退火炉电气控制改造.doc

退火炉电气控制改造 中冶长天重工科技发展公司 高永军摘要： 通过对退火炉原系统附带的触摸屏重新组态控制程序，触摸屏作为主机以MODBUS协议通过RS485端口和4台温控器、PLC通信，替换掉原来的工控机和英文控制系统。改造成本基本为零，还节省了一台工业控制机，但是控制界面友好，参数输入及参数检查时间大幅缩短，报警、保护功能更加完善，使用安全可靠。同时通过控制调功器灵活限制退火炉最大的加热功率，降低了供电系统的最大用电负荷，从而降低了企业的基本电费。关键词：退火炉， 触摸屏，负荷控制，调功器，基本电费 引 言我公司的RT-640台车式退火炉，最大加热电功率640kW，最高允许加热温度为900，分为四个加热区域对工件进行退火处理。辅助装置如台车、炉门、报警、保护等的控制由一台台达DVP24 PLC完成，由若干信号灯和一块台达DOP-B07S200触摸屏显示个开关量信号的状态。退火的温度过程控制由一台工控机对四台日本岛通（shimax）MAC30温度控制器进行加热参数的设置和控制，加热功率回路是由岛通TAC30型SCR调功器提供电力。在使用中，也逐渐发现了电气系统的以下不足之处：1.控制系统为英文界面，操作人员使用不便。甚至多次出现误操作。2.每个控制区的控制参数的输入和检查、修改都要逐条在不同界面间频繁切换输入、确认，使用非常繁琐不便。3.电炉丝接头处频繁发生烧毁烧断的现象，严重影响生产。4.电路最大加热电功率过大，超过了正常退火所需的能力，虽然完全满足了生产需要，但是严重抬高了我公司的的最大需量负荷，而我公司是采用最大需量计费方式缴纳电费，因此过大的加热功率成为我公司降低最大需量的障碍。对以上存在的不足，我们逐项的进行了改造，取得了较好的效果。一、 触摸屏应用虽然原控制系统使用了触摸屏和PLC联机通信，但只是读取显示各个开关量的状态，例如炉门开闭，加热回路是否闭合等，且显示的大部分信号都已经由若干外部信号灯进行了显示，基本没有发挥触摸屏的作用。我们立足设备现状，重新对触摸屏进行控制界面的组态，触摸屏作为主机，仍然通过RS232端口和PLC进行通信，再使用另一个RS485端口以MODBUS协议和4台温控仪表通讯，对加热过程进行控制。第一控制画面上一页下一页系统 时间本画面为上电初始控制画面：连续按压屏幕中间区域5秒，屏幕背景灯会熄灭，可用来延长触摸屏背景灯的使用寿命。若连续10分钟不对触摸屏进行任何操作，将进入屏幕保护程序，显示动画或风景画面。再次触摸时，画面直接恢复到第四页温度曲线显示画面。第二控制画面1-4区仪表运行指示灯设置5-40步的加热数据时再此输入步数号1-4区仪表测量温度本画面为参数设置和控制画面：系统自动记忆保存上一次的参数，方便下一次直接调用。设置第一步控制加热曲线数据：先将控制数据“加热温度”、“时间”，“限制温度”、“加热步数”、和“起始加热温度”预先设置好，然后，按“第一步”红色快捷按钮后，将触发后台宏指令运行，将预先设置的加热数据分别传入四块控制仪表中的各相应控制地址内。传送完成后，此按钮会自动弹回。设置第二步控制数据：由于是退火加工工艺，一般第二条温度控制曲线，仅需要修改一下保温时间即可，其他参数基本不用更改，然后直接按快捷键“第二步”红色按钮，将此预先设置的第二条加热曲线的控制数据传入四块控制仪表。如有进一步的曲线控制要求，与此相似，修改个别参数后直接按快捷键“第三步”、 “第四步”即可。更多的加热步数：如果还有更多的加热步数（最多能进行40段加热曲线的控制），可以按绿色“步号按钮”，输入步序号后，即可将相应的步数的控制参数传入温控仪表中。所有的数据输入框如果出现超范围输入的情况，都会弹出错误提示，防止出现超范围输入的现象。全部启动停止：为了防止意外启动，只有连续按压黄色“全部启动”按钮1秒后，系统才开始按照预先设定的控制数据开始进行加热。同时，绿色的1-4区仪表运行指示灯变为红色并开始闪动。直到加热工序完成后，系统会自动停止加热。同时，闪动的红色指示灯变为绿色的静止状态。如连续按压黄色“全部停止”按钮，四个加热区将全部停止加热。在后续的控制界面中，在更高操作等级的密码界面下，还可以设置自动定时开机功能，在设置好加热控制参数和加热时间后，按规定的时间段自动开始进行加热，这样，不但有利于无人值守的控制，而且可以充分利用夜间谷期电费仅有平期电费0.45倍的优势，最大限度降低加热用电费用。操作权限控制：由其它画面重新进入第二或第三画面，如果要更改仪表控制数据，首次输入时，会自动弹出一个密码输入框，只有输入相应等级的操作密码，才可以进行相应等级的更改，用以防止没有授权和低等级授权人员随意更改控制参数和系统设置。各等级的密码可以在系统设置界面重新更改设定。第三控制画面设置5-40步数号步数快捷键此画面可以显示1-4区控制仪表的每一步的参数设置情况，以便检查。同时也可以对每一块仪表的每一步的参数单独进行设置和控制，以实现更复杂的控制需求。第四控制画面记录的1-4区温度曲线每一温度点的测量时间时间轴滑块指示1-4区温度曲线颜色此画面显示记录的1-4区温度曲线，前后拖动时间轴滑块，可以显示不同时间段的温度曲线；触摸相应的温度曲线的某一个点，可以自动弹出每个温度点的测量时间和温度值。数据存储方式：为了防止频繁写U盘，测得的数据是先存在触摸屏的缓存区内，然后自动分批存入U盘，为了防止记录数据因停电丢失，断电前也可以随时用“存入U盘”按钮将记录强制存入U盘内。由于记录的一系列数据文件中含有CSV格式的文件，在需要时可以用电子表格软件打开、打印记录的数据和温度曲线。由于具有数据存储功能，本系统可以实现无纸记录，没有必要再使用昂贵的纸质记录仪表。第五控制画面时间轴滑块记录的1-4区温度数值每一温度点的测量时间此画面直接显示记录的1-4区温度数值，上下拖动时间轴滑块，可以显示不同时刻每个温度点的测量时间和温度数值。由于触摸屏作为主机，与PLC和控制仪表同时通信，这样，PLC通过主机，在不使用价格昂贵的模拟量功能模块的情况下，就能得到更多的温度过程的数据，我们同时对PLC的控制程序也进行了重新改编，通过对系统多点的温度、电流等过程中数据的采集处理，加强了系统的报警和保护，从而也极大的提高了系统的安全性能。由于此触摸屏具有多屏连接和以太网通信等远距离连接功能，这样，作为一个控制可靠、保护完备的系统，就具备无人值守自动加热退火和远程监控的的技术条件。二、接头故障处理整个退火炉有40多个电炉丝引线接头，在退火炉使用初期，曾有30多次发生烧毁烧断的现象，我们经过分析，认为有以下几种原因造成：1. 电源线用一道U型钢丝绳卡子直接压在电炉丝圆柱状的引线棒上。由于电炉丝温度极高，通过引线棒传到电线接头，温度仍然很高，接头处铜线高温氧化导致接触表面电阻加大。2. 接头处长期处于高低温循环状态，极易出现松动。3. U型钢丝绳卡子直接压在电炉丝圆柱状的引线棒上，有效接触面积太小，导致接触电阻增大。4. 电炉丝圆柱状的引线棒表面高温导致表面氧化，接触电阻变大。根据公式P=IR,及使接触处存在0.01欧姆的电阻，在通过320A加热电流时，也会在接头处出现1024 W的巨大发热导致接头烧毁。由于设备还在质保期内能，对此，我们要求制造商进行了如下改造：1.把电炉丝圆柱状的引线棒上焊接一块100100mm的不锈钢板，不但加大了接触处的面积,还增强了散热效果，然后把压有线鼻子的电源线压接在不锈钢板上，经过这样处理后，经我们测量，40多个电炉丝接头，在开炉期间的温度仅在100左右，至今使用已一年，没有一处烧坏，完好的解决了电线频繁烧坏的问题。三、负荷控制退火炉在初始加热阶段，在目标设定温度远大于实际温度的情况下，退火炉会以最大640kW的功率进行加热。由于功率过大，严重抬高了我公司的最大用电需量，所以非常有必要采用有效的负荷控制措施，把加热功率适当的减小。由于四个加热区域的电炉丝是对称均匀分布，且是连接方式，虽然可以有选则的将每相中的某支路断电或改为Y型连接，就可以降低最大加热功率和保证三相电流平衡，但是，缺点显而易见，这就需要增加大截面电缆和大电流的接触器，增加改造成本，且控制不够灵活。再看加热主回路使用的调压调功器，PAC30A系列SCR调压调功器是大功率可控硅模块应用技术的新产品。它集三相调压/调功方式为一体，具有移相调压、周波调功、过零调功功能。由上图可以看出，调压方式具有负载电流平稳冲击小的优点，但由于电流波形不再是正弦波，在大电流情况下使用，它必然会降低系统的功率因数，而且还不可避免的给整个电网电源造成较大的污染。过零调功方式，虽然无法限制每个周波的电流，但周波过零的负载电流以全正弦波为单位均匀分布，对整个电源污染小。由于我们的电炉丝基本属于恒阻（指冷热阻变化小），选择周波过零调功方式最为有利。有了调功器的周波过零调功方式作为基础，如果温度控制仪表的输出最大给定值时能进行缩小，那么，通过调功器就可以限制退火炉的最大加热功率了。组态触摸屏时，通过触摸屏和PLC对温控器的软启动斜坡时间（地址Hex0060A，最大120秒）和模拟输出上限比例（地址Hex05B5，0-100%）进行读写，实践证明最大模拟输出上限比例设定在50%，即将总热功率控制在320kW时，也可以完全满足退火工艺的需要。此外，在外部有降容信号输入PLC时，也可以有效控制退火炉功率下降，避免供电系统出现超最大需量而导致的加倍缴费。退火炉通过以上改造，在改造费用基本为零的情况下，达到了很好的效