台车式退火炉监控系统设计.docx
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台车式退火炉监控系统设计.docx
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台车式退火炉监控系统设计
台车式退火炉监控系统设计
摘要
在铸钢件的生产工艺流程中,热处理是提高铸钢件产品质量的一道重要工序,而退火炉是现今铸业领域热处理环节中使用最广泛的设备,对退火炉的正火、退火、回火温度曲线控制的精度成为各大铸业厂家的首要竞争力。
本设计为8m×5m×4m台车式退火炉的监控系统设计,通过运用视窗控制中心(WinCC)根据风压变送器、煤气压力/流量变送器、炉压变送器、热电偶反馈的数据并搭载天然气、空气流量调节回路、炉膛压力调节回路对风压,煤气压力阀门开关实现远程控制,同时实现退火炉的系统自动检查、工艺参数设置、系统监控及超限报警、炉温记录、统计分析等功能。
从而达到系统稳定性高、现场数据可视化同时在工艺上达到温控精度达到±5℃,控制效果理想,充分满足控制要求。
关键词:
退火炉;阀门控制;WinCC;报警
Abstract
窗体顶端
Intheproductionprocessinsteelcasting,heattreatmentisanimportantprocesstoimprovethequalityofsteelproducts,andtheannealingfurnaceheattreatmentcastingindustryisnowpartofthefieldofthemostwidelyuseddevicesforannealingfurnacenormalizing,annealing,backfiretemperatureprofilecontrolprecisioncastingindustrytobecomethemajormanufacturersofprimarycompetitive.Thedesignforthe8m×5m×4mstationcartypeannealingfurnacecontrolsystemdesignbyusingWindowsControlCenter(WinCC)accordingtothepressuretransmitter,gaspressure/flowtransmitter,thefurnacepressuretransmitter,thermocouplefeedbackthedataandcarryingnaturalgas,airflowcontrolloop,chamberpressurecontrolcircuitforairpressure,gaspressurevalveswitchforremotecontrol,whileachievingannealingfurnacesystemautomaticallychecks,processparameters,systemmonitoringandlimitalarm,temperaturerecord,statisticalanalysisandotherfunctions.Soastoachievehighsystemstability,datavisualizationfieldwhileachievingprecisiontemperaturecontrolontheprocesstoachieve±5℃,fullymeetthecontrolrequirements.窗体底端
Intheproductionprocessofcaststeel,heattreatmentisanimportantprocessforimprovingsteelcastingsproductqualityandheattreatmentannealingfurnaceisnowcastingdevicesmostwidelyusedinthelink,controlprecisionforannealingnormalizing,annealing,temperingtemperatureiscastingfactory'sfirstcompetitiveness.Thisdesignfor8mx5mx4mTaiwancartypebackstoveofmonitoringsystemdesign,throughusingWindowsControlCenter(WinCC)accordingtowindpressurevariablesentdevice,andgaspressure/flowvariablesentdevice,andfurnacepressurevariablesentdevice,andthermocouplefeedbackofdataandcarryinggas,andairflowregulationloop,andfurnacepressureregulationlooponwindpressure,gaspressurevalveswitchachievedremotecontrol,whileachievedbackstoveofsystemautomaticallycheck,andprocessparameterset,andsystemmonitoringandthesuperlimitedalarm,andtemperaturerecords,andStatisticsanalysis,function.Soastoachievethesystemstability,datavisualization,andintheprocessreachtemperatureaccuracy±5℃tomeetcontrolrequirements.
KeyWords:
Annealingfurnace;Valvecontrol;WinCC;Alarm
结论26
1绪论
1.1研究背景
退火炉作为现今铸造生产领域首要设备,是生产制造过程中无可替代的环节,直接关乎产品的的各个方面。
而退火炉的非手动控制使用度正是改进生产速度、产品合格率和如何合理利用能源的主要手段。
二十世纪70年代国外开始对退火炉非手动控制领域展开探索,经过数年时间,随着多媒体水平和智能控制理论的提升,退火炉非手动控制技术的使用范围日渐扩大,操作水平显著上升,获得了很多技术上的革新与突破。
随着多媒体时代的到来,逐渐向微型处理器方向拓展,曾经的PID控制慢慢增进的同时,现代化的控制方式也随之增多。
时至今日,已经开发出一整套新型多媒体控制技术,并且在繁琐的工业制造中得到完美的使用,因为推翻了传统理论的束缚,采用了新的仿真模式,滚动优化和多方向预测等新的温控想法,取得很多全新的运行信息,从而让温控准确度大幅度增加[1]。
就像美国在退火炉多媒体控温中采用模拟量事先预测来提高最终的准确度,在当中率先提到模拟量的不定性改变,当煤气压力不稳定时,煤气通道上的电动阀的打开角度仅管是百分之百,煤气压力仍无法满足设定量时会产生很多干扰影响温控效果因素,于是在模拟时将煤气通道中压力视为能被测定的模拟量来使用,并且将现场不定的声音干扰纳入参考范围,退火炉可用一个带可测煤气压力干扰,有控制项的自由回归滑动平均模型来描述,当采样周期为60s,得到一个有纯滞后的一阶惯性的数字模型。
对退火炉利用广义预测极点配置加权控制器计算机控制[2]。
二十世纪80年代以后,中国对退火炉的应用展开深度探索,由于多媒体应用的日渐成熟,退火炉自动温控逐步开展到具体化领域。
时至今日中国退火炉温控模块采用世界领先的温控设备,随着HMI、PLC和集散系统等温控系统的开发,逐渐与曾经繁杂的继电器、指针式仪器产生替换。
无论是可编程控制器还是DCS,这些应用编程方式都朝着便利化发展,通过LAD梯形图,即便是非本专业从事人员也可独立实现,同时不但能单独完成,而且通过以太网连接,与互联网交换[3]。
采用新的控制方法对传统的负反馈、单一PID控制系统做了多种补充从而使控制性能更佳。
例如曾经的温控模块,热处理和空气的联系通常是搭配调整实现,因此耗材与空气配比回路的灵敏度通常非同步,耗材的温度值的非可控性及烧嘴性能的改变,这种调节比例度掌握困难。
尤其对铸钢件燃烧过程中产生改变的状况下,更不能满足合理的调节。
1.2研究方向
退火炉主要是燃烧和热处理相互产生物理化学变化,就单单燃烧来讲,如何能在不同的情况中,比如处于燃烧材料变化的制造中,随时使燃烧处于稳定的方法。
因为退火炉的使用流程很多情况都能被看作是繁杂的生产,利用非手动温控模块完成整体的制造温控工作,要求温度必须稳定调节[4]。
处于热处理进行时,铸钢件处于炉内每一时刻温度都是非可控的,所以需要温控模块对每一时刻炉内温度都能预先设置。
退火炉多媒体温控满足生产要求与否,通过由以下各性能参数体现:
1.温度控制精度:
铸钢及其周边产品的热处理方式主要根据设定值进行控温的原理,制造方式对温控精度要求十分严格。
2.铸钢的均匀受热:
退火处理必须维持炉内平稳的温度和温控准确性,避免铸钢受热分布不平衡产生脱碳、氧化和结炭黑。
3.冷却控制是否合理:
使铸钢温度维持稳定,然后利用降温方式让铸钢球化,此时就要求温度控制效果跟随每段温度产生改变。
4.节能要求:
在满足生产工艺的同时,如何更完美的利用原材料,避免原材料的过多浪费,避免污染环境,改善制造成本,同样是工业设计需要纳入考量的因素。
5.工艺性能:
处于退火中的铸钢件必须经过退火工艺让铸钢达到生产需要,单单就铸钢件介绍,通常用硬度的强弱衡量铸钢件的性能,所以必须进行热处理,使铸钢件具有较好的硬度及耐磨性。
1.3脉冲式燃烧技术
铸钢件进行热处理的原因是清除铸钢件轧制后的内部应力以及改变铸钢化学结构,退火炉的热处理性能以及温度控制精度,让铸钢的产品性能有许多改变。
通过对台车式退火炉的烟气变化的研究,发现烟气在退火炉内部的流动快慢对炉温的上升和退火工艺有非常高的影响,通过达到烟气的循环利用可降低成本,本专业人员逐渐对烧嘴的模式和点火方式进行改善,并且对炉内热传递模块进行了研究,从中获得很多收获。
烟气是带热载体,烟气对铸钢的加热,一方面是由于烟气对钢的辐射、对流传热实现,另一方面则是通过加热炉壁、炉顶,进而由炉墙加热钢来实现。
不难看出,不管是铸钢件受热,炉壁温度改变,热传递都起到举足轻重的作用。
尤其处于稳定控温,炉内外材料是定制的状况下,辐射传热往往被看成是不变量,并且热传递因为气流速度变快同时变快,这也是炉型结构设计改变的首要原因。
烟气使铸钢件的受热往往依靠烟气加热铸钢和炉壁来完成。
增快炉内烟气的流动速度,不但能增快铸钢的受热速度,同时能优化炉壁对铸钢的温度提升效果,对改善退火炉的温度提升效率有明显影响。
烟气在炉内扩散平衡,同时能让炉内温度保持平衡,改善铸钢的退火效果。
台车式退火炉工艺保持连续循环,其中可分为正火、退火和淬火,因为此种情况就要求能快速地更改燃料补给量来达到温控需求[5]。
在脉冲点火方式中,温度的控制能力是根据改变每个烧嘴点火的使用度和每个烧嘴点火时间的长短来完成对产品的热处理。
脉冲点火方法是把以往的持续点火方法变化为时通时断,所以信号仅剩两项:
一种在预先设定的完美燃烧情况下工作;二种在烧嘴仅仅维持本身不灭的小火。
脉冲燃烧控制结构简单,以脉动开关量、周期占空比、时间PID的方式在实现温控。
烧嘴采用大、小火两位控制,大火以最热负荷或自由选定量使燃烧状态最佳,小火为常明火,烧嘴火焰维持不灭。
炉内各区温度由烧嘴交替进行大、小活周期和燃烧比变化的频率来控制。
与运用传统方式作对比,使用脉冲控制,互相面对的烧嘴执行效果刚好不一致,其中一个烧嘴打开方式为大火,对立的的烧嘴打开方式应为小火,产品的加热效果十分稳定,温度控制精度也大幅度改善[6]。
2系统设计及其主要参数
2.1本设计的主要工作
本设计以辽宁福安铸业有限公司8m×5m×4m台车式升降炉门退火炉监控系统设计为背景,首先针对退火炉工艺控制要求做出详细说明,以及简要介绍辽宁福安铸业有限公司8m×5m×4m台车式升降炉门退火炉控制系统的实际工作情况和控温要求。
其中根据当场现场作业要求的切合需求,设计了基于Wincc7.0SP3版本的上位机监控界面,满足工业生产对控制系统监控的各部分要求,便于现场操作人员对炉内温度情况进行了解,实现模拟量可视化,控温情况可视化,工艺流程可视化的现代化控制要求。
因为退火炉工作现场充满粉尘,现场工作人员如果长时间在现场工作,对呼吸道有所影响,需要佩戴氧气面罩工作,并且生产车间光线较暗,查看数字仪表数据不方便,同时由于温控系统中有很多是模拟量,如压力、温度,流量等等,现场人员无法获得准确参数,启用WinCC画面后,上述问题可以完全解决,由于通过以太网实现远程操作,避免了就地工作的环境影响,同时减少了现场工作人员人数,为公司节省了财政支出,并且避免现场检测数据时候的安全事故,保护了工作人员的切身安全,模拟量数据通过温度变送器、压力变送器、热电偶可以使数据数字化显示,便于查看炉内情况,可以及时调节烧嘴的工作状态。
搭载WinCC画面后,控制更智能,控温更准确,数据反馈更及时,大幅度减少现场工作量,产品质量有明显提高,安全生产问题明显降低。
2.2退火炉主要参数
2.2.1技术性能参数
表2.1性能参数
参数名称
参数指标
工作时间
四班三倒,按每年306个工作日计算,年约工作时间7700小时,有效作业率达到百分之八十五
最高温度
1070~1100℃
有效加热区炉温均匀性
±8℃
控制温度准确性
0.03级(控制装置)
最大装炉量
100t
炉膛尺寸
8m×5m×4m
燃料及热值
焦炉煤气热值Qd=4000Kcal/kg
炉前调压稳压值
6-10kpa
炉前空气压力
~4kpa
预热空气温度
300℃
焦炉煤气最大消耗量
900Nm³/h
空气最大消耗量
5000Nm³/h
最大烟气排放量
6000Nm³/h
升温速度
120℃/h(可调),满载时,80℃/h
降温速度
10~80℃/h(可调节)
高速烧嘴数量
8套
高速烧嘴型号
SIC200HB型(1000kw)
燃烧方法
大/小火点火
高烧嘴位置
两边墙下方(距炉台205m)
温度控制热电偶
炉膛两测镍铬-镍硅8支
控温区
8区(一控一)
控温方式
上位操作站监视控制、下位西门子S7-300PLC直接控制
空炉升温时间
≤2.5h
温度记录
工件测温12点
炉膛温度
12点记录仪
电力安装功率
各100Kw
炉内压力检测
1点,设于炉后方
控制系统
西门子S7-300PLC加HMI(操作站)的智能控制系统
网络通讯
工业以太网
环保安全要求
远超国家环保安全要求
能耗指标
远超国家特等炉要求
2.22技术操作参数
表2.2操作参数
参数名称
参数指标
烧嘴能力
大火~180Nm3/h、小火~20Nm3/h
煤气压力定值
6~10KPa
煤气压力低压警报值
24KPa
煤气压力低压联锁值
2.4KPa
空气压力定值
~5.0KPa
空气压力低压警报值
2.4KPa
炉压控制值
10Pa
炉压异常警报值
≥±100Pa
预热空气超温警报值
>350℃
压缩压力低压警报值
0.25MPa
压缩压力低压联锁值
0.21MPa
3系统结构分析及其调试
3.1系统主要模块接线图
图3.1系统硬件配置图
图3.2电气原理接线图
3.2系统调试方法
3.2.1冷调试
冷调试目的:
确定炉子在冷态时机械动作是否可靠、准确;电器控制是否正确、灵敏;测量风、煤气等模拟量并设值。
(1)电器部分调试:
1.所有仪表调整到零位,并在调节范围内试运行,同时测量其输入、输出的电压、电流值,检查是否与设计值、产品说明书相符合。
2.检查热电偶经过校验与否,连接正确与否。
3.烟阀、执行器和烟阀板零位调整,偏转角和仪表显示开度要一致,炉压变送器标准值校定。
4.空气压力、煤气压力标准值校定,计算机显示值校定,与各调节阀联动调试。
5.各电器线路调试,检查电气线路连接是否正确,并测定各参数,检查联锁保护,限位开关是否准确可靠。
6.查看每个烧嘴继电器的动作正确与否。
7.查看多媒体各连线正确与否。
(2)机械运行调试:
1.炉门关闭、压紧,达到炉门均匀密封,检查炉门限位开关及炉车联锁效果。
2.炉门打开,检查炉门平移时炉门与炉口的间隙是否正确,调整炉门开限位位置,以及与炉车的联锁。
3.炉车进出,检查炉车与炉体的间隙是否正确,调整限位开关撞块,达到停车准确。
4.各电动机运行正确与否,风机转动方向正确与否。
5.管路系统调整:
(3)空气管路:
1.检测鼓风机在最大流量时的风压。
2.小风标定:
关闭预热器掺冷风阀门,将各烧嘴风阀调至小风位置。
3.大风标定:
在小风位置标定后,再将风阀调到大风位置。
(4)煤气管路:
1.将小煤气手动阀完全打开
2.把大煤气手动阀开到4/5
3.2.2热调试
热调试目的:
冷调试完成后,通过点火试烧,调试各烧嘴的燃烧性能,进而试验各区及全炉的燃烧情况。
煤气管路系统通气:
在煤气管路试漏合格后,拆除各盲板,打开各放散阀,再开各管道煤气进气阀,进行管路通气。
由用户负责请煤气主管部门测定管路是否合格。
合格后,关闭所有放气阀,运行点火程序。
单烧嘴调试:
开小风吹扫,用手动方式点火、小火、大火、熄火报警、点火,此时应观察火焰情况,调整风与煤气的比例,以达到稳定状态,注意此阶段燃烧时间不要太长,并以小火为主。
全炉点火:
把各烧嘴继电器打到远程档,由多媒体实现点火。
3.2.3烘炉
烘炉的主要目的是烘干炉车耐火砖,同时调试炉子的升温、保温的全过程,对控温系统、压力系统进行全面调试,对炉子的密封性进行观察。
烘炉调试内容:
1.根据火焰状态,进一步调节空气和煤气阀门,以达到大、小火最佳状态。
2.根据炉内各区温度变化,通过自控系统控制相应烧嘴,以达到自动控温。
3.根据炉内压力变化,通过压力变送器控制烟阀的开度,并观察炉内实际压力与仪表指示值是否基本相符。
4.根据预热器后空气温度,注入冷空气,控制热空气温度。
5.观察各仪表、执行机构等在长时间使用时的稳定性,如有故障应及时排除,根据烘炉情况可以调整各参数的定值。
6.观察炉体的密封情况,如有少量泄露可待烘炉后调整,如有严重泄露应停止烘炉并修整。
7.测量炉壁、炉顶、炉门的外壁温度。
8.烘炉时应记录的内容:
9.各热电偶的温度值
10.空气压力
11.煤气压力及流量
12.炉膛压力及烟阀开度
13.空气预热后的温度
14.烘炉后检查及处理内容:
15.炉衬纤维收缩情况,如超过5mm应修补
16.炉门四周的闭合性,如间隙较大应调整
17.管路阀门,如有泄露应修整
3.3控制过程分析
图3.3系统工艺图
(1)开炉准备
1.清除铁轨及炉车前进路线上杂物。
2.垫铁摆放位置应沿着火焰方向,并避免与烧嘴口发生碰撞。
3.器件安装需要稳定并摆放平整,距离附近必须大于400毫米。
4.关上各部分总开关,分项开关,炉车开关。
5.
在炉门、炉车操作箱进行就地控制,将炉门移开本来位置,炉车出炉进行操作
定位装料炉车进炉定位
(2)点火程序
检查AC220V电源是否正常,手动打开煤气通道电磁阀,查看煤气通道入口压力(~10-20KPa)正常与否,查看炉压温度模块显示温度位置,将WinCC烟阀设置为“非自动”,同时将烟阀阀位打到五分之三处,将WinCC风阀设置为“非自动”,同时将风阀阀位调至五分之一处左右,打开风机,查看风压正常与否,如果运行正常再将风阀设置为“全自动”,手动控制煤气主通道阀和煤气主通道切断阀,之后手动打开每一处的放散阀,当煤气通道完全合格后手动关闭各处阀门,最后将现场每一部分交给下位机远程控制,开启电源。
点火操作分为两种方式:
一种是手动就地控制烧嘴,烧嘴控制器自动实现点火。
另一种是现场将每一个烧嘴的转换开关扳到“远程”挡,在WinCC主界面上设有每个烧嘴的工作状态按钮,可实现自动或手动点火操作。
当上位机操作完成,需要前往退火炉处,查看每个烧嘴的工作状态,火焰大小,天然气和空气的配比。
每一个烧嘴都进入稳定工作状态后,炉门下降完毕,在WinCC界面中调整为“自动”挡,同时查看退火炉周围气密性。
在HMI上进行参数的设定,其中需要含有温度和压力参数,同时查看运行情况。
(3)程序控制
首先需要设定温度曲线,每一个烧嘴的工作状态都由可编程控制器来实现,如果由于天然气和空气配比不正确,导致烧嘴灭火现象,上位机将启动警报,如果3次以上未点火成功,现场人员必须就地检查,如果温度没有达到预定,必须手动重新设定,一旦出现高温警报,下位机会立刻发出信号,自动打开冷风电磁阀。
当达到温度控制要求后,多媒体会根据温度需要调整对应烧嘴。
(4)停炉
工件按工艺要求完成热处理过程后,进行停炉操作,将工艺曲线运行结束,自动停炉并关闭烧嘴或用计算机鼠标在屏幕上点击“工艺结束”按钮,强制结束工艺,关闭煤气总管切断阀,关闭煤气总管手动阀,打开各放散阀~10分钟后关闭,关闭各烧嘴控制器电源,工艺结束后半小时才能关闭风机。
4WinCC界面建立
4.1WinCC7.0SP3简要介绍
SIMATICWinCC基于Windows平台,为工业领域提供完备的监控与数据采集(SCADA)功能,涵盖单用户系统,多用户系统直到由冗余、客户机/服务器和浏览器/服务器构架组成的复杂的分布式系统;集成了工厂智能、高效维护的创新过程可视化;具有可扩展、开放、灵活的特点,是西门子全集成自动化系统的核心组成部分。
WinCC组态软件可实现过程监控,可以从可编程控制器、各种数据采集卡等现场设备中实时采集数据,发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包,组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能,以动画方式显示监控设备的运行状态,方便地构成监控画面和实现控制功能[7]。
WinCCflexible工作组态软件可以对所有的SIMATIC操作面板以及基于PC的可视化工作站进行软件工作组态的集成。
可以提供最高效率的组态,有现成对象的库、可重用面板、智能工具以及多语言项目下的自动文本翻译。
可根据价格与性能的差异提供多种版本。
各版本之间相互取长补短,通过精心设计可满足各类操作控制面板,大软件包中一般会包含用于组态小软件包的选项。
通过功能块技术将组态软件成本降至最低,且可重复使用的对象,以结构化形式集中存储在库中。
同时含有很多可升级、可动态变化的对象,可用于面板的创建。
只需在一个集中位置即可完成对面板进行的任何更改的操作。
这些更改会在之后对该面板任何一处的使用起到作用。
不仅可以通过这样的更改节省时间,而且还可确保数据的一致性、准确性以及使用时的方便性【8】。
4.2Wincc7.0SP3版本安装
安装前的准备工作:
- 配套讲稿:
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