高线加热炉自控方案

1、高线加热炉自控系统技术方案2007年5月目 录1. 概述12. 自动化系统配置23. 燃烧控制系统74. 汽化冷却系统95. 换向控制系统106. 附件13一、概述信阳钢铁公司高速线材生产线加热炉基础自动化控制系统的配置按较先进水平设计，做到电仪基础自动化控制系统一体化。其主要特点包括：n 先进的硬件和控制设备；n 合理的系统划分；n 灵活、可靠和具有高度可操作性的控制应用软件；n 非常友好的人机接口画面（包括直观性、可视性、可操作性）。系统配置的设计原则：n 系统硬件设备（包括系统软件）和控制应用软件满足加热炉的各种工艺控制要求；n 数据通讯网络及人机操作接口兼容性强；n 操作监视集中化，使

2、电仪系统人机界面统一化、共享化；n 系统软件及编程软件组态简单，编程方便，自诊断功能强；n 人机接口HMI监控系统软件具有中文环境；基础自动化系统包括仪表控制系统和换向控制系统。仪表控制系统的范围包括加热炉本体和水冷却系统的检测和控制项目，按照功能划分为燃烧控制系统、汽化冷却系统、辅助系统等三部分。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、记录、累积、运算、联锁报警、回路控制、逻辑控制等功能；采用HMI人机接口屏幕显示的方式，显示各监视、控制所必须的各种操作、监视画面；操作人员通过HMI人机接口上的总貌画面、流程画面、趋势记录、报警、操作等画面的观察分析，

3、使用计算机键盘、鼠标进行操作；报表及报警可通过打印机打印。换向控制系统的主要功能包括整个换向系统的状态显示、操作、报警联锁等。二、自动化系统配置1. 概述线材热连轧生产工艺流程的特点是：工序环节多、逻辑控制复杂、工作环境恶劣、设备要求可靠性高、在线调整干预性强。故应采用按工艺环节划分，分散控制，并通过网络系统对主要生产工艺实现集中监控。根据本次方案中线材连轧生产工艺的一些特点，在满足工艺控制要求的前提下，自动化控制系统选择应当遵循经济实用,技术先进可靠的原则。根据以往的工程经验，我们选取最适合于工厂实时控制的，并且在当今国内外应用率最高的S7系列PLC系统，构成PROFIBUS-DP网和MPI

4、网，组成两层分布式通讯网络系统，分别用于现场控制和过程管理与监控。整个自动化系统由三级控制系统和两层通讯网络构成。三级控制系统由人机接口（HMI）、基础自动化系统（PLC）和过程自动化系统构成，分别完成各自的控制功能。2. 控制站PLC和人机接口HMI的设置及功能仪表控制系统设置一套控制站PLC和一套人机接口工作站HMI。其中控制站PLC完成信号采集、逻辑判断、运算处理、驱动外设等功能，人机接口工作站HMI功能是显示生产过程数据、操作方式的选择、调整燃烧系统的操作、故障报警、事件记录、历史数据的储存及查询等。换向控制系统与仪表控制系统共用一套PLC和HMI。PLC完成信号采集、逻辑判断、运算处

5、理、驱动外设等功能。在HMI上完成换向时间的设定，各换向阀的状态显示，操作方式的选择，手动状态下对各换向阀的操作，各阀的故障报警和报警记录等。另外，将风机的部分控制及检测信号也接入仪表控制站PLC。1. 控制站PLC的主要功能：n 各介质及空间的温度检测；n 各介质的压力检测；n 炉膛压力测量；n 煤气流量的检测及调节控制；n 助燃空气流量的检测及调节控制；n 空燃比的控制；n 炉膛压力控制；n 炉内各段的温度控制；n 煤气切断阀的控制及安全联锁；n 烟气氧量采集；n 水冷却系统相关信号的检测、控制；n 换向阀状态采集；n 换向阀的控制；n 故障信号的报警、联锁。2. 人机接口HMI的主要功能

6、：n 炉内各段工作状况的显示（炉内各参数）；n 燃烧系统的操作方式选择；n 空燃比的显示；n 手动方式下各调节阀阀位的设定；n 半自动方式下各段空煤气流量的设定；n 全自动方式下各段温度的设定；n 故障报警显示、打印及储存；n 各换向阀的状态显示；n 各段换向时间的确定；n 各段换向方式的选择；n 手动方式下对各换向阀的操作；n 报警信息的显示、记录。3. 主要报警在工艺测量参数超限或重要检测设备发生故障时，控制系统将以声光形式发出报警，并在操作站上显示出报警的内容，提醒操作人员注意，及时采取适当的措施排除故障，主要的报警项目如下：n 煤气压力低限报警；n 空气压力低限报警；n 仪表压缩空气压

7、力低限报警；n 烟气温度高限报警；n 换向阀故障报警；n 各电气故障报警。4. 网络通信自动化系统通讯网络分为两层：第一层：控制站PLC和人机接口工作站HMI之间采用MPI通讯方式。第二层：控制站PLC和远程站ET200之间采用PROFIBUS通讯。图1 通信网络PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通讯控制从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS-DP网，是一种高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯。PROFIBUS现场总线技术是一种开放的，标

8、准的，不依赖于生产厂家的总线。在国际上绝大多数公司，如：SIEMENS，GE等200多家企业都提供基于该总线的产品，而且可以将这些不同厂家的产品连在一根总线上。传输距离 ：最大23.8km传输速率 ：9.6Kbps12Mbps传输介质 ：屏蔽双绞电缆网络拓扑 ：线性总线，两端带有源的总线终端电阻站点数：每分段32站（不带中继器），最多127站（带中继器）插头连接： 9针D型插头工程师站、操作员站配置 主机 研华工控CPUP4 2.8G内存 512MB硬盘 80G光驱 40倍速CD-ROM操作系统Windows 2000图形软件WINCC网络接口CP5611显示器17英寸液晶UPS不间断电源 山

9、特3KVA3. 炉体主要检测及控制项目表1. 检测、控制项目一栏表序号项目名 称检测/控制元件量程点数1温度检测预热段炉顶温度检测热电偶S0160022预热段下部温度检测热电偶S0160023加热段炉顶温度检测热电偶S0160024加热段下部温度检测热电偶S0160025均热段炉顶温度检测热电偶S0160026均热段下部温度检测热电偶S0160027预热段煤气排烟温度检测热电阻Pt100030018预热段空气排烟温度检测热电阻Pt100030019加热段煤气排烟温度检测热电阻Pt1000300110加热段空气排烟温度检测热电阻Pt1000300111均热段煤气排烟温度检测热电阻Pt100030

10、0112均热段空气排烟温度检测热电阻Pt1000300113出炉钢坯温度检测红外温度仪01200114风机轴承温度检测电接点温度表0100815流量检测预热段煤气流量检测孔板流量系统01KPa116预热段空气流量检测孔板流量系统01KPa117加热段煤气流量检测孔板流量系统01KPa118加热段空气流量检测孔板流量系统01KPa119均热段煤气流量检测孔板流量系统01KPa120均热段空气流量检测孔板流量系统01KPa121压力检测炉压测量差压变送器-80+80Pa221煤气总管压力检测压力变送器01.2MPa121空气总管压力检测压力变送器01.2MPa122仪表气源压力检测压力变送器01.

11、2MPa123位置检测煤气总管快切阀阀位检测限位开关ON/OFF224预热段换向阀阀位检测接近开关ON/OFF825加热段换向阀阀位检测接近开关ON/OFF826均热段换向阀阀位检测接近开关ON/OFF827CO浓度检测氧化锆氧分析仪4-20mA.DC628控制项目煤气总管切断控制电磁阀ON/OFF129煤气总管压力调节电动蝶阀4-20mA.DC130空气总管压力调节电动蝶阀4-20mA.DC231预热段煤气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC132预热段空气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC133加热段煤气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC134加热段空气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC13

12、5均热段煤气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC136均热段空气流量调节电动蝶阀4-20mA.DC137预热段煤气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC138预热段空气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC139加热段煤气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC140加热段空气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC141均热段煤气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC142均热段空气排烟阀调节电动蝶阀4-20mA.DC143煤气排烟总管调节电动蝶阀4-20mA.DC144空气排烟总管调节电动蝶阀4-20mA.DC145排烟总管连通调节电动蝶阀4-20mA.DC146换向阀阀位控制电磁阀ON/OFF24三、燃

13、烧控制系统3.1燃烧控制段温度控制功能 加热炉划分为三个燃烧控制段。各加热控制段设置4只S分度热电偶测炉温（炉顶2只，两侧各1只），选择其平均值作为本段炉温控制的PV值进行燃烧控制。当出现超温、断偶、温差超限时，发出报警信号，提醒操作人员检查故障点。每个供热段的煤气分别与各自的煤气分管连接。各段煤气分管设流量孔板和调节阀。空气流量通过每段空气分管上的调节阀进行调节。为了提高燃烧控制精度，每各燃烧段设置两套氧化锆氧分析仪3.2排烟温度的控制排烟管道设置有温度检测点。操作人员以此为参考，调节排烟调节阀调节各段的排烟量，或者调整换向时间，从而控制排烟温度在100 200之间。3.4炉膛压力控制炉膛压

14、力的控制也是通过排烟量控制的，在加热段和均热段各设一个炉压检测点。通过排烟调节阀将炉膛压力控制在微正压状态，防止火焰外延及吸入冷风。炉膛压力调节与烟温控制都要调节排烟通道的排烟量，两者是存在耦合，应根据工况的不同，在不同的条件下划分主次。3.5加热炉安全连锁保护功能各种介质的压力用变送器检测，当检测压力异常时进行报警，必要时进行燃烧切断。各种故障分为重故障和轻故障。轻故障时进行报警。重故障发生时，进行报警和燃烧切断（停炉）。表2. 加热炉安全联锁项目表序号报警名称报警级别联锁重故障轻故障1煤气压力低启动停炉联锁2空气压力低启动停炉联锁3仪表气源压力低启动停炉联锁4风机严重故障启动停炉联锁5排烟

15、温度高强制换向，声音报警6热电偶断声音报警7炉温超温声音报警当启动停炉程序时，系统将按照一定的时间和顺序执行，开启或关闭总管煤气切断阀、支管煤气切断阀、及其它一些安全操作。3.6仪表的选型现场仪表的选型考虑其先进性、稳定性、可靠性、对环境的适应性，以及操作、维护、检修方便等因素，选用国内外先进的、成熟可靠的、性价比高的产品。选型原则：n 空气、煤气和烟气调节阀为电动蝶阀；n 煤气切断阀为气动切断阀；n 温度检测用热电偶，配温度变送器；n 煤气、空气流量检测用流量孔板+差压变送器；n 压力检测用压力变送器；压力表用于现场压力指示。四、汽化冷却系统根据工艺方面要求，结合以往工程应用实践，汽化冷却系

16、统的测控项目如下：表3. 汽化冷却系统测控项目一览表序号名 称检测元件量程点数1汽包（锅筒）压力检测压力变送器01.6MPa1压力表02 MPa22汽包（锅筒）水位检测差压变送器1双色玻璃板液位计500mm23汽包给水压力检测压力变送器01MPa14软水箱液位检测液位变送器02 m1两台软水泵采用一用一备方式，现场设配电控制箱一个，可根据现场实际情况选择两地切换控制，动力电源为AC380V，三相四线制。为了减轻操作人员的劳动强度，系统采取恒水位控制策略，当汽包水位低于设定的水位下限值时，系统自动启动软水泵，向汽包内补水，当汽包水位达到设定的水位上限值时，软水泵停止。五、换向控制系统1.1. 换

17、向方式1.1.1. 换向阀本方案采用分段分侧二位三通阀换向方式，全炉共布置6个空气换向阀、6个煤气换向阀。1.1.2. 换向方式本设计采用不同供热点单独控制，同时，为了减少换向时炉压的波动，要求各点之间设置一个半秒左右的间隔。所有的换向阀都是双作用的，当换向时，换向阀的两的作用机构总是采用先关、后开的策略，以保证换向阀的气体入口和烟气出口没有短路的可能。这样，煤气在换向过程中消除了耗损，并保证煤气换向时的安全。1.1.3. 换向控制换向系统的动作由加热炉燃烧控制系统的SIEMENS S7-300控制。换向控制系统主要功能有：n 定时换向：当换向系统处于自动运行状态时，换向阀以一定的时间间隔完成

18、换向动作。n 定温换向：当排烟温度过高时，系统将强制换向阀换向，直至排烟温度下降到设定的温度范围内。n 手动换向：当系统处于手动状态时，可在上位机或操作台上对各换向阀进行手动换向，便于调试和故障处理。n 保护换向：当换向阀长时间动作不到位时，上位机上会出现报警信息，指示故障点所在，蜂鸣器报警，系统作出相应的应急反应或人工干预。n 故障联锁：空气压力低、煤气压力低、动力气源压力低时，关掉所有换向阀，报警。附件1 基础自动化系统（PLC）配置清单序号名称型号数量厂家（一）PLC主机柜1PS307电源6ES7 307-1KA00-0AA01西门子2CPU315-2DP6ES7 315-2AF03-0

19、AB01西门子332点DI模块6ES7 321-1BL00-0AA03西门子432点D0模块6ES7 322-1BL00-0AA01西门子5AI模块6ES7 331-7KF02-0AB03西门子6前连接器6ES7 392-1AM00-0AA04西门子7前连接器6ES7 392-1AJ00-0AA03西门子8972总线连接器6ES7 972-0BA40-0XA02西门子9电池6ES7 971-1AA00-0AA01西门子10存储卡6ES7 951-0KF00-0AA01西门子11DIN导轨6ES7 390-1AE80-0AA01西门子12空气开关C45AD3施奈德1324V电源S-240-241

20、台湾明纬14熔断器RT18-32X4上海人民15中间继电器HH54P-L30上海人民（二）仪表控制柜1空气开关C45AD15施奈德2熔断器RT18-32X30上海人民3中间继电器HH53P-L30上海人民4手操器WP D735-810-1212H19香港上润5带灯按钮ZB2-BW33C+ZB2-BWB31C2施奈德6按钮ZB2-BA2C+ZB2-BZ101C1施奈德（三）换向操作台1PS307电源6ES7 307-1EA00-0AA0西门子2IM1536ES7 153-1AA03-0XB0西门子3DI模块6ES7 321-1BL00-0AA0西门子4D0模块6ES7 322-1BL00-0AA01西门子5前连接器6ES7 392-1AM00-0AA01西门子6972总线连接器6ES7 972-0BA40-0XA02西门子7DIN导轨6ES7 390-1AE80-0AA02西