应用S7-300 PLC进行罩式炉控制系统的设计与分析

摘要 针对罩式退火炉结构特点及退火工艺要求，以西门子s7-300 PLC为核心控制设备，采用Pariahs总线实现整个系统的主从站分布式I/O控制，利用西门子Step7软件实现控温系统的PID限幅控制和脉冲燃烧控制。实际运行结果表明，整个系统温度控制精度高，硬件成本低，很好地满足了工艺上的要求。

关键词 罩式退火炉；PLC;脉冲燃烧控制

0 引言

罩式退火炉是目前应用较多的一种高效退火设备，主要用于冷轧卷板产品最后工序的光亮退火处理，由。于其退火质量较好，生产效率高，而且燃料消耗低，被广泛应用于各大冷轧产品生产厂。大连万通工业装备有限公司在引进消化大连大学重点实验室所开发的先进控制技术基础上，于2004年8月承建张家港中原制管厂罩式炉控制系统。针对三炉罩六炉座的系统结构特点和控制性能要求，设计过程中着重考虑了以下几个方面的内容：为方便现场操作，采用分布式I/O控制模式；为防止系统产生较大超调，进行PID限幅控制；为保证炉内温度场的均匀性，采用脉冲燃烧控制方式；同时，在对脉冲燃烧控制系统的设计中，利用西门子公司提供的Step7 V5.2软件设计程控脉冲分频器，即通过PLC的程序运算控制各炉罩烧嘴的启动、停止及间隔时序，取代以往采用的硬件MPr脉冲分频设备，在很大程度上节约了成本，提高了系统燃烧效率。

l 控制系统硬件配置

针对系统三炉罩六炉座的结构特点，采用西门子S7-300 PLC为核心控制设备，设1个PLC主控制站，3个ET200M从站，主从站通Profibus总线实现信息的上下传输。由于每个炉罩可根据实际需要放置到任何一个炉座上，采用分布式控制模式，将每个I/O子站设在每个炉罩上，炉罩上相应的控制信号直接送入子站，子站只需一根Profibus通信总线和一根电源线与PIE总站连接即可，给现场操作带来很大方便。同时，由于控制室与退火炉间有一定距离，因此采用该控制方式可为厂家节省很多电缆投资，铺设电缆所需的设备材料和人力资源也可相应减少。另外，该系统配置方式具有很好的可扩展性，如果现场工况改变，增加工艺信号或增设炉罩，可直接将信号就近接入一个I/O子站或再配置其它的I/O子站，施工非常方便。系统总体硬件结构如图1所示。

为方便现场操作人员对系统的监视和管理，配置研华工控机一台，它通过MPI总线实现与s7.300 PIE总站的通信，并设置上位机监控系统，监控系统可实现退火炉流程画面显示、参数调节、曲线记录及报警等功能。

2 系统主要功能

各控制系统主要实现的功能包括：

（1）燃气调压保护系统。通过过滤器、安全切断阀、调压阀、安全放散阀实现燃气过滤、高低压安全切断、两次燃气自动放散、燃气压力条件自动控制等功能。

（2）燃气压力测试及保护系统。通过管线电磁阀、放散电磁阀、压力开关组实现燃气压力检测、安全测漏，分析确认炉子安全点火条件，完成燃气高低压保护，安全自锁切断，安全连锁功能，以确保炉子安全点火，防止电磁阀燃气泄漏产生爆炸，并对快速接头连接时的燃气泄漏进行确认。

（3）燃烧系统。由各罩9个烧嘴、相应的燃气电磁阀、空气电动蝶阀、烧嘴控制器、点火变压器组成，通过PIE进行脉冲燃烧控制，完成自动点火，火焰检测，连续燃烧自动通、断及冷却时脉冲供风冷却，加热及冷却过程温度自动控制，并具有故障熄火保护功能，以确保安全燃烧。

（4）PIE自动控制系统。由显示器、工控机、打印机及PIE系统组成，本系统实现工艺曲线设置输入，并按工艺曲线自动控温完成脉冲燃烧的加热、冷却控制；通过上位机监控系统实现温度自动记录及工艺报表曲线等原始数据的处理及打印，并对设备的断水保护及炉台风机高低速的切换实行自动控制；同时，由PLC系统自动进行安全连锁检查，确认设备启动及运行过程的安全条件，并自动进行安全自锁并切断。

（5）风机自动控制系统。由电控元件、变频器及压力开关组成，完成风机启动、压力确认及保证低负荷工况风机的平稳运行。

针对各系统所要实现的控制功能以及硬件上的系统配置，设计整个系统的控制流程如图2所示。图2主要是根据2 加热罩绘制的。

3 PID限幅温度控制

罩式炉热处理过程中，温度的控制关系到产品的质量。温度过低，达不到退火的预期目的；温度过高将导致过热，甚至过烧。本炉温度控制系统采用西门子公司Step7 V5.2设计完成，应用经典PID控制算法，考虑到加热保温段易产生超调，根据实际经验，对PID输出分3级限幅：过程值超过设定值8℃时，输出最高限幅设为20%;过程值超过设定值4℃时，输出最高限幅设为50%;过程值低于设定值5℃时，输出最高限幅设为80%，最小限幅均设为20%。如果要进一步提高控制精度，可进一步细化分级，具体限幅形式及限幅值的设定，在系统调试时，可根据实际情况自行设定和实时修改。同时在上位机监视界面，可进行系统的手自动模式切换、PID参数整定等。PID程序的输出是送到脉冲控制器用以分频的最终值，本炉采用脉冲控制方式控制各烧嘴的工作状态。

4 脉冲燃烧控制

4.1 原理分析

在工业炉窑的燃烧控制系统中，对烧嘴的控制一般有两种方式，即连续控制及脉冲控制。在连续燃烧控制方式下，烧嘴的供热量连续可调，各烧嘴处于相同的燃烧状态，即大火或小火，炉内热气流直接上行。采用该控制方式，被加热件表面容易受热不均，加热效率也不高。在脉冲燃烧控制方式下，相对的一对烧嘴的工作状态正好相反，一台烧嘴为大火时，另一台为小火，可使热气流环形上行，在炉内形成均匀的热力场，这样工件受热均匀，加热效率也大为提高。

本炉燃烧控制系统采用脉冲控制方式，从本质上讲，脉冲燃烧控制是通过改变烧嘴的启、停时间及各个烧嘴的工作时序完成的。本炉每个炉罩设有9个烧嘴，各烧嘴只工作在开/关两种状态下，系统调试时，先根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求将烧嘴一次性调至最佳状态，这样烧嘴每次启动，都处于最佳工作状态，这对于提高燃烧效率，降低排放物污染水平都具有明显效果。系统运行时，9个烧嘴根据程序输出控制信号分时启动，每个烧嘴的工作时间是一定的，当供热量为100%时，每个烧嘴都处于连续工作状态，当供热量降低为50% 、25% 、12.5% 时，各个烧嘴的停止时间也相应延长。图3为1个炉罩上9个烧嘴的工作时序图，限于空间只给出控制值为100%和5o%时9个烧嘴的启动时序。通过此方法可线性地调节烧嘴的供热量，从而调节炉子温度。

脉冲燃烧系统具有很多优点：由于每个烧嘴启动时都处于其最佳工作状态，因而热效率、能耗、排放物的指标都可大幅度提高；通过高速烧嘴产生的热气流，并使多个烧嘴配合工作，可在炉内产生分布比较均匀的温度场，提高被处理工件的加热质量与温度均匀性；最后，如果选择或设计分辨率较高的控制器并配合适当功率的烧嘴，可使系统获得很高的控制线性度。

4.2 程控脉冲分频器

在脉冲燃烧控制的应用中，大都采用硬件脉冲分频设备对输出控制值OUT进行分频，给出各烧嘴的控制信号，该方法费用较高。本炉结合自身特点，应用step7 V5.2软件开发程控脉冲分频器，即通过PLC程序实现硬件分频器的功能。

程序设计中，先对输出OUT进行整理，即根据输出值大小判断是加热还是冷却，同时计算出用于操作的控制值；输人脉宽时间，即各烧嘴启动后的工作时间，该时间可在上位机监控画面根据实际控制需要手动输人和调整；脉冲工作时间循环，根据烧嘴个数，设置多个定时器，并设定其工作时间，以控制各烧嘴的启动时序；对分频数进行限位；计算等待时间，即各烧嘴的延时启动时间；等待循环，确定各烧嘴的等待时间及时序；最后根据最终操作数确定烧嘴工作方式。上述流程如图4所示。

5 系统运行效果

经过现场调试，该控制系统稳定运行曲线如图5所示，其中炉罩曲线只作实时监控用，并不对其进行控制。由图可看出，控制曲线从第1加热段开始，即很好地跟踪了工艺曲线值，在第l保温段、第2加热段、第2保温段、第l冷却段，控制曲线和工艺曲线几乎重合，温差甚微，很好地满足了工艺上的要求。系统在冷却后期实行自然冷却方式，故不再作控制。

该罩式炉控制系统实际投运以来，运行稳定，控制精度高，各段温差基本控制在±2℃ 内，所处理卷板质量很好地满足了厂家及客户需求，同时在很大程度上为厂家节省了成本。由于运行效果好，该系统又先后在江阴华西、无锡、扬州等热处理厂投人使用，控制效果均良好。

[参考文献]

[1]陶永华。新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002

[2]王树青。工业过程控制工程[M] 北京：化学工业出版社，2003