應(yīng)用S7-300 PLC進行罩式爐控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

摘要 針對罩式退火爐結(jié)構(gòu)特點及退火工藝要求，以西門子s7-300 PLC為核心控制設(shè)備，采用Pariahs總線實現(xiàn)整個系統(tǒng)的主從站分布式I/O控制，利用西門子Step7軟件實現(xiàn)控溫系統(tǒng)的PID限幅控制和脈沖燃燒控制。實際運行結(jié)果表明，整個系統(tǒng)溫度控制精度高，硬件成本低，很好地滿足了工藝上的要求。

關(guān)鍵詞 罩式退火爐；PLC;脈沖燃燒控制

0 引言

罩式退火爐是目前應(yīng)用較多的一種高效退火設(shè)備，主要用于冷軋卷板產(chǎn)品最后工序的光亮退火處理，由。于其退火質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高，而且燃料消耗低，被廣泛應(yīng)用于各大冷軋產(chǎn)品生產(chǎn)廠。大連萬通工業(yè)裝備有限公司在引進消化大連大學重點實驗室所開發(fā)的先進控制技術(shù)基礎(chǔ)上，于2004年8月承建張家港中原制管廠罩式爐控制系統(tǒng)。針對三爐罩六爐座的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和控制性能要求，設(shè)計過程中著重考慮了以下幾個方面的內(nèi)容：為方便現(xiàn)場操作，采用分布式I/O控制模式；為防止系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，進行PID限幅控制；為保證爐內(nèi)溫度場的均勻性，采用脈沖燃燒控制方式；同時，在對脈沖燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計中，利用西門子公司提供的Step7 V5.2軟件設(shè)計程控脈沖分頻器，即通過PLC的程序運算控制各爐罩燒嘴的啟動、停止及間隔時序，取代以往采用的硬件MPr脈沖分頻設(shè)備，在很大程度上節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)燃燒效率。

l 控制系統(tǒng)硬件配置

針對系統(tǒng)三爐罩六爐座的結(jié)構(gòu)特點，采用西門子S7-300 PLC為核心控制設(shè)備，設(shè)1個PLC主控制站，3個ET200M從站，主從站通Profibus總線實現(xiàn)信息的上下傳輸。由于每個爐罩可根據(jù)實際需要放置到任何一個爐座上，采用分布式控制模式，將每個I/O子站設(shè)在每個爐罩上，爐罩上相應(yīng)的控制信號直接送入子站，子站只需一根Profibus通信總線和一根電源線與PIE總站連接即可，給現(xiàn)場操作帶來很大方便。同時，由于控制室與退火爐間有一定距離，因此采用該控制方式可為廠家節(jié)省很多電纜投資，鋪設(shè)電纜所需的設(shè)備材料和人力資源也可相應(yīng)減少。另外，該系統(tǒng)配置方式具有很好的可擴展性，如果現(xiàn)場工況改變，增加工藝信號或增設(shè)爐罩，可直接將信號就近接入一個I/O子站或再配置其它的I/O子站，施工非常方便。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為方便現(xiàn)場操作人員對系統(tǒng)的監(jiān)視和管理，配置研華工控機一臺，它通過MPI總線實現(xiàn)與s7.300 PIE總站的通信，并設(shè)置上位機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)退火爐流程畫面顯示、參數(shù)調(diào)節(jié)、曲線記錄及報警等功能。

2 系統(tǒng)主要功能

各控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：

（1）燃氣調(diào)壓保護系統(tǒng)。通過過濾器、安全切斷閥、調(diào)壓閥、安全放散閥實現(xiàn)燃氣過濾、高低壓安全切斷、兩次燃氣自動放散、燃氣壓力條件自動控制等功能。

（2）燃氣壓力測試及保護系統(tǒng)。通過管線電磁閥、放散電磁閥、壓力開關(guān)組實現(xiàn)燃氣壓力檢測、安全測漏，分析確認爐子安全點火條件，完成燃氣高低壓保護，安全自鎖切斷，安全連鎖功能，以確保爐子安全點火，防止電磁閥燃氣泄漏產(chǎn)生爆炸，并對快速接頭連接時的燃氣泄漏進行確認。

（3）燃燒系統(tǒng)。由各罩9個燒嘴、相應(yīng)的燃氣電磁閥、空氣電動蝶閥、燒嘴控制器、點火變壓器組成，通過PIE進行脈沖燃燒控制，完成自動點火，火焰檢測，連續(xù)燃燒自動通、斷及冷卻時脈沖供風冷卻，加熱及冷卻過程溫度自動控制，并具有故障熄火保護功能，以確保安全燃燒。

（4）PIE自動控制系統(tǒng)。由顯示器、工控機、打印機及PIE系統(tǒng)組成，本系統(tǒng)實現(xiàn)工藝曲線設(shè)置輸入，并按工藝曲線自動控溫完成脈沖燃燒的加熱、冷卻控制；通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)溫度自動記錄及工藝報表曲線等原始數(shù)據(jù)的處理及打印，并對設(shè)備的斷水保護及爐臺風機高低速的切換實行自動控制；同時，由PLC系統(tǒng)自動進行安全連鎖檢查，確認設(shè)備啟動及運行過程的安全條件，并自動進行安全自鎖并切斷。

（5）風機自動控制系統(tǒng)。由電控元件、變頻器及壓力開關(guān)組成，完成風機啟動、壓力確認及保證低負荷工況風機的平穩(wěn)運行。

針對各系統(tǒng)所要實現(xiàn)的控制功能以及硬件上的系統(tǒng)配置，設(shè)計整個系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。圖2主要是根據(jù)2 加熱罩繪制的。

3 PID限幅溫度控制

罩式爐熱處理過程中，溫度的控制關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度過低，達不到退火的預(yù)期目的；溫度過高將導致過熱，甚至過燒。本爐溫度控制系統(tǒng)采用西門子公司Step7 V5.2設(shè)計完成，應(yīng)用經(jīng)典PID控制算法，考慮到加熱保溫段易產(chǎn)生超調(diào)，根據(jù)實際經(jīng)驗，對PID輸出分3級限幅：過程值超過設(shè)定值8℃時，輸出最高限幅設(shè)為20%;過程值超過設(shè)定值4℃時，輸出最高限幅設(shè)為50%;過程值低于設(shè)定值5℃時，輸出最高限幅設(shè)為80%，最小限幅均設(shè)為20%。如果要進一步提高控制精度，可進一步細化分級，具體限幅形式及限幅值的設(shè)定，在系統(tǒng)調(diào)試時，可根據(jù)實際情況自行設(shè)定和實時修改。同時在上位機監(jiān)視界面，可進行系統(tǒng)的手自動模式切換、PID參數(shù)整定等。PID程序的輸出是送到脈沖控制器用以分頻的最終值，本爐采用脈沖控制方式控制各燒嘴的工作狀態(tài)。

4 脈沖燃燒控制

4.1 原理分析

在工業(yè)爐窯的燃燒控制系統(tǒng)中，對燒嘴的控制一般有兩種方式，即連續(xù)控制及脈沖控制。在連續(xù)燃燒控制方式下，燒嘴的供熱量連續(xù)可調(diào)，各燒嘴處于相同的燃燒狀態(tài)，即大火或小火，爐內(nèi)熱氣流直接上行。采用該控制方式，被加熱件表面容易受熱不均，加熱效率也不高。在脈沖燃燒控制方式下，相對的一對燒嘴的工作狀態(tài)正好相反，一臺燒嘴為大火時，另一臺為小火，可使熱氣流環(huán)形上行，在爐內(nèi)形成均勻的熱力場，這樣工件受熱均勻，加熱效率也大為提高。

本爐燃燒控制系統(tǒng)采用脈沖控制方式，從本質(zhì)上講，脈沖燃燒控制是通過改變燒嘴的啟、停時間及各個燒嘴的工作時序完成的。本爐每個爐罩設(shè)有9個燒嘴，各燒嘴只工作在開/關(guān)兩種狀態(tài)下，系統(tǒng)調(diào)試時，先根據(jù)對燒嘴的功率、混合比、噴出速度等要求將燒嘴一次性調(diào)至最佳狀態(tài)，這樣燒嘴每次啟動，都處于最佳工作狀態(tài)，這對于提高燃燒效率，降低排放物污染水平都具有明顯效果。系統(tǒng)運行時，9個燒嘴根據(jù)程序輸出控制信號分時啟動，每個燒嘴的工作時間是一定的，當供熱量為100%時，每個燒嘴都處于連續(xù)工作狀態(tài)，當供熱量降低為50% 、25% 、12.5% 時，各個燒嘴的停止時間也相應(yīng)延長。圖3為1個爐罩上9個燒嘴的工作時序圖，限于空間只給出控制值為100%和5o%時9個燒嘴的啟動時序。通過此方法可線性地調(diào)節(jié)燒嘴的供熱量，從而調(diào)節(jié)爐子溫度。

脈沖燃燒系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：由于每個燒嘴啟動時都處于其最佳工作狀態(tài)，因而熱效率、能耗、排放物的指標都可大幅度提高；通過高速燒嘴產(chǎn)生的熱氣流，并使多個燒嘴配合工作，可在爐內(nèi)產(chǎn)生分布比較均勻的溫度場，提高被處理工件的加熱質(zhì)量與溫度均勻性；最后，如果選擇或設(shè)計分辨率較高的控制器并配合適當功率的燒嘴，可使系統(tǒng)獲得很高的控制線性度。

4.2 程控脈沖分頻器

在脈沖燃燒控制的應(yīng)用中，大都采用硬件脈沖分頻設(shè)備對輸出控制值OUT進行分頻，給出各燒嘴的控制信號，該方法費用較高。本爐結(jié)合自身特點，應(yīng)用step7 V5.2軟件開發(fā)程控脈沖分頻器，即通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)硬件分頻器的功能。

程序設(shè)計中，先對輸出OUT進行整理，即根據(jù)輸出值大小判斷是加熱還是冷卻，同時計算出用于操作的控制值；輸人脈寬時間，即各燒嘴啟動后的工作時間，該時間可在上位機監(jiān)控畫面根據(jù)實際控制需要手動輸人和調(diào)整；脈沖工作時間循環(huán)，根據(jù)燒嘴個數(shù)，設(shè)置多個定時器，并設(shè)定其工作時間，以控制各燒嘴的啟動時序；對分頻數(shù)進行限位；計算等待時間，即各燒嘴的延時啟動時間；等待循環(huán)，確定各燒嘴的等待時間及時序；最后根據(jù)最終操作數(shù)確定燒嘴工作方式。上述流程如圖4所示。

5 系統(tǒng)運行效果

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行曲線如圖5所示，其中爐罩曲線只作實時監(jiān)控用，并不對其進行控制。由圖可看出，控制曲線從第1加熱段開始，即很好地跟蹤了工藝曲線值，在第l保溫段、第2加熱段、第2保溫段、第l冷卻段，控制曲線和工藝曲線幾乎重合，溫差甚微，很好地滿足了工藝上的要求。系統(tǒng)在冷卻后期實行自然冷卻方式，故不再作控制。

該罩式爐控制系統(tǒng)實際投運以來，運行穩(wěn)定，控制精度高，各段溫差基本控制在±2℃ 內(nèi)，所處理卷板質(zhì)量很好地滿足了廠家及客戶需求，同時在很大程度上為廠家節(jié)省了成本。由于運行效果好，該系統(tǒng)又先后在江陰華西、無錫、揚州等熱處理廠投人使用，控制效果均良好。

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