金風(fēng)濤

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，我國(guó)各行各業(yè)都在謀求轉(zhuǎn)型升級(jí)，以降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前，鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)都已普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，罩式爐的退火過程采用基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)的二級(jí)系統(tǒng)模型，能夠?qū)崟r(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)督生產(chǎn)過程，以提高罩式爐退火質(zhì)量，過程控制系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)罩式爐退火曲線的計(jì)算、與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的通訊、鋼卷組垛以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與儲(chǔ)存等，也具備監(jiān)控管理功能，確保系統(tǒng)或者設(shè)備的正常生產(chǎn)運(yùn)行[1]。

1 罩式爐退火工藝簡(jiǎn)述

罩式退火爐在鋼鐵生產(chǎn)上有著關(guān)鍵作用，其退火工藝的操作流程是：根據(jù)退火規(guī)劃，向爐臺(tái)上裝料，即將鋼卷堆垛在退火爐臺(tái)上并壓緊，對(duì)退火裝置進(jìn)行泄露測(cè)試，若退火爐臺(tái)、氫氣入口閥以及內(nèi)罩系統(tǒng)都沒有問題，則進(jìn)行下一步，向爐臺(tái)放置加熱罩，向罩內(nèi)吹入氮?dú)釴2，滿足一定條件以后換用氫氣H2吹掃，將氫氣保留在內(nèi)罩里，排除氮?dú)?。之后點(diǎn)火加熱，不同的材質(zhì)的鋼種需要使用不同的加熱曲線進(jìn)行持續(xù)加熱，直到鋼卷卷心上升到一定溫度，之后進(jìn)行保溫。罩式爐退火工藝復(fù)雜，使用氫氣的原因在于氫氣作為保護(hù)氣體能夠較好滲透到鋼卷層間，能夠顯著提高傳熱效率和退火質(zhì)量。

保溫之后進(jìn)行退火、冷卻，將加熱罩吊離，用循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)為輻射冷卻模式對(duì)加熱罩進(jìn)行冷卻，接著扣上冷卻罩，啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)，循環(huán)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行利用周圍空氣循環(huán)流動(dòng)來冷卻內(nèi)罩。當(dāng)內(nèi)罩的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。待鋼卷材料卷心溫度達(dá)到相應(yīng)數(shù)值時(shí)，冷卻過程完成，吊走冷卻罩，然后用氮?dú)釴2吹掃，排除內(nèi)罩里的氫氣，吊離內(nèi)罩[2]。最后是卸料工作，將鋼卷從罩式爐臺(tái)上吊離，完成整個(gè)加熱、保溫、冷卻過程。

2 系統(tǒng)構(gòu)架組成

2.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)罩式爐退火工藝流程和其過程中對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)構(gòu)架采用兩級(jí)控制系統(tǒng)，一級(jí)為基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，二級(jí)為過程控制系統(tǒng)，罩式爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)，為每座爐臺(tái)都配備一套S7－300控制器和一個(gè)OP操作面板；PLC控制系統(tǒng)不僅能夠完成對(duì)設(shè)備的控制，還具有對(duì)內(nèi)罩壓力、爐臺(tái)冷卻水流量、氧含量等安全連鎖功能，OP操作面板則能夠檢查和糾正生產(chǎn)工藝的各項(xiàng)參數(shù)、確認(rèn)系統(tǒng)安全性、查詢報(bào)警信息查以及執(zhí)行應(yīng)急操作等功能。

2.1.2 過程控制系統(tǒng)

中央操作系統(tǒng)（COS）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)退火過程的相關(guān)操作和全程監(jiān)控，操作人員可通過系統(tǒng)采集的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，調(diào)出各罩式爐生產(chǎn)狀態(tài)，檢查有無故障的產(chǎn)生，以保障生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

過程控制系統(tǒng)（PCS）由5個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成，包括退火模型、L3數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)采集、HMI監(jiān)控以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。退火模型以實(shí)現(xiàn)退火曲線的科學(xué)計(jì)算與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)退火曲線的糾正為目的，通過建立罩式爐退火過程在線數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)過程溫度進(jìn)行持續(xù)跟蹤；L3為生產(chǎn)管理系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)通訊模塊需要與上一級(jí)過程控制系統(tǒng)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)待退火鋼卷信息、組垛信息以及退火完畢鋼卷信息的傳輸；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，整理并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中；HMI監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控管理對(duì)象涉及整個(gè)過程控制系統(tǒng)，需要對(duì)鋼卷組垛信息、退火工藝溫度曲線計(jì)算與修改、能源使用情況以及設(shè)備或者系統(tǒng)故障等信息的監(jiān)控，也要對(duì)罩式爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與保存；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則包含了罩式爐過程控制系統(tǒng)中所有相關(guān)數(shù)據(jù)，是存儲(chǔ)、管理與查詢數(shù)據(jù)的倉庫。

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

罩式退火爐過程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。上位機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與罩式爐之間通過PLC系統(tǒng)建立聯(lián)系，在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中，會(huì)使用到很多的罩式爐，每一個(gè)爐臺(tái)都有一個(gè)PLC工業(yè)控制系統(tǒng)，其中應(yīng)用服務(wù)器是雙網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)，一個(gè)網(wǎng)卡用于和L3生產(chǎn)管理系統(tǒng)通訊，另一個(gè)與爐臺(tái)PLC系統(tǒng)通訊[3]。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)與功能

3.1 退火工藝模型

罩式爐退火材料有很多種，系統(tǒng)對(duì)于每一個(gè)鋼種都存有相應(yīng)的退火工藝表，這就是退火工藝模型的預(yù)計(jì)算功能，需要根據(jù)鋼種、組垛鋼卷數(shù)量、材料的各項(xiàng)參數(shù)等綜合計(jì)算出此鋼種的加熱時(shí)間、保溫時(shí)間以及退火時(shí)間，得到科學(xué)、合理的退火工藝區(qū)曲線。另一種功能便是動(dòng)態(tài)在線計(jì)算，當(dāng)入爐參與組垛的鋼卷詳細(xì)信息與之前預(yù)定的情況不同時(shí)，則數(shù)據(jù)庫中針對(duì)鋼種的退火工藝曲線表就無法發(fā)揮良好的生產(chǎn)控制作用，這時(shí)需要結(jié)合鋼卷垛的實(shí)際卷數(shù)和鋼卷詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行修正計(jì)算，改變?cè)械耐嘶鸸に嚽€，建立出與實(shí)際生產(chǎn)更加相符的退火工藝曲線表，保證罩式爐的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。另外，外界環(huán)境的改變也會(huì)影響鋼卷的退火過程，在罩式爐工作期間，假如出現(xiàn)了停氣、停電等故障，不可避免會(huì)對(duì)爐內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，這時(shí)需要及時(shí)采集爐內(nèi)相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，修改退火工藝曲線，滿足鋼卷退火的工藝要求，以保證鋼卷的退火質(zhì)量。預(yù)計(jì)算技術(shù)中的溫度是理想狀態(tài)下爐內(nèi)應(yīng)有的氣體溫度，而在線計(jì)算技術(shù)中的溫度是實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)爐內(nèi)氣體溫度。

3.2 L2-L3通訊技術(shù)

L2過程控制系統(tǒng)與L3生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的通訊技術(shù)是罩式爐生產(chǎn)過程的重要技術(shù)。應(yīng)用服務(wù)器中包含L2與L3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的模塊。當(dāng)在L3系統(tǒng)中查詢到了生產(chǎn)任務(wù)，通過模塊通訊，將有待退火鋼卷的信息輸送到L2系統(tǒng)，存入到數(shù)據(jù)庫鋼卷信息表中，等技術(shù)人員將鋼卷組垛完成后，執(zhí)行PLC控制的同時(shí)，該通訊模塊就會(huì)把鋼卷以及組垛完成的信息輸送到L3系統(tǒng)，在退火工藝完成后，進(jìn)行卸料，此時(shí)該通訊模塊會(huì)把此狀態(tài)信息重新輸送到L3系統(tǒng)。

3.3 物料跟蹤

在一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中，就開始了對(duì)待退火物料的跟蹤與記錄，隨著鋼卷信息的改變，二級(jí)系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)更新，完善物料跟蹤功能，以更好地實(shí)現(xiàn)之后環(huán)節(jié)對(duì)鋼卷的控制調(diào)整。物料跟蹤功能需主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域跟蹤和位置跟蹤，其中，對(duì)物料進(jìn)行跟蹤的區(qū)域?yàn)闋t臺(tái)區(qū)域和終冷臺(tái)區(qū)域，而跟蹤的位置信息則是鋼卷在組垛狀態(tài)下的位置數(shù)據(jù)。當(dāng)罩式爐退火過程中，鋼卷組垛位置信息改變或者所跟蹤的區(qū)域內(nèi)物料生產(chǎn)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，之后物料跟蹤數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整，時(shí)刻保持罩式爐過程控制系統(tǒng)中物料跟蹤信息與實(shí)際使生產(chǎn)狀況的一致性，鋼卷退火過程中發(fā)生的特定事件，也會(huì)使罩式爐過程控制系統(tǒng)對(duì)鋼卷狀態(tài)、位置等跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整[4]。當(dāng)罩式爐完成對(duì)鋼卷的退火任務(wù)時(shí)，過程控制系統(tǒng)也就完成了對(duì)鋼卷退火生產(chǎn)整個(gè)過程中物料數(shù)據(jù)的跟蹤收集與整理，將此跟蹤結(jié)果儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)鋼卷的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄中，以作為今后對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率的數(shù)據(jù)參考。

3.4 數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼卷退火生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫等。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)獲取實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再通過系統(tǒng)之間建立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信通道，與罩式爐過程控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸，這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括鋼卷信息、罩式爐工作狀態(tài)、罩式爐生產(chǎn)質(zhì)量等信息等，在TCP/IP協(xié)議下，罩式爐過程控制系統(tǒng)接收基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文，獲取每個(gè)測(cè)量值項(xiàng)目，例如，鋼產(chǎn)量累計(jì)、消耗累計(jì)等，按規(guī)劃收集、處理與統(tǒng)計(jì)這些測(cè)量值。這些數(shù)據(jù)對(duì)罩式爐退火生產(chǎn)過程來說具有一定的反饋?zhàn)饔?，通過分析與統(tǒng)計(jì)，能夠?yàn)檎质綘t退火生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供可靠數(shù)據(jù)參考。帶鋼企業(yè)生產(chǎn)過程中，往往會(huì)用到很多罩式爐，這些罩式爐之間的數(shù)據(jù)沒有關(guān)聯(lián)，隨著數(shù)據(jù)的不斷收集，早期的一些數(shù)據(jù)，可以移出數(shù)據(jù)庫放到硬盤中進(jìn)行保存，如果需要查詢以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再將硬盤保存數(shù)據(jù)回調(diào)至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢[5]。