采用S7 PLC实现步进式加热炉功能.doc

采用S7 PLC实现步进式加热炉 功能 罗国念 王阳蜂(舞钢公司轧钢厂) 摘要 本文重点介绍了步进式加热炉控制系统的硬件配置、网络结构、炉内钢坯跟踪定位和自动控制出钢功能的开发和应用。 关键词 步进式加热炉跟踪定位REALIZE THE FUNCTION OF THE STEP FURNACE WITH S7 PLC LUO GUONIAN (WuYang Iron and Steel Co. Ltd)Abstract This paper introduces the hardware configuration, network, billet track & position and automatic out of the step furnace automation system. Key Words Step Furnace Track & Position 一、项目简介 舞钢公司轧钢厂4200mm 热轧钢板生产线，年产钢板120万吨。其中步进式加热炉是该生产线关键设备，采用SIEMENS STEP-7 PLC实现加热炉的自动控制，效果良好。本文重点介绍系统硬件配置、网络结构、物料跟踪、炉内钢坯跟踪定位和自动控制出钢功能的开发和应用。 二、系统介绍 轧钢生产过程中，钢坯首先进入加热炉，加热到规定的温度后，再进入轧机进行轧制。该加热炉控制部分采用西门子S7-400系列PLC为主站，分别设置9套远程I/O(ET200M)、4台人机界面(HMI)，采用PROFIBUS-DP和MPI现场总线进行连接，实现加热炉外围数据采集、人机数据交换、远程I/O控制为一体的完整、高效网络，从而大大提高了整个系统的可靠性。 三、控制系统构成 1. 硬件配置 整个系统分3部分组成，第一部分为过程控制核心，也可称为主站，是由一套S7-400系列PLC，实现相应的网络管理、I/O控制、通讯处理、计数、主程序控制等功能；第二部分为MPI总线系统：包括1台编程器和4台人机界面（HMI）；第三部分为PROFIBUS-DP总线由9套ET200M组成，负责远程I/O控制。1.2主要硬件配置参数 1.2.1 编程器采用日本TOSHIBA (P450，128M RAM),软件平台为Microsoft Windows2000，编程软件:采用西门子STEP7完成PLC程序编写，采用WinCC建立人机界面。系统设有三台HMI(P800，128M RAM)操作站，分别在装料台、出料台、烧钢台、给水室，实现液压站手动/自动操作控制、炉区设备状态显示、故障诊断、炉内钢坯跟踪等功能。 1.2.2 PLC硬件参数： 主站：SIMATIC S7-400 CPU：416-2DP 128K RAM 从站：SIMATIC ET200M分布式I/O站5套，通过IM153接口模板把ET200M连接到PROFIBUS-DP现场总线上实现网络访问、控制远程I/O模块。 图1 硬件配置1.1.3网络结构与工作原理： 本系统PLC通讯网络分为光纤环网和 PROFIBUS-DP二部分。 1）光纤环网（100M环状光纤以太网冗余） 光纤环网主要连接整个炉区的信息站，将各个工作站的状态传输到炉区任何一个人机界面，便于工作人员查看设备生产状况。同时采用光纤环网与PROFIBUS DP网转换接口模块OLM，在各个从站处进行数据交换。光纤环网速度快，抗干扰能力强。同时光纤环网在各个站点装有信息收集模块OSM ，OSM预留有以太网接口，采用TCP/IP协议，便于维护人员在线观察数据信息。2）PROFIBUS-DP（现场总线网） PROFIBUS是按照DIN19245来进行标准化的。其中PROFIBUS-DP主要用于分布式的远程I/O控制。总线采用一种混合式的访问方法,主站之间采用令牌总线，当主站接受到令牌时，它获得访问总线系统的权力，当规定时间过去后，把令牌传到网络上的下一个主站。从站并不接受令牌，而由所属的主站来直接寻址。允许少量数据的高速循环通讯，具有高度的容错性、数据的完整性、标准信息帧结构、在操作过程中可自由访问每个站等优点。数据传输率可达12Mbps (与传输距离有关),可用双绞线和光缆传输数据，可自动识别从站的数据传输速率。 图2 网络配置2、控制系统完成的功能 加热炉PLC系统完成的主要功能有：整个炉区的钢坯信息跟踪，加热炉步进梁各种运行过程的自动控制；燃烧控制；装料端、出料端自动控制；出钢机行程自动定位；炉内钢坯位置跟踪；预测出钢；步距控制；步进梁升降曲线设定等。其中主要技术难点在于：对炉内炉内钢坯进行实时跟踪，并预测出岀钢位置，实现炉头自动出钢。下面就各个主要功能进行介绍： 21钢坯信息跟踪 为了进行整个炉区的钢坯信息管理与跟踪，对每块钢坯都进行信息管理，建立跟踪数据库，同时钢坯信息随着钢坯在炉区的不同位置进行堆栈储存。当钢坯装上上料辊道上后，输入钢坯的系列号，板坯信息，坯号，卷号，长度，宽度，炉列号。当钢坯随着辊道进行传送时，钢坯信息随着检测元件逐步传到板坯 所在实时位置。2.2加热炉步进梁各种运行过程自动控制 步进式加热炉步进梁正循环为正常生产状态，逆循环主要用于生产异常时倒钢，踏步是为了避免在生产中断时炉内钢坯加热不均造成黑印。正循环分为上升上段、前进段、下降上段、下降下段、后退段、上升下段六个时段，每个时段都是先加速、后匀速、最后减速的过程。在步进梁正循环过程中，关键是步进梁启动的各种工作条件要充分考虑清楚：首先正常情况下推钢机推钢到位，启动步进梁；如果步进梁在“自动启动”状态下，遇到空步标志，且推钢机到达后极限，此时步进梁自动启动；在双步运行中，双步第一步步进梁自动启动。步进梁六个时段顺序控制中，前一个时段的停止标志点是下一个时段运行的必要条件。图3 板坯信息及步进梁动作显示2.3加热炉各段曲线设定 加热炉控制系统中各时段运行速度改变了传统上只用比例阀放大板来实现的做法，而直接在PLC内采用曲线设定，由工程技术人员或操作工直接在计算机上设定各个时段的减速点和停止点。 图4 出钢机速度曲线部分程序2.4出钢机行程自动定位 加热炉PLC系统出钢机行程控制，采用两种定位方式：固定位置和自动定位。固定位置即在HMI上进行行程设定确定出钢机行程；自动定位是利用装在出钢机电机上的编码器 和PLC的计数模块准确记录出钢机的行程，将当前预测出钢的那一只钢到出钢线的距离作为出钢机的前进行程设定，编码器采集的脉冲信号通过计数模块传输给PLC作为出钢机行程的反馈值。为了避免出钢机启动后对步进梁的冲击，在程序中作了APC控制出钢机的运行速度曲线。2.5炉内钢坯位置跟踪及预测出钢 2.5.1炉内钢坯位置跟踪:炉内钢坯位置跟踪是加热炉PLC控制中的一个技术难点，能否得到每支钢坯的准确位置，将会直接影响到能否实现自动出钢。在以往的设计中，钢坯跟踪是靠理论计算的，步进梁每走一步，钢坯位置累加一个步距。而在实际情况中，由于步进梁每一步平移都存在误差，这样一支钢从入炉到处出炉（约需6080步），误差累计后，理论计算位置与实际位置就相差甚远，根本无法实现真正意义上的自动出钢。为了解决这一问题，实现准确跟踪炉内每一只钢的位置，我们采用两个办法：一是在硬件上安装了位置传感器，精确测量步进梁走过的每一步步距；二是在程序上人为的将加热炉的钢坯数据建立一个数据库，包括每一只钢坯的批号、长度、宽度。那么它的属性是否是坯首，是否是空步，以及走过的步距都记录下来，当步进梁走下一步时，这支钢的地址自动加为p+1，相对应的属性坯首和空步标志自动传递到p+1地址中来。 图5步距控制程序框图 2.5.2预测出钢 钢坯实际步距则是已走过的步距加上当前步进梁实际位移之和，从而实现了每一支钢坯位置的在线跟踪。判断累加步距是否大于推钢线到出钢线的距离，如果大于，将出钢缓冲区置位，并将累计步距加上设定执行步距，如果大于推钢线到出钢线的距离，则预测有 钢信号置位，步进梁再走下一步时，自动启动出料端出钢；如果不大于，则预测有钢信号不置位，步进梁再走一步，而出料端不动作。 在实际运行中发现，由于步进梁的误差，有时会造成出钢机行程设定与当前出钢的实际位置存在偏差，为了增加出钢的安全准确性，在炉头处增加了红外激光定位器，检测钢板实际位置，当钢板被检测到时，步进梁按照程序执行停止前进，同时用来计算出钢机自动定位的设定值。 2.6 装钢机的自动运行控制 当板坯自动定位与入炉辊道 A7和A8上时，数据传输控制系统，将该板坯信息进行推刚机的自动行程设定。首先判断炉内最后一块板坯留出的位置是否满足待装钢坯的空间SPACE。若满足，则判断推钢机是否在后极限位。若都满足则推钢机启动，步进梁停止在下降后退位。推钢机的设定行程值为：推钢机的实际行程值板坯宽度WIDE/2板坯间隙DS即可。图6 推钢机控制程序框图3.仪表控制安全连锁逻辑保护系统该系统具有紧急停炉保护连锁功能，当热风压力 、天然气主管压力或氮气压力过低，风机故障 、电气严重故障时，系统立即发出停炉指令，以保护加热炉设备安全。当发生自动停炉时，系统完成以下动作：总管天然气自动切断、氮气吹扫 、热风放散阀自动打开。紧急手动停炉系统独立于PLC控制的硬件连锁系统，用于在特殊情况下，如控制系统出现死机故障时，由操作员通过操作台的急停按扭，完成停炉逻辑。种操作均可实现组开、组关、段开、段关，炉膛两侧相对的两个换向阀成为一组，每一段的8个热风阀与天然气阀成为一段。3.1汽包的 液位和压力控制至关重要下面作以介绍：汽包液位控制系统采用三冲量调节方式。信号取自给水流量 、蒸汽流量及汽包液位。差压变送器同时将液位信号送到PLC控制系统和智能调节器进行三冲量控制。智能调节器用于PLC控制系统的跟踪备用，当PLC出现故障时，智能调节器自动投入运行，确保汽包液位的稳定和控制的可靠。汽包的压力通过两个压力调节阀来控制的。一个压力调节阀的回路与主蒸汽管网相接，另一个调节阀的回路与排大气管相接。从汽包上检测出的压力信号送入压力变送器，压力变送器将压力信号转换为420MA的信号，该信号同时送到PLC控制系统和智能调节器进行压力调节控制。智能调节器