摘 要：在研究并消化了全氫罩式退火爐的工藝和控制技術的基礎上，升級開發了攀鋼全氫罩式退火爐的控制系統；采用了基礎自動化系統和過程計算機兩級架構并銜接生產管理系統，實現了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。
關鍵詞：全氫罩式爐；退火；自動控制

1 引言

攀鋼冷軋罩式爐，是上個世紀九十年代初由德國LOI公司設計制造的全氫罩式退火爐，其控制系統是采用早期S5—115U控制系統，備品備件無法購買；原系統也不能支撐目前的生產管理系統，必須進行控制系統的改造升級，以解決控制系統的更新換代和實現罩式爐生產的信息化。全氫罩式爐是一種退火工藝水平很高的罩式退火設備，具有生產效率高、退火產品質量優，介質、能量消耗低等優點，是改善和提高冷軋產品特別是冷軋帶鋼表面質量的重要設備，在冷軋產品的生產中得到了普遍應用。攀鋼信息公司在消化了工藝技術和控制技術的基礎上，對原全氫罩式退火爐的控制系統進行成功升級改造。該自動控制系統以退火溫度曲線為目標，實現退火過程的溫度模糊控制。運行結果表明該自動控制系統升級改造成功，不但減少故障吹掃率，而且提高全氫罩式爐的生產率，也將罩式爐生產系統接入到攀鋼生產管理系統，實現了全氫罩式爐退火過程的自動化和信息化。

2 罩式爐退火工藝過程簡述

全氫罩式爐設備包括爐臺、內罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下：爐臺裝料，放置內罩并利用液壓裝置壓緊內罩；檢驗H2閥和爐臺內罩密封性，確保系統安全；用氮氣吹掃內罩內空氣，使內罩內氧含量減少到1%以下，為通入氫氣做好準備；在內罩外放置加熱罩，內罩和加熱罩之間為燃燒區間，用空氣吹掃燃燒區間的殘余煤氣。當內罩內氧含量低于1%時，開始加熱點火；并用氫氣置換內罩的氮氣實現全氫氣氛退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，控制氫氣流量吹掃；熱密封測試；帶加熱罩冷卻；吊走加熱罩/熱輻散/安裝冷卻罩；冷卻罩冷卻、噴淋水冷卻；用氮氣吹掃爐內氫氣；鋼卷吊運出爐。

3 控制系統設計

根據全氫罩式爐工藝的特點和實施自動控制的需要，自動化系統架構采用兩級控制系統和三級網絡系統。兩級控制系統即過程控制計算機（L2）系統和基礎自動化（L1）系統組成；三級網絡由過程控制級以太網、基礎自動化（L1）級以太網及設備級現場總線組成，各分布式I/O站與控制器間以PROFIBUS總線連接。自動化系統配置圖如圖1 所示。


按最優性價比的標準，選擇西門子S7系列PLC系統為基礎自動化系統，控制系統設計為一套PLC控制2臺全氫罩式退火爐的系統模式，系統包括組成分布式3個I/O站（爐臺閥站ET200M 、加熱罩 ET200M 、冷卻罩ET200M）、現場總線、OP操作面板和監控顯示系統。在L1高速以太網上設置了2臺服務器，2臺前置數據采集機，1臺開發站，2臺操作站。2臺服務器配置2塊3COM通用以太網卡，一個網卡與前置機進行數據通訊，另一網卡與監控操作員站進行數據交換，以服務器與客戶端的形式完成監控數據的交換和傳遞。2臺前置數據采集計算機1臺正常工作，另1臺熱備冗余，并配置雙網卡，一個網卡與21套PLC進行數據通訊，另一網卡與監控操作員站和數據庫計算機進行數據交換。其中歷史數據庫服務器，主要提供歷史數據保存和訪問，信息服務器主要為實時數據提供訪問，供操作畫面與PLC的數據通訊。監控軟件采用WONDERWARE公司的IAS版本，以客戶/服務器方式工作，完全能夠滿足冷軋39座罩式爐的工藝監控操作、報警消息、歷史數據歸檔、實時數據、退火曲線顯示等要求。

L2系統包括一臺數據服務器和1個操作員站，一個維護站，主要實現歷史數據存儲，退火曲線的管理，與冷軋L3系統的聯接。

自動控制系統開放性好，采用分布式I/O控制方案，提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力，同時又降低控制系統造價，達到合理配置的目的。控制系統特點如下：

（1） 可靠性高

采用分布式I/O，PLC、通信網絡和分布式I/O之間相互實行電氣隔離，可徹底防止任一設備故障而影響網絡中其他設備的正常工作，可隨時從網絡中解除或掛入，而不影響網絡系統的運行，信號連接線短，就地處理信號，引入干擾小；模塊供電分散也可以有效地減少由于電源引入的干擾，或電源故障而引起的系統故障。

（2） 靈活性好

由于工藝改變而需增加信號時，只要將新增信號接入附近分布式I/O柜即可，施工方便。

（3） 具有明顯的經濟效益

和集中控制方案相比，采用分布式I/O控制方案，可以節省很多電纜投資，所有需進PLC柜的信號接至現場分布式I/O柜即可，從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信網絡電纜，敷設電纜所需的安裝材料及人力也可大量減少。此控制系統的PLC 配置有效地發揮PLC 自身的功能和優勢，并降低系統造價，提高系統的可擴展性、可靠性和實用性。

（4） 系統開發性好

自動化系統硬件設備、軟件的選型、網絡配置，遵循通用性強、開放性好的原則，便于今后軟件的開發、移植、系統升級以及硬件擴展。

4 控制功能

全氫罩式退火爐的退火過程，以鋼卷的鋼種、規格為基礎，接收來自過程計算機的退火溫度曲線為控制目標，完成退火全過程的連鎖控制和回路控制，包括自動點火控制、燃燒過程控制，冷卻風機的運行、循環風機的變頻控制、爐溫爐壓監測與控制、氮氣和氫氣流量控制、冷卻水系統控制、各種閥門操作、事故緊急吹掃控制。控制功能根據工藝過程完成以下的內容：

（1） 內罩設置以及內罩夾緊松開裝置的控制。

（2） 進行H2閥和爐臺內罩系統的冷態密封性試驗。

（3） H2 、N2 的吹掃過程控制以及H2 、N2 流量檢測。

（4） 加熱罩的設置和點火，退火過程的加熱和均熱，以及爐臺熱態密封試驗。

（5） 冷卻過程的溫度調節。

（6） 各種過程變量的監測包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監測、內罩壓力監測、內罩壓力安全裝置監測、控制溫度測量，O2 含量測量、氮氣和氫氣流量監測等以及相關工藝過程的監測控制。

（7） 在退火過程中各類故障的檢測以及報警，并根據相應的情況給予特殊情況下的退火處理。

（8） 完成和過程計算機的通信，接收來自過程計算機的退火溫度曲線等各類數據（包括各種設定值，如退火時間設定、退火溫度設定、吹掃時間設定、吹掃量設定等），并把過程監控狀態信息以及故障信息從PLC 傳至過程計算機。