关键词：全氢罩式炉;退火;自动控制
1 引言
攀钢冷轧罩式炉，是上个世纪九十年代初由德国LOI公司设计制造的全氢罩式退火炉，其控制系统是采用早期S5—115U控制系统，备品备件无法购买;原系统也不能支撑目前的生产管理系统，必须进行控制系统的改造升级，以解决控制系统的更新换代和实现罩式炉生产的信息化。全氢罩式炉是一种退火工艺水平很高的罩式退火设备,具有生产效率高、退火产品质量优,介质、能量消耗低等优点,是改善和提高冷轧产品特别是冷轧带钢表面质量的重要设备,在冷轧产品的生产中得到了普遍应用。攀钢信息公司在消化了工艺技术和控制技术的基础上,对原全氢罩式退火炉的控制系统进行成功升级改造。该自动控制系统以退火温度曲线为目标，实现退火过程的温度模糊控制。运行结果表明该自动控制系统升级改造成功，不但减少故障吹扫率,而且提高全氢罩式炉的生产率，也将罩式炉生产系统接入到攀钢生产管理系统，实现了全氢罩式炉退火过程的自动化和信息化。
2 罩式炉退火工艺过程简述
全氢罩式炉设备包括炉台、内罩、加热罩和冷却罩。其工艺过程如下:炉台装料,放置内罩并利用液压装置压紧内罩;检验H2阀和炉台内罩密封性,确保系统安全;用氮气吹扫内罩内空气,使内罩内氧含量减少到1%以下,为通入氢气做好准备;在内罩外放置加热罩,内罩和加热罩之间为燃烧区间，用空气吹扫燃烧区间的残余煤气。当内罩内氧含量低于1%时,开始加热点火;并用氢气置换内罩的氮气实现全氢气氛退火过程;退火过程的加热段、均热段，控制氢气流量吹扫;热密封测试;带加热罩冷却;吊走加热罩/热辐散/安装冷却罩;冷却罩冷却、喷淋水冷却;用氮气吹扫炉内氢气;钢卷吊运出炉。
3 控制系统设计
根据全氢罩式炉工艺的特点和实施自动控制的需要,自动化系统架构采用两级控制系统和三级网络系统。两级控制系统即过程控制计算机（L2）系统和基础自动化（L1）系统组成;三级网络由过程控制级以太网、基础自动化（L1）级以太网及设备级现场总线组成，各分布式I/O站与控制器间以PROFIBUS总线连接。自动化系统配置图如图1 所示。
按最优性价比的标准,选择西门子S7系列PLC系统为基础自动化系统，控制系统设计为一套PLC控制2台全氢罩式退火炉的系统模式,系统包括组成分布式3个I/O站（炉台阀站ET200M 、加热罩 ET200M 、冷却罩ET200M）、现场总线、OP操作面板和监控显示系统。在L1高速以太网上设置了2台服务器，2台前置数据采集机，1台开发站，2台操作站。2台服务器配置2块3COM通用以太网卡，一个网卡与前置机进行数据通讯，另一网卡与监控操作员站进行数据交换，以服务器与客户端的形式完成监控数据的交换和传递。2台前置数据采集计算机1台正常工作，另1台热备冗余，并配置双网卡，一个网卡与21套PLC进行数据通讯，另一网卡与监控操作员站和数据库计算机进行数据交换。其中历史数据库服务器,主要提供历史数据保存和访问，信息服务器主要为实时数据提供访问，供操作画面与PLC的数据通讯。监控软件采用WONDERWARE公司的IAS版本，以客户/服务器方式工作,完全能够满足冷轧39座罩式炉的工艺监控操作、报警消息、历史数据归档、实时数据、退火曲线显示等要求。
L2系统包括一台数据服务器和1个操作员站，一个维护站，主要实现历史数据存储，退火曲线的管理，与冷轧L3系统的联接。
自动控制系统开放性好，采用分布式I/O控制方案,提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力,同时又降低控制系统造价,达到合理配置的目的。控制系统特点如下:
（1） 可靠性高
采用分布式I/O，PLC、通信网络和分布式I/O之间相互实行电气隔离,可彻底防止任一设备故障而影响网络中其他设备的正常工作，可随时从网络中解除或挂入，而不影响网络系统的运行，信号连接线短，就地处理信号，引入干扰小;模块供电分散也可以有效地减少由于电源引入的干扰,或电源故障而引起的系统故障。
（2） 灵活性好
由于工艺改变而需增加信号时,只要将新增信号接入附近分布式I/O柜即可,施工方便。
（3） 具有明显的经济效益
和集中控制方案相比,采用分布式I/O控制方案,可以节省很多电缆投资,所有需进PLC柜的信号接至现场分布式I/O柜即可,从分布式I/O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通信网络电缆,敷设电缆所需的安装材料及人力也可大量减少。此控制系统的PLC 配置有效地发挥PLC 自身的功能和优势,并降低系统造价,提高系统的可扩展性、可靠性和实用性。
（4） 系统开发性好
自动化系统硬件设备、软件的选型、网络配置，遵循通用性强、开放性好的原则，便于今后软件的开发、移植、系统升级以及硬件扩展。
4 控制功能
全氢罩式退火炉的退火过程，以钢卷的钢种、规格为基础，接收来自过程计算机的退火温度曲线为控制目标,完成退火全过程的连锁控制和回路控制,包括自动点火控制、燃烧过程控制,冷却风机的运行、循环风机的变频控制、炉温炉压监测与控制、氮气和氢气流量控制、冷却水系统控制、各种阀门操作、事故紧急吹扫控制。控制功能根据工艺过程完成以下的内容:
（1） 内罩设置以及内罩夹紧松开装置的控制。
（2） 进行H2阀和炉台内罩系统的冷态密封性试验。
（3） H2 、N2 的吹扫过程控制以及H2 、N2 流量检测。
（4） 加热罩的设置和点火,退火过程的加热和均热,以及炉台热态密封试验。
（5） 冷却过程的温度调节。
（6） 各种过程变量的监测包括炉台温度测量、冷却水流量及温度监测、内罩压力监测、内罩压力安全装置监测、控制温度测量,O2 含量测量、氮气和氢气流量监测等以及相关工艺过程的监测控制。
（7） 在退火过程中各类故障的检测以及报警,并根据相应的情况给予特殊情况下的退火处理。
（8） 完成和过程计算机的通信,接收来自过程计算机的退火温度曲线等各类数据（包括各种设定值,如退火时间设定、退火温度设定、吹扫时间设定、吹扫量设定等）,并把过程监控状态信息以及故障信息从PLC 传至过程计算机。
（9） 接受生产管理系统下送的生产数据，上传生产的实际数据。
（10）用于测试和维护操作的手动运行功能。
5 重要控制功能的实现
5. 1 炉台温度模糊自适应控制
加热程序最多允许有16个时间段来对温度进行控制，设定每一个时间段的起始温度和结束温度，数据可以通过过程计算机设定、在OP操作面板设定以及监控画面上来进行设定。加热烧嘴共12个，12个加热烧嘴分两层排列，底部第一个烧嘴可用于废氢燃烧。每个烧嘴配备自己的点火装置和火焰监控系统。点火前，燃烧空间用最大的助燃空气吹扫5分钟。然后点火，所有12个烧嘴都控制，加热阶段时，顶部一排的烧嘴循环控制，底部一排的烧嘴连续控制，加热完毕到保温阶段时，底部的烧嘴循环控制，顶部烧嘴关闭。如果底部烧嘴不能维持设定点温度，顶部烧嘴将重新参与进来控制。整个温度控制根据温度曲线，自动实现12个喷嘴的模糊开关控制。
5. 2 炉台循环风机速度自动控制
全氢罩式炉循环风机采用无级变频调速控制，根据加热情况、钢卷的钢种和规格的区别，通过预先选择的循环风机速度与起始时间和起始温度的设定曲线来控制。保证了风机速度与气氛气体的比重和温度相匹配，由于热效率高，退火周期大大缩短，与传统罩式炉相比缩短了30%～40%，能耗大大降低，显著降低了电耗。
5. 3 H2流量自动控制
氢气流量控制由伺服电机的开和闭来实现，通过预先选择的氢气流量与起始时间和起始温度的设定曲线来控制。与加热程序类似，氢气流量控制也是最多允许有16个时间段来对流量进行控制，设定每一个时间段的流量、时间和起始温度，曲线数据可以通过过程计算机设定、在OP操作面板或监控画面上来进行设定。
5. 4 事故吹扫控制
出于安全保护的原因，全氢罩式炉在炉内压力低于2.5mbar，或炉内氧含量高于1%，以及高温密封测试不合格时，都会产生氮气紧急吹扫。紧急吹扫后只能在N2气氛下继续退火或冷却，退火周期延长，而且严重影响带钢表面质量。
5. 5 异常情况的处理
由于紧急停电、压力开关误报、高温密封测试没通过（经确认不是泄漏而产生的密封不合格）而发生的急紧吹扫，吹扫后均可用H2置换炉内的N2。具体操作方法如下：
（1）在加热阶段的炉台由于上述原因造成的紧急吹扫，经确认没有泄漏，进行如下操作：①关断加热罩;②将炉台置于基本状态;③启动N2预吹扫，结束后重新点火;④点火后重新设定退火时间、吹氢流量和时间。退火时间用总的退火时间减去实际退火时间再加1～2h，吹扫时间根据退火时间作相应调整。
（2）由于高温密封测试不合格，经确认非泄漏造成可进行如下操作：①将炉台置于基本状态;②启动N2预吹扫，结束后重新点火;③重新设置加热和H2吹扫参数，H2吹扫流量：30m3/h，时间：30min。
（3）冷却阶段发生的紧急吹扫，结束后采用强制打开H2入口，关N2入口，开N2出口，20min后关出口。
6 结束语
攀钢冷轧全氢罩式炉控制系统的升级改造于2008 年10月投入生产,目前已运行2个月，至今系统运行良好,自动投运率达100 %。板卷的各项性能指标达到生产标准,满足用户要求。
