涟钢热处理线3＃热处理炉自动控制系统设计与应用

冯力力

（湖南华菱涟源钢铁集团有限公司检修中心娄底）

Design and application of automatic control system of no.3 heat treatment furnace of lianyuan steel heat treatment line

［摘要］ 涟钢3#热处理炉工程是公司首条自主集成建设的项目，其中热处理炉自动控制系统从设计、施工、设备安装、调试以及全线的控制模型均由涟钢自主完成。系统主要功能包括轧件跟踪、进出料控制、加热模型设定、脉冲燃烧控制、数据采集通信等。整个自动控制系统由基础自动化级（L1）与过程自动化级（L2）组成，基础自动化采用SIEMENS公司高性能PLC S7-400系统，目前系统运行状况非常稳定，产品质量优良，完全满足现场生产的要求。

［关键词］ 热处理炉、轧件跟踪、PROFINET、脉冲燃烧控制

［Abstract］ This paper introduces Lianyuan steel 3#heat treatment furnace is the company's first independent integration projects,including heat treatment furnace automatic control system from design,construction,equipment installation,commissioning and all control model are completed independently by lianyuan steel.The main functions of the system include:rolling piece tracking,incoming and outgoing material control,heating model setting,pulse combustion control,data acquisition communication,etc.The automatic control system by the basic automation level (L1) and process automation level (L2),high-performance automation using SIEMENS company PLC S7-400 system,the system operation condition is very stable,excellent product quality,fully meet the requirements of field production

［Key Words］ Heat treatment furnace、Rolling piece tracking、PROFINET、Pulse combustion control

一、项目简介

随着国家基础设施建设和汽车限载等实施力度的加强，工程机械用高强钢和自卸车用耐磨钢产品在市场上供不应求，为了进一步增大热处理产品的盈利能力，快速占领市场，公司决定全部依靠自身的力量，争取3～5个月内在2250热轧板厂建成一条年产能约6万t的3#热处理线^［1］。此前热处理线已投产的两座热处理炉均属于中冶南方总包建造，热处理主体设备的燃烧控制模型与物料跟踪均属于核心技术。本次3#热处理炉^［2］（见图1）工程是公司首条自主集成建设项目，其中热处理炉自动控制系统从设计、施工、设备安装、调试以及全线的控制模型全部由涟钢自主完成。目前，系统运行状况非常稳定，产品质量优良，完全满足现场生产的要求。

图1 3＃热处理炉设备总览

二、工艺流程

钢板送到装料辊道上，驱动电动机进行对中与测宽，测宽完成后自动进入炉前三号光电管，完成测长，由于炉底辊的运行速度很低，为确保炉压、炉温及炉内的保护气体稳定，在钢板进出炉时采用高速装卸料。要准确控制炉内钢板的位置、数量、何时装料和卸料等情况，就必须对钢板实行全过程的跟踪控制。通过在炉前、炉内、炉后等多个部位设置光电管、编码器等检测控制元件，实现逻辑运算、误差同步跟踪控制，钢板进入炉内后根据工艺制定的加热制度由加热模型与燃烧控制完成对钢板的加热，钢板出炉后进入快速风冷区，冷却完成进入喷印辊道，喷印完成进入堆垛区，堆垛完成后打包吊走。

三、控制系统组成（见表1和图2）

3#热处理炉自动控制系统主要由基础自动化级（L1）与过程自动化级（L2）组成，基础自动化系统采用SIEMENS公司高性能PLC S7-400系统^［3］，电气控制、仪表控制CPU型号为6ES74143EM060AB0，带PROFINET网接口，配置的远程I/O分别布置在电气室、操作室和就地的现场操作箱内，远程I/O站PROFINET接口模块型号为6ES71534BA000XB0。主机架内配置现场总线PROFINET^［4］和以太网的模块（6GK74431EX200XE0），通过PROFINET和以太网使CPU单元之间、CPU单元与远程的I/O之间、单元与传动控制之间实现动态数据交换，保证整个系统具有良好的控制性能。所有炉底辊电动机配套的变频器均采用西门子高性能G120系列变频器。操作和监控HMI系统采用基于Windows操作系统的SIEMENS公司的WinCC，实现实时状态监控、参数设置、故障报警、历史数据曲线查询等功能。

基础自动化系统通信网络主要由以太网和现场总线PROFINET组成。HMI和PLC之间、基础自动化系统和L2计算机系统之间，采用以太网通信。为更加保障L1网络的稳定性，对现场总线PROFINET进行环网的设计，网络交换机采用SIEMENS公司具有网管功能的SCALANCE X2系列交换机。L1、L2网络要求采用二级网络，区域内所有L1系统均要求联网。

L2系统采用Server/Client结构，由一台高性能PC服务器和一台高性能PC客户端组成，均采用当前主流配置。其中PC服务器置于工程师电气室，用于运行数据库和应用程序；PC客户端置于炉后操作室，供操作人员执行各种指令。L2系统采用Windows 2008 Server操作系统，Oracle 11g数据库、Visual Studio 2012作为开发工具实现L2系统功能。

表1 西门子主要设备清单

四、控制系统功能

一级控制系统主要由仪控和电控两套系统组成，电控系统主要实现上料、对中、测长，进出料，150台炉底辊、空气、排烟电动机的控制及全线的物流跟踪；仪控系统则完成温度、压力、流量的检测调节及喷嘴式加热炉的燃烧控制。二级系统负责生产计划管理、原料管理、钢板上料、热处理实绩管理、喷印管理、出口打包管理、堆垛信息传送以及报表生成。通过对钢板位置的跟踪，实现物流与信息流的自动匹配，根据订单需求，通过对入口捆包的智能分解，实现对出口捆包的自动喷印和自动堆垛。整个控制系统功能如图3所示。

图2 控制系统现场设备图片

图3 控制系统功能总览

1.基础自动化关键技术解决方案

（1）PROFINET设计与应用

基础控制系统主要分为仪控和电控两套系统，仪控主站CPU和各远程站的连接均采用PROFINET，电控主站CPU和所有炉底辊也是采用PROFINET进行通信。仪控系统包括一个主站及六个烧嘴柜，每个烧嘴柜内设计一套带PN接口的远程站，还有现场三个仪表柜（每个柜内设计一套带PN接口的远程站），两个冷却风机（设计带PN接口的变频控制单元）。接口模块选型为IM153-4 PN HF 6ES71534BA000XB0，交换机选用了两个西门子交换机6GK5208-0BA10-2AA3。虽然PN支持一进一出的连接方式，但为使网络更加可靠，将CPU的PN口和两个西门子交换机连成环网（注意西门子交换机默认1#、2#口为环网口），所有设备挂到西门子交换机上，具体结构如图4所示。电控系统中由于炉底辊变频器有155台，故选用了八个西门子6GK5224-0BA00-2AA3交换机（24口），同时还配置了一块通信模块，整个PN设计成两个环网，一个是CPU的PN口和其中4个24口交换机相连成环网，另一个是通信模块的PN口和另外4个24口的交换机相连成环网。具体结构如图5所示。

图4 仪控系统网络结构

图5 电控系统网络结构

（2）炉底辊变频控制功能实现方案

控制系统要准确控制炉内钢板的位置、数量、何时装料和卸料以及保障连续入钢时的安全距离，就必须对钢板实行全过程的跟踪控制，而承载钢板运行的炉底辊变频速度控制则成为跟踪控制准确的最主要保障。原有2#炉炉底辊变频器均为AB品牌变频器，3#炉炉底辊全部采用西门子G120高性能变频器，外部信号状态通过开关量直接与变频器输入输出端子相连（见图6），变频器以状态字、控制字的方式通过PROFINET与主站CPU进行通信。各输入输出端子的定义及控制字、状态字定义如图7所示。主回路开关与变频器之间设计了一个主接触器，主接触器的合闸控制回路由变频器的数字量输出2来控制，合分闸逻辑通过G120变频器中的自由定义块功能来实现（见图8）。变频器柜内布置设计如图9所示。

G120变频器数字量输入定义：

数字量输入1（DI0），事故点动起动/停止；

数字量输入2（DI1），事故点动正转；

数字量输入3（DI2），事故点动反转；

数字量输入4（DI3），事故点动摆动；

数字量输入5（DI4），接触器吸合反馈输入，需将状态实时传给PLC；

数字量输入6（DI5），各种进线电源分闸检测，作为就绪条件（0为电源开关都已合闸；1为电源开关为合闸），需将状态实时传给PLC。

G120变频器数字量输出定义：

数字量输出1，变频器故障，需将状态实时传PLC；

数字量输出2，定义用于接触器合闸（主接触器和风机接触器分合闸）。

图6 变频器与外部信号接线图

（3）脉冲燃烧控制

热处理炉燃烧系统包括109个烧嘴，沿热处理炉长方向布置于炉辊上下。每个辐射管的燃气烧嘴装有一个高性能回流换热器。燃气烧嘴以高效和低氮氧化物排放的方式进行操作。每个烧嘴装有一个高压火花点火器。一个区内同时操作的辐射管数量取决于设定温度和热处理炉产量。辐射管的循环操作由循环控制程序模块完成。每个烧嘴的烟气管道装有排烟罩。在排烟罩处烟气与周围环境空气混合，然后排放到沿炉顶底布置的烟气管道内。燃烧控制采用ON-OFF模式进行，通过控制各烧嘴在一个周期内的通断时间或循环选择烧嘴开启数量控制炉子热负载的供给率，达到炉温控制的目的。在每段燃烧控制过程中，各烧嘴的通断由控制器独立进行，但各烧嘴的启动有一定的时间间隔，这样保证了温度的均匀和总管压力的温定。表2为主要控制策略说明。

图7 G120变频器控制字、状态字定义

图8 G120变频器内部定义分合闸逻辑

图9 西门子G120变频器柜内布置图

表2 主要控制策略说明

2.二级主要系统功能

（1）原料管理

原始数据是指原料的理化特性数据和生产要求数据以及钢板生产顺序号。L2计算机可通过网络从3级机接收将要生产的钢板的原始数据。L2计算机把接收到的数据存于数据库中，在L2计算机系统中可缓存100个原料钢板数据。当3级机或网络发生故障以及3级机不在线时，也可以通过操作站上的操作界面输入以上数据，其中原料数据将按照钢板处理的顺序存储在热处理炉机组L2计算机中。

（2）热处理实绩管理

热处理实绩管理包括数据收集、数据统计和数据存档功能。实际生产数据由基础自动化系统通过OPC数据通信的方式传送给L2计算机，L2计算机收集热处理炉设备的生产数据及各炉段温度等。

（3）根据订单需求，实现自动分包、自动喷印和自动堆垛

由于订单需求不同，大部分钢板入口捆包都需要拆分或者合并才能满足订单需求，这就给生产组织和数据跟踪增加了难度，并且无法自动生成出口捆包号，喷印内容和堆垛也只能手动进行，为了解决这一问题，在钢板入炉时，系统根据检验批号、张数、重量的要求，将捆包进行自动分解，为每一张钢板指定出口捆包号，并通过钢板位置跟踪，在钢板风冷出口，将钢板号和出口捆包号自动发送给喷印机，实现自动喷印，并根据喷印的实际结果，将相同出口捆包号的钢板进行堆垛。在画面上增加了钢板强制插入与吊离操作，以保证钢板加入与吊离后系统内钢板顺序变化与实物一致。

五、实施心得总结

由于西门子公司技术支持人员的大力支持，以及自身技术人员的前期钻研和培训，整个项目实施顺利，有几点经验总结如下：

1）由于PN要配置IP地址，在配置前一定要将项目中所有用到的设备IP地址统一规划好，比如变频器、CPU、远程站、工程师站、操作站等，避免IP地址冲突，同时PN要求每个设备要有一个设备名，尽量不要用默认的，避免设备名重名。

2）要选用支持PN协议的交换机，便于网络的调试及组态和故障判断。

3）配置环网时，西门子公司默认的环网口是1#口和2#口，所以环网相连的线要接在1#口和2#口，当然也可以在配置中更改成其他口。

4）由于原炉底辊变频器是AB变频器，AB变频器控制字和状态字中的每位定义与西门子控制字和状态字不相同，同时AB变频器都是采用脉冲命令，注意这两点对AB变频器改成西门子变频器有非常大的帮助。

六、应用效果（见图10）

整个项目历经三个月，2018年1月6日点火，1月18日正式生产，一个月后达产达效，目前系统运行状况非常稳定，产品质量优良，完全满足现场生产的要求。

图10 运行效果展示

参考文献

［1］周敬恩.热处理手册（第1卷）：工艺基础［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］王淑花.热处理设备［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.

［3］西门子（中国）有限公司.西门子400硬件手册［Z］：上册.

［4］崔坚.西门子工业网络通信指南［M］.北京：机械工业出版社，2004.