热处理区(电气篇)

热处理区 电气设备篇 宝钢特钢热轧厂培训教材 热处理区主要设备构成 1 固溶淬火热处理线2 高温固溶热处理线小冷床冷矫直机堆垛装置等离子切割机 1 热处理线 2 热处理线 小冷床 冷矫直机 热处理区设备平面布置 1 固溶淬火热处理线 第一章绪论 一 概述 在炉卷轧机后道C D跨20至30号柱之间设置连续固溶热处理作业线一条 主要用于固溶 正火 退火热处理 年热处理为111540t a 计划作业时间7800小时 该热处理炉生产线由受料辊道 1 辊底式热处理炉 淬火机 输出辊道 冷却室 水处理系统组成 总长度约118m 不包括冷却室 冷却室辊道长度约12m 计划装炉的钢板由行车吊运至受料辊道对中 当允许入炉 受料辊道与炉内入口段辊道同步将钢板送入炉内 钢板在炉内以设定速度前进或摆动 经加热 均热达到出炉端 炉内出口段辊道与淬火机辊道同步将钢板送出炉外 如是正火 退火热处理 钢板将快速穿过淬火机 不进行喷水冷却 如是固溶热处理 钢板将按淬火要求的速度通过淬火机 同时喷水快速冷却 二 主要设备组成 上料辊道1 辊底式热处理炉燃烧系统管道系统淬火机淬火机输出辊道冷却室炉区液压站炉区润滑站三电系统 三 简易工艺流程 1 上料 对中和测长2 装炉和钢板炉内运动3 出炉通过淬火机组4 冷却室冷却 第二章供配电系统 一 概况 两路单独的AC380V 50Hz电源 送至热处理线电气室 低压配电柜包括1次配电柜和二次配电柜 各配电柜均留有一定的备用回路 一次配电柜提供热处理线的主要动力电源 二次配电柜主要提供小动力电源 热处理炉区 淬火机区 提升液压站 冷却室区共用1套可自动切换两路电源的低压配电系统 在线使用的电机额定总电流为2883A 其它设备所需电流约600A 因此选用3200A断路器作为两路电源的输入开关 正常工作时 两路电源各承担总负载的50 当两路电源的任何一路出现故障后 另一路电源将承担全部负载的供电 进线柜配置智能型电量计量装置 二 配电系统单线图 第三章电气传动系统 一 辊底式热处理炉的电气传动 低压恒速电机采用MCC控制 助燃风机和排烟风机采用软启动控制 辊道电机采用变频调速系统 二 主要电气传动设备 西门子6SE7变频器 施耐德AT48软启动器 变频器热备技术辊底式热处理炉上的应用 根据以往热处理炉的使用经验 由变频器故障引起的炉内辊道停止转动的现象经常发生 为此在辊底式连续热处理炉炉辊传动设计上进行了改进 决定采用变频器热备技术 以此减少由炉内辊道变频器故障引起的热处理炉熄火的现象发生 降低高价值炉辊的损耗 炉辊传动变频器热备方案 1 辊底式热处理炉共有137根炉内辊道 其中辊面速度为0 5 20m min的辊道有117根 电机功率2 2KW 辊面速度为0 5 40m min的辊道有20根 电机功率3KW 由于调速范围大 故采用一根辊道配置一台电机 一台变频器 一个编码器 炉内辊道传动一共配置137台变频器 从变频柜内部布置 一个柜最多布置8台变频器 和运行成本考虑 我们决定采取七用一备的变频器热备方案 以一组炉内辊道为例 配置方案为七用一备 即下图中最右边的变频器为备用变频器 在PLC接到其他工作变频器的故障信号之后 断开故障变频与电机之间的接触器 并闭合备用变频器与电机之间的接触器 以达到热备用的目的 在故障解除后自动切换为正常状态 详见以下变频柜主回路图 以一个变频柜为例 第四章电气自动化系统 一 自动化系统配置图 PLC配置 采用S7 400系列产品作为1 固溶淬火热处理线L1的核心控制设备 以实现热处理线的电气 仪表的检测 控制 基础自动化采用S7 400系统 包括电气控制 仪表控制 通用部分三部分 总共由3套PLC组成 1套PLC用于电气部分 负责热处理炉 淬火机和冷却室的顺序控制 1套PLC连结5套ET200M远程I O 1套PLC用于热处理炉仪表控制 I O系统配置 采用ET200远程站作为I O系统的主要设备 用于对各种I O数据的收集和控制输出 其中 仪表I O用于温度 压力 流量等信号的输入 各种调节阀 开关阀的控制输出 电气I O用于各种设备的位置信号 坯料位置信号的输入 以及MCC 变频装置的启 停信号的输出 MCC的重要信号 诸如电机的启动方式 运行状态 主短路器准备好及故障状态通过控制继电器的辅助触点送给PLC系统 操作人员和维护工程师可以控制MCC的运行状态并可通过HMI的报警信息 了解所发生的故障 HMI的配置 全线共配置1台服务器和3台客户机 其中1台客户机用于上料和热处理炉操作及监控 1台客户机用于热处理炉仪表操作和监控 1台客户机用于淬火机和冷却室的操作及监控 工程师站配置同过程机服务器 本系统所称人机界面系统 HMI 从系统分级来说包括两部分 一部分为过程控制级HMI 用于显示和处理过程控制信息 另一部分为基础自动化级HMI 用于显示和处理基础自动化信息 因为在网络上实现共享 同一台HMI既可显示来自过程计算机的信息 也可显示来自基础自动化的信息 是完全等同的 可以选用统一的型号和配置 控制系统网络组态 1 系统通信网本系统采用TCP IP以太网网络连接 完成PLC控制器与监控计算机HMI之间以及L2级之间的数据传递 信号联络和通讯 2 传动通信网本PLC与热处理生产线的其他PLC的通讯通过工业以太网实现 本系统采用PROFIBUS网进行PLC控制器与各传动装置之间的数据交换与通讯 3 分布式I O网络本系统采用PROFIBUSDP网进行PLC控制器与各I O站 ET 200M 之间的数据交换与通讯 三 自动化控制功能 1 顺序连锁控制1 上料区辊道控制2 刷辊的控制 3 板坯入炉联锁控制4 炉内辊道控制5 钢板炉内位置跟踪 2 仪表控制系统自动化仪表控制系统完成对加热炉生产过程中各种参量 数据的采集 输入输出信号的变换 处理 显示 计录 累积 运算 联锁报警 回路控制 逻辑控制等功能 1 主要检测 控制项目2 温度控制3 炉压控制4 天燃气压力控制5 助燃空气压力控制6 排烟风机控制7 安全连锁逻辑保护控制 上料区辊道控制 用途 完成钢板在上料区的对中 称重 测长和定位 操作地点 就地操作箱 主操作台和主操作室HMI 传动方式 辊道分组变频传动 检测元件 冷金属检测器 JS1 JS3 增量编码器PLG 联锁设备 炉内进料段辊道 装料炉门的相关信号 控制说明 参见下如下示意图 炉外装料辊到分为3组 为变频成组传动 第一组为上料辊道 第二组为对中称重辊道组 第二组为测长及入炉辊道组 对中后的钢板以低速 同步地进入测长辊道组 当板头被JS2捕捉到 PLC开始对编码器的转数计数 当板尾被JS1捕捉 则辊道组停止并停止计数 这样钢板的长度就可以测量出来 同时也确定了钢板的起始位置 其中JS3用来确定装料炉门的联锁控制 当测长完毕 钢板的长度以及钢板的确切位置就被PLC记录下来 用做后续快速装钢的初始数据 测长原理 当钢板头部经过第2个金属检测器时 编码器开始计数 当钢板尾部通过第1金属检测器时 编码器计数停止 得出电机转过的圈数n 则钢板的长度为 L L0 n D i式中 L1为第1个金属检测器和第2个金属检测器之间的距离 D为辊子直径 i为减速机速比 刷辊的控制 用途 完成钢板底部微小的 金属 颗粒的清扫操作地点 就地操作箱 与上料辊道合并 主操作台和主操作室HMI传动方式 变频传动联锁设备 炉前辊道控制说明 当自动装炉时 PLC将在钢板到达辊刷组之前自动启动辊刷组 辊刷组的速度将根据钢板的运行速度自动调节 以保证表面清理效果 钢板通过后辊刷组自动停止 也可以人工控制辊刷组 炉内辊道的控制 用途 完成钢板在炉内的输送 摆动 出料 操作地点 就地操作箱 主操作台和主操作室HMI 传动方式 所有辊道的单独变频传动 检测元件 7台炉内激光检测装置 JG1 JG7 和1台出炉热检 联锁设备 炉外上料区辊道组 装料炉门 出料炉门 出料辊道 当JS3检测有钢 有跟踪知道炉内入炉辊道组无钢 则装料炉门打开 钢板快速进入炉内 直到JG1检测到钢板尾部 关闭装料炉门 由于炉内的辊道是单独变频传动 因此可以保证由PLC控制到每根辊道的加速减速 钢板出炉的控制 当JG7检测到钢板的头部 并且钢板达到计算温度 淬火机准备就绪可以接收新钢板 出料炉门就可以开到工作高度 提升辊道速度与淬火机控制系统辊道设定速度一致 在钢板尾部通过炉门处检测器JG8后 出料炉门就可以再次关闭 同时 当钢板的尾部离开某根辊道时 该辊道速度自动下降到低速运转 如果钢板不能出炉 那就在JG6和JG7之间摆动 注意 如果淬火机和炉内出料辊道T2没有空闲 钢板不能出炉 钢板的炉内跟踪及位置修正 由于辊道的速度是由电机的转速确定的 同时采用高性能 带开环矢量控制的变频装置 我们完全可以根据变频器的输出频率 计算承载辊道的转速 在预知钢板初始位置的情况下 计算出每块钢板在炉内的确切位置 考虑到钢板在辊道上的打滑因素 我们在炉内的适当位置 设置3台激光检测装置 用于对钢板位置的修正 即当钢板在两个激光装置之间时 由辊道的转速计算钢板的位置 当行进到激光检测装置时 则将钢板的位置信息进行校正 这样就消除了钢板在全行程中的行走误差 保证钢板位置跟踪的相对准确性 直至出炉 钢板在炉内运送过程的位置误差可控制在100mm 系统安全连锁控制 装料辊道与炉门的安全连锁控制 出料辊道与炉门的安全连锁控制 摆动加热时的限位连锁控制 仪表控制安全连锁逻辑保护系统 淬火机本体控制功能 1 数据采集和处理 2 高压段喷水电动阀开度流量调节控制 3 低压段喷水电动阀开度流量调节控制 4 高压段喷水快速开闭开关控制 5 低压段喷水快速开闭开关控制 6 高压段喷水流量的比率控制 7 低压段喷水流量的比率控制 8 气雾冷却段冷却介质流量的比率控制 9 淬火机上框架位置控制 10 淬火机内钢板微跟踪 11 钢板尾部移动过程中的冷却水顺序关断控制 12 检测辊道淬火机上部框架的保护控制 13 淬火机入口和出口水刮板和气刀开关控制 14 淬火机输送辊道的控制 15 淬火系统的联锁控制 16 气雾风机控制 四 HMI 本系统所称人机界面系统 HMI 从系统分级来说包括两部分 一部分为过程控制级HMI 用于显示和处理过程控制信息 另一部分为基础自动化级HMI 用于显示和处理基础自动化信息 因为在网络上实现共享 同一台HMI既可显示来自过程计算机的信息 也可显示来自基础自动化的信息 是完全等同的 可以选用统一的型号和配置 人机界面系统 HMI 采用标准工业用人机接口SIMATICWinCC监控系统软件 L1和L2的画面可以共用一个HMI 每台PC都可看到所有L1 L2画面 监控系统采用服务器 客户端形式 人机界面的功能主要包括 显示生产过程中的各种工艺参数和信息 对于生产过程中的故障提供报警信息 接收操作人员输入的生产数据 接收操作人员发出的干预生产的命令 操作方式 手动 半自动 自动 物料跟踪画面包括如下内容 动态显示每块钢板在炉内的实际位置 相应钢板的材质 长度 厚度 宽度 相应钢板的入炉时间 相应钢板的预计在炉时间以及计划的出炉时间 加热状态显示内容有 对应于本批号在线热处理钢板沿炉长方向 各供热区炉膛温度实际分布值 与之对应的各段炉膛温度设定值 与之对应的钢板计算温度实际值 与之对应的钢板理想加热温度值 加热状态的预测趋势显示 显示在当前的炉膛温度下 钢板到达出料端的出炉温度 操作模式 设定参数显示 显示加热方式的自动 手动状态 在自动方式下 显示各段炉膛温度的实际设定值 在手动状态下 显示各段炉膛温度的建议设定值 历史趋势显示 在淬火机HMI中 如下画面 可显示钢板的所有初始数据 PDI 淬火模式与控制方式选择与显示 每个高低压喷嘴的控制单元工作状态手动测试 单独一个测试画面 并确认后输入 淬火高低压喷嘴选择与显示 钢板跟踪模拟动态显示 用不同颜色显示淬火高低压喷水组态及喷嘴的流量 过程机设定淬火规程的存储及手动调用 在手动控制的方式下 操作工淬火规程的设定及存储 故障状态记录 显示及报警 五 过程控制计算机 3台PC Server 1台用于热处理炉和淬火机二级 1台用于全线过程物料跟踪 1台备用 过程控制计算机采用HP服务器 热处理区过程控制系统热处理炉过程控制的主要目的是对L1级的加热过程进行监督和优化控制 保证和提高加热质量 节约能源 实现炉子的自动操作运转 热处理炉L2级的主要功能包括 1 与基础自动化系统 数据库 人机界面系统 其它过程控制系统的数据通讯和处理 2 热处理炉区域的钢板跟踪 3 管理加热钢板的信息数据 4 钢板出炉时 生成钢板的加热工艺过程数据报表 5 钢板温度计算 包括 钢板装炉温度计算 炉内钢板温度实时动态计算 6 优化炉温设定值计算 7 自学习 根据数学模型的计算值和实际值进行比较 可对钢板在炉时间模型 边界热流密度模型等数学模型的相关参数进行自学习 从而提高设定计算的精度 8 热处理炉燃耗和热效率的计算 9 离线调试及模拟计算功能 热处理炉的功能可由数据通讯模块 跟踪调度模块 模型计算模块三大部分实现 淬火机过程控制系统当淬火炉将信息送给淬火机二级系统时 二级系统开始进行规程计算 为达到所期望的热处理曲线 在理想的情况下 首先根据钢材尺寸数据 钢种成分和板材温度 选择理想的临界冷却速率 第二步利用临界冷却速率确定淬火参数 即 钢板运行速度和水流速率 高压段和低压段 如果必须的淬火冷却速率可以达到 淬火模型将这个速率送给PLC 否则 数学模型将给出淬火机的最大冷却速率送给PLC 淬火机二级系统的由数据通讯模块 跟踪调度模块 模型计算模块三大部分构成 2 固溶热处理线 第一章绪论 一 概述 用途 主要用于成品板的高温固溶热处理 产品方案 高温合金 镍基耐蚀合金 精密合金等产品规格 厚4 40 mm 宽600 2650 mm 长2000 8000 mm 年生产能力 3000吨 年 年时基数 6500h最大装炉量 6 75t装炉条件 室温冷装 二 主要设备组成 装出钢机2 室式固溶炉炉前移动装料小车燃烧系统三电系统 三 简易工艺流程 室式高温固溶热处理炉为间断式工作 主要用于成品钢板的高温固溶热处理 计划装炉的钢板吊装到室式热处理炉的炉前移动装料小车的辊道上 小车上实现工料的对齐 测长 定位 之后小车行进至炉前进料区域就位 装出钢机械托起该钢板 先后退一定的距离 以保证移动小车顺利退回炉外待料区域 之后炉门开启 装出钢机将钢板装入炉内指定位置 钢板在炉内加热 均热达到热处理工艺的要求 装出钢机从炉内托起钢板放到车间后道转运辊道上 并经车间辊道 送冷床空冷 第二章供配电系统 一 概况 在6ER设控制配电柜一只 设进线总开关一只 电源进线来自1 固溶炉配电柜 1 固溶炉配电柜供电采用双路供电 助燃风机 冷却风机 装出料机 移动辊道小车 炉门电机及UPS由它供电 S7 400 ET200M分布式系统及计算机单独配置5KVAUPS 二 配电系统图 第三章电气自动化系统 一 自动化系统配置图 二 概述 室式固溶炉自动化系统分为3类 基础自动化系统 计算机监控管理系统 过程控制计算机 三者通过通过工业以太网进行高速 可靠的数据交换 上位机并预留与热处理炉区L2计算机管理系统接口 通讯协议为TCP IPSOCKET PLC与后道区PLC数据交换通讯采用Profibus DP方式 三 基础自动化系统 自动化系统采用SiemensS7 400 ET200M分布式控制系统作为室式固溶炉控制核心 S7 400控制柜 装出料机ET200M柜 移动辊道小车ET200M站放在冷矫直机主操作室一楼 烧嘴燃烧ET200M控制站放置在室式固溶炉现场 两者通过PROFIBUS网络实现数据的高速交换 系统设三个ET200M分布站 烧嘴燃烧ET200M控制站 装出料机ET200M控制站 移动辊道小车ET200M站 烧嘴燃烧ET200M站用来连接烧嘴的控制信号线 热电偶及其他仪表信号直接进燃烧ET200M控制柜 装出料机控制站用来连接现场装出料机限位开关 电机 装出料机的控制信号线 移动辊道小车ET200M站用来连接移动辊道小车电机 辊道电机 小车光电开关 限位开关 炉门电机 炉门限位开关 ET200M分布站可减少现场电缆的布线和防止检测 控制信号的干扰 SiemensS7 400 ET200M分布式控制系统从功能上可分为以下几个控制系统 过程控制系统 燃烧控制系统 装出料机控制系统 主要控制功能 1 助燃风机控制在助燃风机旁设助燃风机操作箱一只 风机控制柜放在操作室 风机采用降压软起动方式 风机柜设就地启停按钮和远程 本地切换开关 操作员即可在现场启动风机和在S7 400柜或HMI上远程启动 风机工作信号和故障信号远传至S7 400 风机工作状态在HMI上显示 风机运行信号与天然气总阀和烧嘴控制器电源联锁 助燃风机共2台 一用一备 2 冷却风机控制在冷却风机旁设冷却风机控制箱一只 风机采用直接起动方式 风机柜设就地启停按钮和远程 本地切换开关 操作员即可在现场启动风机和在S7 400柜或HMI上远程启动 风机工作信号和故障信号远传至S7 400 风机工作状态在HMI上显示 3 装出钢机控制装出料机控制系统完成从移动辊道小车的取料 加热完成后的出料控制 4 移动辊道小车控制移动辊道小车ET200M控制系统完成从移动辊道小车的取料 炉门的升降 加热完成后的出料控制 四 计算机监控管理系统 室式固溶炉L1计算机系统采用一台HP计算机作为操作站和监控站 组态软件采用SiemensWincc6 0 通过工业以太网与S7 400交换数据 系统框图见上图 在Wincc6 0基础编制的整个监控系统界面友好 实现动态显示系统流程 工艺参数配方设定 过程控制回路实时监控 历史趋势曲线查询以及查询打印各种报表 报警历史记录等数据管理功能 五 过程控制计算机 过程控制计算机负责轧线及各加热炉的过程监控 区域内的加热计划 物料跟踪 优化控制 主要是为了确保产品质量和产量 过程控制计算机提供室式固溶炉的进料的参数 长度 宽度 坯号 热处理工艺 进 取料的指令 室式固溶炉的取料后物料的跟踪 人机对话等功能 小冷床区域 第一章概述 小冷床区域L1和电气传动系统的控制范围包括No 1冷床上料辊道 NO 1冷床 空冷室接近辊道 No 2冷床上料辊道 NO 2冷床 室式固溶热处理炉输出辊道 No 3冷床接近辊道 No 3冷床输入辊道 NO 3冷床 冷矫输入输出辊道 等离子试样切割机辊道 No 4冷床输入辊道 NO 4冷床等 第二章电气