一种退火炉温度自动控制系统在工厂中的应用

张文平

（山西太原钢铁集团有限公司冷轧硅钢厂， 山西 太原 030003)

控制系统采用西门子S7-400 PLC控制器、S7-400编程软件及WINCC组态画面，用来完成温度、压力等参数的采集及温度实时控制。主要实现退火炉温度的设定和监视、过程控制、设备的联锁控制、报警监测、实时和历史趋势的分析。实际运行结果表明，系统稳定可靠，自动化程度高，温控精度达到±5℃，很好地满足了控制要求。

1 退火炉在生产工艺中的应用现状

退火是一种金属热处理工艺，是将金属按工艺温度、工艺时间，以及冷却速率的热处理方法。其目的是，降低硬度，软化工件，改善切削加工性；改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中造成的各种组织缺陷以及残余应力，减少工件变形、开裂或裂纹倾向；细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能，消除组织缺陷；均匀材料组织和成分，改善材料性能。退火温度是整个工艺的主要控制目标，是产品质量最主要的影响因素。

退火炉由不同的加热方式分为电加热、燃油加热、煤气（天然气）加热三种不同类型。分别是电加热退火炉、燃油退火炉、煤气（天然气）退火炉。在退火炉工艺要求中，温度是关键指标，退火炉炉温控制精度及稳定性成为产品质量的决定性因素。

2 退火炉炉温控制方案

本加热炉温度控制系统采用单交叉控制方案，即可实现控制要求。炉温测量原件采用K型和S型两种热电偶，根据不同的温度范围选择相应分度的热电偶。

由热电偶测出炉内温度与设定值比较，温度调节回路与煤气、空气调节回路形成串级，调节煤气和空气量以达到规定的温度，通过单交叉限幅可较好地实现充分燃烧。温度测量需设置两支热电偶，正常时一支用于控制，一支用于监视报警，发生损坏时通过HMI进行切换。在正常生产过程中，当炉膛温度受流量变化发生改变时，热电偶的信号也会发生对应的改变，该信号最总转化为测量温度与设定温度进行比较，输出量用于控制煤气空气的流量，通过调节煤气空气的流量使膛温度接近设定温度，实现温度的控制要求。

3 退火炉系统结构和控制流程图

3.1 系统结构

根据炉温控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图1所示，该系统主要由加热炉(调节对象)、热电偶(检测元件)、温度变送器、调节器、气动调节阀（执行器）和显示单元等六个部分组成。

TI为炉膛实际的测量温度，FT_G为控制的煤气流量，FT_A为控制的空气流量。温度信号由检测元件进入控制系统，与设定温度即SV值进行比较后经过PID运算，输出信号至气动调节阀进行控制煤气、空气流量来以改变燃气的流量，进而实现温度控制。

图1 加热炉温控系统结构图

3.2 流程图

根据控制要求和结构图，绘制加热炉温控系统流程图如图2所示。

图2 加热炉温控系统流程图

4 炉温自动控制系统的关键及控制指标

采用炉温自动控制系统，主要的问题:温度测量的精度及信号转化；流量测量的精度；控制阀的稳定；炉温控制PID参数的调整；流量PID参数调整。

升温过程中，流量需求值不一定是线性变化，而且随着测量值接近目标值的过程中，很容易引起温度的大幅波动。为保证稳定的升温速率，对调节系统的要求是很高的。这就关系到检测元件的选择和PID参数的调整。

总体改造思路:

1）选用K型或S型热电偶作为一次测温元件；空气流量和煤气流量用横河EJA变送器测量，选用空气流量调节阀和煤气流量调节阀。

2）西门子S7-400PLC进行软件编程和调节；西门子WINCC进行HMI画面制作。

3）记录测量数据，根据现场测量实际时对参数进行优化。

4）控制目标。升温时，温度控制精度:±10℃；保温时，温度控制精度:±5℃。

5 控制系统的硬件

5.1 硬件结构

根据工艺要求，整个系统炉温可以由二级机自动下发炉温，也可以在HMI画面由操作人员输入工艺炉温值。基础自动化级采用西门子公司传统的PLC，实现各炉温的测量、控制及联锁控制；炉压测量，煤气、空气流量测量及控制。监控级为台湾研华生产的工业控制机，完成对系统的组态、监控、报警、制表等功能。

5.2 监控系统

1）采用西门子WINCC监控软件，该系统结构灵活，组态自由，具有统一的通讯、统一的组态工具、统一的数据库，且能与电气PLC和二级机便捷通讯。

2）WINCC监控 采用开放型全图形化人机操作界面，组态方便，操作简单。

3）拥有完备的工业图形库，如模拟传统显示仪表、管道、阀门等，方便了工程师设计监控系统的过程画面。

4）采用全汉化界面，并且具有动态语言切换功能。

5）监控系统有“手动”和“自动”操作两种控制模式，满足工艺控制的要求。采用自动模式时，系统可根据操作人员设定的炉温自动控制煤气、空气流量，达到自动控温的目的。

6）工程师站采用研华工控机，21英寸大屏显示器。WINCC软件与PLC的进行数据交流，完成炉温系统的控制和测量。具有历史曲线记录、查询、报表、报警等界面。

图3 退火炉温度控制系统自动化系统配置图

5.3 PLC控制单元

PLC控制单元是自动控制的核心部分，采集炉温测量信号，煤气、空气的实际流量信号，压力信号等工作状态信号，在HMI画面显示。并同时输出对煤气流量阀、空气流量阀的控制。

6 控制系统的软件

6.1 软件功能描述

1）软件通过编程主要完成以下功能:各个加热区温度显示、控制，同时具有超高温报警的功能；各个加热区煤气流量的测量显示、控制；各个加热区空气流量的测量显示、控制；煤气消耗的总流量记录；煤气总管压力显示、记录，并具有报警功能；主风机压力显示，报警；点火空气压力显示，报警；点火煤气压力低报警；排烟风机压力显示、控制，并具有报警功能；排烟风机入口温度测量、控制，超温报警；氮气流量测量及控制；炉压测量及控制。

2）从煤气炉安全使用考虑，做为工厂必备的安全连锁条件:煤气总管切断阀的连锁；点火煤气、点火空气切断阀的连锁；排烟风机的连锁；主风机的连锁；点火风机的连锁。

3）编程软件所用的开发工具。操作系统:Windows xp3；编程软件西门子中文软件step7 5.3；HMI组态画面西门子WINCC V6.2。

6.2 软件设计

系统软件设计:整个系统控制软件是由西门子WINCC组态控制软件和STEP7编程软件完成。软件结构如图5所示。

图5 软件结构图

7 系统的功能

7.1 HMI画面功能

总体画面概貌页显示，用于查看总体画面；历史曲线显示，用于查看历史控制。

报警记录的显示和确认，用于查看历史报警记录；标准操作面板，用于操作员HMI画面操作；报告和报表的打印，用于打印生成的报表；系统自诊断结果的显示，诊断系统故障。

7.2 系统实现的功能

1）所有设备操作均在HMI画面进行操作，具体的操作均采用弹出式窗口进行操作、修改。主要是炉温的设定；煤气、空气流量设定；各种压力的设定；阀门开度手动输入等。

2）炉温调节具有三种控制方式。全自动方式:炉温设定值由二级机自动给定，炉温自动进行控制；自动方式:炉温设定值由操作者给定，炉温自动进行控制；手动方式:操作者直接控制炉温调节回路的输出，手动控制炉温。调节回路为连续PID控制方式。

3）炉温调节回路设定有上下限幅，防止燃烧量过大或过小。当炉温过高时，在报警画面上有温度高报警显示。

4）一个加热区炉温监控均设有两根热电偶，一根用于控制，另一根用于备用显示及报警。当控制用电偶输入开路时，炉温调节回路将自动变换为手动方式，输出保持原值。此时，可由维护人员将控制用电偶切换为另外一根，并适时进行故障处理。

5）系统安全连锁考虑。煤气压力低报警，低低限为防止回火切断主煤气及点火煤气；主燃烧空气压力低报警，低于规定值连锁主煤气切断；排烟风机压力高报警，高于规定值连锁主煤气切断；点火空气、点火煤气压力低报警，低于规定值连锁点火煤气及主煤气切断。

8 结语

退火炉炉温自动控制处系统是一个综合性较强的系统，它包括与之相关的生产工艺流程、相关生产设备。本文提出的炉温自动控制方案，已成功应用于太钢连续退火炉改造工程中，对于退火炉温度自动控制的应用有十分积极的应用和指导作用。