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[摘 要] 加热炉是轧钢生产线的重要设备,其控制系统的好坏对热轧产品的产量、质量有很大的影响。应用PLC技术的加热炉是集数据采集、安全联锁保护、程序控制、过程调节、上位通讯及人机对话于一体的综合控制系统,PLC可为轧钢生产设备的故障诊断提供强有力的技术支持。在进行故障诊断系统的设计时,根据诊断系统的功能要求,选用适当的PLC,可丰富和完善诊断系统的功能,这是PLC应用中最具代表性的系统之一。
[关键词] PLC 加热炉 自动控制 应用
1、PLC自动控制系统
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
2、轧钢加热炉与PLC控制系统
2、1轧钢加热炉
轧钢加热炉燃烧介质各参数的稳定运行非常重要,它直接影响到钢坯的质量,并涉及安全生产等重大问题。在生产过程中对加热炉炉压、炉温、煤气流量、空气流量的稳定有严格的要求。要想实现这些参数的稳定,并且达到较好地配比有不同的方法可以实现。加热炉的热工检测控制量共128点,其中模拟量输入56点,模拟量输出24点,开关量输入24点,开关量输出24点。调节回路16套,分别对加热炉的煤气、空气的流量、压力,炉内温度,换热器的保护等进行控制。
2、2系统组成
硬件采用西门子S7-300系列PLC,燃烧热工调节系统。上位操作站(兼容工程师站)采用高可靠性的研华工业控制计算机,上位机与PLC的通讯采用SIMENS MPI 现场总线。并配置编程软件STEP7 5.0及西门子专用监控组态软件WINCC 7.0,采用冗余备份主从控制型控制器,具有良好的人机界面,操作人员可以进行参数的设定、修改、温度压力等曲线的调用和设备操作。人机接口能显示全景画面、区域画面、报警画面、操作者指导信息画面、图表画面、趋势记录、系统维护等各种画面。PLC系统结构如图1。
该系统将动态采集的温度、流量、压力等参数以动态趋势图的形式显示,并根据要求进行存储和打印。
2、3加热炉压力控制的应用
为保证助燃空气与煤气压力保持稳定、使炉内燃烧顺利进行,煤气和空气的压力必须进行控制。加热炉炉内压力过高,过低都不恰当,过高会使炉门喷火并损伤炉子设备,过低会使加热炉吸入冷空气,影响加热炉燃烧质量及效果,炉内压力的控制也很重要。
1、助燃空气压力控制
助燃空气压力的大小,是保证喷嘴正常工作的重要条件。助燃空气压力调节是PID调节。如果设定值与反馈值存在偏差,PID调节开始进行,尽可能在短时间内使偏差最小。当反馈值大于设定值,经PID运算后向阀门输出控制信号,使阀门关小,于是压力下降,当反馈值小于设定值,经PID运算向阀门输出信号,使阀门开大,压力升高。
2、煤气压力控制
煤气压力控制阀主要起安全保护作用,煤气和空气若是出现低压,将会出现事故。所以在煤气和空气主管道上,分别装有两个低压开关,在换热器前后也各装有一个。任意一个低压开关动作,将会使煤气主关断阀都会自动关闭,停炉,保护加热炉。
3、炉膛压力控制
炉膛压力主要通过调节煤气侧引风机入口和空气侧引风机入口总管控制阀开度,进行调节,保持适度的微正压以防止外部冷空气侵入和炉内气体外溢,并有辅助烟道配合控制炉压。为了避免炉膛内压力波动,换向时,调节阀动作禁止。由于炉压滞后大,时间常数小,因此采用前馈—负反馈调节。
2、4加热炉温度控制系统的应用
加热炉温度控制实现过程是:首先通过一次测温元件热电偶将加热炉的温度转化为电压信号,PLC主控系统内部的A/D转换器将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量,然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较,采用连续PID控制,发现有偏移则控制相应的煤气阀门、空气阀门来调节煤气、空气流量,通过控制加热炉燃烧来达到控制炉温的目的。
为保证炉温的均匀性、燃烧的合理性,我厂实施多段燃烧及相应的控制控制策略,以消除各供热段之间的互相干扰。为保证各供热区温度的可控性,首先须对各区设置独立的,以温度为主环,空气、煤气流量调节为副环的炉温控制回路。根据工艺的供热情况,共分为3个供热调节回路:加热段、预热段和均热段的3个燃烧控制区段,三段分别换向燃烧。各个燃烧控制段采用2维交叉控制方式,以保证热负荷变化时的合理空燃配比,同时保证温度控制的快速响应。根据最大加热速率对温度调节器输出限幅,防止钢坯过热。最大加热速率与炉内负荷及坯料在炉时间有关。
2、5安全防护和环保
重点煤气区域设置了4点CO浓度监测、报警装置,以防煤气外泄造成的安全事故。
2、6 PLC在故障诊断系统中的应用
故障诊断系统是典型的人机系统,根据系统中的信息流向和功能划分的结果,基于操作站智能化的故障诊断系统。PLC对数字量信号的识别是通过其数字量输入模块完成的。PLC控制轧钢生产设备时,设备中的压力、温度、液位、行程数字及操作按钮等数字量传感器与PLC的输入端子相连,每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”,每个“位”在内存中为一个地址。读取PLC输入位的状态值可作为识别数字量故障信号的根据。诊断数字量故障的过程,实质就是将PLC正常的输入位状态值与相应的输入位的实际状态值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的,则表明设备处于正常工况,不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。这就是PLC诊断基于数字量信号故障的基本原理。这种诊断方法,故障定位准确,可进行实时在线诊断。通过PLC的图形功能块编程,还可将故障诊断融入过程控制,达到保护轧钢设备的目的。系统的输入模块要完成轧钢生产设备故障检测信号、控制指令和专家知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。专家知识的整理和表达由领域专家和系统专家协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心,它根据控制指令,利用专家知识,完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善,故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报警装置和人机界面,给出故障定位、预报和解释的结果。其中,人机界面还能提供排除故障的技术路线。实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向,减少人在其中的干预作用,是轧钢生产设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统,有助于实现故障诊断过程的自动化。
参 考 文 献
1、 应桃,李文,钟春华。GE90-30 PLC在炼轧厂加热炉系统中的应用,《南方金属》,2006年05期
2、 赵守庭。PLC在加热炉控制系统中的应用,《电气传动自动化》,1997年01期
3、 李文霞,崔朝贤,王利民。中型轧钢厂加热炉自动控制系统,《冶金自动化》,1998年06期
4、 邱公伟主编。可编程控制器网络通信及应用。北京:清华大学出版社,2000
5、 邹益仁等编著。现场总线控制系统的设计和开发。北京:国防工业出版社,2003
6、 廖常初主编.可编程序控制器的编程方法与工程应用,重庆:重庆大学出版社,2001
7、 陈在平等主编。可编程序控制器技术与应用系统设计。北京:机械工业出版社,2002
8、 宫淑贞等编著。可编程控制器原理及应用。北京:人民邮电出版社,2002■
[关键词] PLC 加热炉 自动控制 应用
1、PLC自动控制系统
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
2、轧钢加热炉与PLC控制系统
2、1轧钢加热炉
轧钢加热炉燃烧介质各参数的稳定运行非常重要,它直接影响到钢坯的质量,并涉及安全生产等重大问题。在生产过程中对加热炉炉压、炉温、煤气流量、空气流量的稳定有严格的要求。要想实现这些参数的稳定,并且达到较好地配比有不同的方法可以实现。加热炉的热工检测控制量共128点,其中模拟量输入56点,模拟量输出24点,开关量输入24点,开关量输出24点。调节回路16套,分别对加热炉的煤气、空气的流量、压力,炉内温度,换热器的保护等进行控制。
2、2系统组成
硬件采用西门子S7-300系列PLC,燃烧热工调节系统。上位操作站(兼容工程师站)采用高可靠性的研华工业控制计算机,上位机与PLC的通讯采用SIMENS MPI 现场总线。并配置编程软件STEP7 5.0及西门子专用监控组态软件WINCC 7.0,采用冗余备份主从控制型控制器,具有良好的人机界面,操作人员可以进行参数的设定、修改、温度压力等曲线的调用和设备操作。人机接口能显示全景画面、区域画面、报警画面、操作者指导信息画面、图表画面、趋势记录、系统维护等各种画面。PLC系统结构如图1。
该系统将动态采集的温度、流量、压力等参数以动态趋势图的形式显示,并根据要求进行存储和打印。
2、3加热炉压力控制的应用
为保证助燃空气与煤气压力保持稳定、使炉内燃烧顺利进行,煤气和空气的压力必须进行控制。加热炉炉内压力过高,过低都不恰当,过高会使炉门喷火并损伤炉子设备,过低会使加热炉吸入冷空气,影响加热炉燃烧质量及效果,炉内压力的控制也很重要。
1、助燃空气压力控制
助燃空气压力的大小,是保证喷嘴正常工作的重要条件。助燃空气压力调节是PID调节。如果设定值与反馈值存在偏差,PID调节开始进行,尽可能在短时间内使偏差最小。当反馈值大于设定值,经PID运算后向阀门输出控制信号,使阀门关小,于是压力下降,当反馈值小于设定值,经PID运算向阀门输出信号,使阀门开大,压力升高。
2、煤气压力控制
煤气压力控制阀主要起安全保护作用,煤气和空气若是出现低压,将会出现事故。所以在煤气和空气主管道上,分别装有两个低压开关,在换热器前后也各装有一个。任意一个低压开关动作,将会使煤气主关断阀都会自动关闭,停炉,保护加热炉。
3、炉膛压力控制
炉膛压力主要通过调节煤气侧引风机入口和空气侧引风机入口总管控制阀开度,进行调节,保持适度的微正压以防止外部冷空气侵入和炉内气体外溢,并有辅助烟道配合控制炉压。为了避免炉膛内压力波动,换向时,调节阀动作禁止。由于炉压滞后大,时间常数小,因此采用前馈—负反馈调节。
2、4加热炉温度控制系统的应用
加热炉温度控制实现过程是:首先通过一次测温元件热电偶将加热炉的温度转化为电压信号,PLC主控系统内部的A/D转换器将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量,然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较,采用连续PID控制,发现有偏移则控制相应的煤气阀门、空气阀门来调节煤气、空气流量,通过控制加热炉燃烧来达到控制炉温的目的。
为保证炉温的均匀性、燃烧的合理性,我厂实施多段燃烧及相应的控制控制策略,以消除各供热段之间的互相干扰。为保证各供热区温度的可控性,首先须对各区设置独立的,以温度为主环,空气、煤气流量调节为副环的炉温控制回路。根据工艺的供热情况,共分为3个供热调节回路:加热段、预热段和均热段的3个燃烧控制区段,三段分别换向燃烧。各个燃烧控制段采用2维交叉控制方式,以保证热负荷变化时的合理空燃配比,同时保证温度控制的快速响应。根据最大加热速率对温度调节器输出限幅,防止钢坯过热。最大加热速率与炉内负荷及坯料在炉时间有关。
2、5安全防护和环保
重点煤气区域设置了4点CO浓度监测、报警装置,以防煤气外泄造成的安全事故。
2、6 PLC在故障诊断系统中的应用
故障诊断系统是典型的人机系统,根据系统中的信息流向和功能划分的结果,基于操作站智能化的故障诊断系统。PLC对数字量信号的识别是通过其数字量输入模块完成的。PLC控制轧钢生产设备时,设备中的压力、温度、液位、行程数字及操作按钮等数字量传感器与PLC的输入端子相连,每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”,每个“位”在内存中为一个地址。读取PLC输入位的状态值可作为识别数字量故障信号的根据。诊断数字量故障的过程,实质就是将PLC正常的输入位状态值与相应的输入位的实际状态值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的,则表明设备处于正常工况,不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。这就是PLC诊断基于数字量信号故障的基本原理。这种诊断方法,故障定位准确,可进行实时在线诊断。通过PLC的图形功能块编程,还可将故障诊断融入过程控制,达到保护轧钢设备的目的。系统的输入模块要完成轧钢生产设备故障检测信号、控制指令和专家知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。专家知识的整理和表达由领域专家和系统专家协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心,它根据控制指令,利用专家知识,完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善,故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报警装置和人机界面,给出故障定位、预报和解释的结果。其中,人机界面还能提供排除故障的技术路线。实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向,减少人在其中的干预作用,是轧钢生产设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统,有助于实现故障诊断过程的自动化。
参 考 文 献
1、 应桃,李文,钟春华。GE90-30 PLC在炼轧厂加热炉系统中的应用,《南方金属》,2006年05期
2、 赵守庭。PLC在加热炉控制系统中的应用,《电气传动自动化》,1997年01期
3、 李文霞,崔朝贤,王利民。中型轧钢厂加热炉自动控制系统,《冶金自动化》,1998年06期
4、 邱公伟主编。可编程控制器网络通信及应用。北京:清华大学出版社,2000
5、 邹益仁等编著。现场总线控制系统的设计和开发。北京:国防工业出版社,2003
6、 廖常初主编.可编程序控制器的编程方法与工程应用,重庆:重庆大学出版社,2001
7、 陈在平等主编。可编程序控制器技术与应用系统设计。北京:机械工业出版社,2002
8、 宫淑贞等编著。可编程控制器原理及应用。北京:人民邮电出版社,2002■