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罩式爐

罩式退火爐基于上位機的集散控制系統設計方案

 

    全氫罩式爐因其具有建設成本低,運行維修費用低、靈活性高、擴充性高、產品質量高等優點,所以在磁性材料和鋼材料退火工藝中經常使用,主要是用來改善材料的物理和機械性能。
 
    然而實際生產中罩式退火爐工藝非常復雜,生產條件苛刻,對于控制系統的要求相對于其他加熱設備就要高很多。本文以12臺罩式退火爐的自動化控制系統方案為例,介紹一種以PLC和PID智能溫控儀表組成的現場總線控制系統。
 
 
 
一、罩式爐退火工藝流程的簡要介紹
 
    罩式爐主要設備包括退火爐臺、加熱罩、內罩、冷卻罩、閥站等。爐臺是整個罩式爐的基礎設備,爐底安裝有利于對熱對流循環的電機和葉輪,內罩放置爐料進行退火,加熱罩內電阻絲分兩區均勻分布,加熱時罩在內罩外部,加熱完成后換上冷卻罩。閥站由公輔管道、控制閥門和儀表組成,用于提供氫氣、氮氣、水等各種介質的輸入與輸出及壓力和流量的控制。
 
    工藝過程如下:將爐料裝好后扣上內罩并用液壓鎖緊,內罩與爐臺連接法蘭內的冷卻循環系統開始工作,內罩鎖緊后,確認氫氣閥、內罩、爐臺、循環風機、排氣管路密封性良好,然后抽真空,爐壓降到-90kPa;開始自動氮氣吹掃,替換內罩內空氣,使爐內氧含量減少到1%以下,充入保護氣體氫氣,同時將加熱罩吊裝到爐臺上,按照設定的退火曲線開始加熱和保溫,爐料在全氫氣下退火,在保溫階段結束前自動對爐臺內罩進行一次泄露檢測。當檢測安全后就可吊走加熱罩,隨即將冷卻罩吊到爐臺上,啟動冷卻風機,內罩溫度t冷卻到(t℃=(273+t)K)時開始自動水冷,直至爐料達到出爐溫度,進行氮氣吹掃,用氮氣換掉內罩氫氣,置換完畢后,循環風機停止工作,吊走冷卻罩,松開內罩,進行爐料出爐,準備下一周期的生產。退火工藝如圖:
 
 
 
二、系統配置
 
    罩式退火爐的退火工藝流程復雜,邏輯互鎖眾多,采用S7-300PLC作為控制器,可滿足控制要求。一套PLC用于控制兩個爐臺。PLC主站包括電源模塊和通信模塊。爐臺現場閥站配置四個數字量輸入/輸出模塊,用來處理氣體閥門、開關等各種開關量的動作。兩個模擬量輸入模塊主要完成爐壓和氣體流量等各種模擬信號的采集。變頻器控制爐臺循環風機。PLC主站通過CPU上的DP接口建立Profibus現場控制網絡,連接爐臺風機變頻器和現場從站。觸摸屏為MCGS的TFT液晶屏,通過Ethernet接入以太網,能夠滿足使用要求。
 
    該退火車間總共12臺爐臺,由六個PLC分別控制。通過光電交換機將所有PLC和上位機組成工業以太網,實現多個PLC之間以及PLC與上位機需進行實時通信和數據交換,保證數據實時、高效的傳輸。上位機由兩臺工業控制計算機組成,分別用作工程師站和操作站,并配有UPS和打印機。上位機作為網絡通信的管理層,安裝有工業組態軟件,對生產過程進行集中監控。
 
    每套控制系統配置一臺具有智能PID功能的XMA-5000系列溫控儀表,XMA-5000儀表本身具有通信功能,通信接口遵守RS485標準,多個XMA-5000儀表通過RS485通訊轉換器連接上位機的串行口。XMA-5000儀表作為系統下位機,根據上位機給定的工藝參數,進行現場爐溫的測量和調節。當網絡出現故障時,XMA-5000儀表也可以脫離上位機單獨完成任務。
 
    XMA-5000儀表通過周期性過零觸發方式調節加熱功率。內罩內裝有雙輸入K型熱電偶,一路送溫控表,用于溫度的閉環控制,一路送上位機,用于溫度曲線記錄和超溫報警。XMA-5000儀表具有PID參數自整定功能,溫度曲線設置完成后,啟動儀表,開啟自整定。自整定參數除了PID外還包括輸出限幅參數和抗超調擬制參數。儀表輸出控制量為4-20mA,實時調節晶閘管調整器的輸出功率。
 
 
    該系統采用集中管理和分散控制的控制思想,順序控制、數據采集、故障處理由PLC完成,溫度控制由智能儀表XMA-5000完成,上位機負責整個退火過程的監控及組態管理。系統的控制任務是分散的,但是各個測控單元的信息是開放的,可以相互交換數據,共同配合完成整個系統的控制過程。
 
 
 
三、上位機控制系統及專業組態軟件
 
    上位機主要由兩臺工控機和打印機等外圍設備組成。采用專業的上位機組態軟件,實現人機操作界面,包含現場整體狀況、報警提示記錄、數據的顯示和記錄、操作命令的執行等功能。
 
    在實際生產中由于產品規格和工藝要求不同,退火工藝中退火曲線常常需要頻繁的更改參數,傳統的手工操作儀表的參數的設置和修改方面很繁瑣,上位機組態軟件的應用,可實現通過計算機鍵盤快速直接設置系統參數修改參數或者工藝曲線的修改。同時組態軟件可實現爐群集中監控和每一個加熱爐單獨監控,可實時顯示每個加熱設備的工作狀態及各項實時數據。系統出現故障時,控制柜發出蜂鳴報警提示的同時,上位機計算機界面同時顯示報警提示,并提供故障查詢和提示相應處理解決措施的功能。在管理方面該熱處理自動化軟件具有管理人員權限設置功能,根據不同層次管理人員和操作人員的使用需求,可設置多個用戶登錄權限,高級別的用戶可擁有更多的操作和查看的權限,同理一線操作人員擁有有限的操作權限,以保證生產的安全。
 
 
四、總結
 
    整個退火爐群控制系統由具有現場通訊能力的智能溫控儀表和PLC共同構成系統網絡,使各個加熱設備與上位機實現信息交換,可通過現場溫控儀表實現信號采集、控制、故障處理等功能,也可以通過監控計算機來進行數據查看處理、控制動作等等功能,實現集中管理控制。而PLC和溫控儀表之間既可以獨立運行完成控制,各系統互不干擾,又可以通過上位機實現集中監控管理。該套系統在實際投入使用后控溫精度好,運行穩定,實現了較高的生產自動化水平。實踐證明該套控制系統還可以升級為車間管理級,控制罩式爐數量更多的熱處理車間,滿足更高的管理需求。
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