位来控制开关阀或起停泵;燃气 事故快切阀连锁控制:如果燃气、助燃空气、 压缩空气压力过低,和鼓风机全部停车任一 条件都会使快切阀快速切断。鼓风机开车前, 要小开度以免负载过重。 汽化部分包括两个部分:(1)汽包部分; (2)除氧器部分。 汽 包 部 分 主 要 是 汽 包 压 力 与 液 位 控 制, 给水流量的显示与调节, 其控制方法采 用PID控制方式自动控制,每个阀可实现手 动、自 动 调 节; 并 包 括 循 环 泵 远 程 起 停 , 故 障连锁起停、正常自动连锁起停; 各个水梁 回路流量采集与显示; 投入安全联锁后, 第 一 台 电 动 泵 运 行 , 当 泵 入 口 压 力 与 出 口 压 力 的 差 值 低 与 某 一 设 定 值 时 , 第 二 台 电 动 泵运行, 若在某一时间范围内继续低时, 第 三 台 柴 油 泵 运 行。当 前 两 台 电 动 泵 在 生 产 中出现故障 , 柴 油 泵 自 动 启 动, 保 证 安 全 。 除 氧 器 部 分 主 要 是 除 氧 器 压 力 与 液 位 及温度的自动控制,其控制方法采用PID控 制方式来控制调节阀, 每个阀可实现手动、 自动调节;给水泵及软水泵的远程起停,以 及故障连锁起停、正常自动连锁起停; 各个 水 梁 回 路 流 量 采 集 与 显 示 等 。 8 WINCC的画面设计 上 位 机 采 用 W I N C C 6 . 2 作 为 软 件 平 台 开发了上位机监控界面, 主要完成温度、压 力、流 量、液 位 等 运 行 参 数 的 监 视、故 障 报 警、报表打印、电气远程起停、参数设置、其 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 63