罩式退火爐溫度控制系統應用

罩式退火爐溫度控制系統應用

1 罩式退火爐工藝

  罩式退火爐由爐臺、內罩、加熱罩和冷卻罩等組成。退火材料為產品大綱中所列的銅及銅合金帶卷，工藝參數為:

   產品大綱C10100，C10200，C11000，C12200，C14300，C26000，C27000，C19400，C19210，C15500和C52100; 帶材厚度0.1 ～ 16mm; 帶材寬度650～1 250 mm; 帶卷外徑Max Ф2 000 mm; 帶卷內徑Ф610 mm; 每卷質量10t( 帶寬650 mm) ，15t( 帶寬850 mm) ，20t( 帶寬1 250 mm) ; 裝爐數量4卷( 帶寬650 mm) ，3卷( 帶寬850 mm) ，2卷( 帶寬1 250 mm) ; 退火溫度250 ～ 700 ℃; 退火氣氛根據不同材料選擇N2，25%N2+75%H2，75%N2+25%H2和95%N2+5%H2

     罩式退火爐生產工藝是利用加熱罩對內罩里的退火材料進行加熱保溫，達到要求的溫度和時間后，換用冷卻罩將內罩及里面的爐料冷卻至常溫。退火溫度是罩式退火爐最重要的工藝參數，溫度控制的好壞直接影響退火產品的質量。

    罩式退火爐的加熱罩為燃氣式加熱罩。天然氣從燃氣總管接入加熱罩環形燃氣管道，再經8個垂直支氣管接至均勻分布在環形爐壁上的8個高速燒嘴。安裝在加熱罩上的助燃風機將空氣吸入空氣總管，空氣經煙氣換熱器預熱進入環形空氣管道，再經8 個垂直支氣管接至8 個高速燒嘴。兩種氣體在燒嘴前室混合，經點火后燃燒噴射出火焰，灼熱的爐氣通過輻射與對流使內罩溫度升高。加熱的內罩通過輻射與對流將熱量傳遞給料室空間的退火材料。料室空間的氣體在循環風機的攪動下強對流，加速內罩與爐料的熱交換。冷卻罩的冷卻是先用冷卻風機吹掃內罩，當溫度降至250 ℃以下時，用冷卻水噴淋內罩，內罩上的熱量被冷風和冷水帶走，從而使內罩溫度降低。內罩與爐料的熱交換過程與加熱時相反。

2 系統組成

   罩式退火爐生產過程包括料卷上爐臺、扣內罩、液壓夾緊、抽真空、冷密檢、預沖洗、充保護氣、加熱及溫度控制、保溫、冷卻、后沖洗、出爐等幾個環節。退火過程控制系統包含了溫度、壓力、流量、成分等參數檢測裝置，按鈕、指示燈等人機接口，電磁閥、接觸器、調節閥等執行機構，計算機、PLC 等自動化裝置。按照目前流行的工業自動化層次結構［3］，自動化系統可分為3級:第0級為現場裝置級，包括各種傳感器、變送器與執行機構等，主要負責檢測設備運行過程中的工藝參數，并根據基礎自動化級的控制信號對

過程設備進行操作。

    第1級為基礎自動化級，包括PLC 或DCS，主要實現對過程的順序控制、邏輯控制及簡單的數學模型計算。

   第2級為過程自動化級，包括過程計算機等，主要負責生產過程的監控、工藝設定參數的錄入、過程參數的歸檔等。

    本自動化系統結構見圖1。該系統由2 臺過程計算機( 1臺操作員站，1臺工程師站) ，1套西門子S7-300PLC ( CPU318-2DP) 及8個ET-200M遠程I/O 站組成，采用Profibus 現場總線連成控制網絡。1臺打印機與操作員站連接，用于打印生產報表。操作員站備有與3 級系統通信的接口

每個遠程I /O 站實現對現場單個爐臺的信號采集與控制。配置一塊IM153 模塊，作為網絡通信的接口；根據現場I/O 點數配置2塊DI 模塊( 32 點) 、2 塊DO 模塊( 32 點) 、1 塊8 通道AI 模塊、1 塊4 通道AO 模塊。

   控制箱按鈕、轉換開關及過程開關量儀表接入DI 模塊，指示燈、繼電器、直流24 V 電磁閥接入DO 模塊，AC220 V 負載通過繼電器轉接到220 V交流電源。傳感器、變送器等模擬量信號接入AI 模塊，輸入信號種類用安裝在模塊側面的量程卡來設置。AO 模塊的輸出信號接至調節閥、變頻器等執行機構。

   系統檢測控制儀表主要有: ( 1) 壓力開關用于檢測助燃空氣的壓力是否達到規定值; ( 2) 熱電偶用于檢測加熱罩和料室空間的溫度; ( 3) 調節閥由電動執行機構和蝶閥組成，安裝于助燃風機后空氣總管，用于調節助燃空氣入口流量; ( 4)空燃比例調節閥安裝于各燃氣支氣管，接受助燃空氣調節閥后的壓力控制信號，調節燃氣閥門開度，實現閥后燃氣出口壓力和入口控制壓力1:1的恒定比例; ( 5) 點火控制器接收手動或自動點火命令，控制燃氣主電磁閥打開與點火線圈得電并經點火變壓器實現高壓打火。

   系統軟件包括人機界面和PLC 控制程序。人機界面由Simatic WinCC 組態，主要有以下功能:(1) 帶有設備外形的過程狀態顯示; (2) 常用工藝配方的編輯、存儲及調用; (3) 退火操作參數錄入;(4) 過程變量歸檔( 包括表格和曲線趨勢兩種形式) ; (5) 報警消息顯示; (6) 報表生成和打印。西門子S7-300 PLC 采用Step 7軟件進行硬件組態和編程。硬件組態必須與實際組態一致。

3 系統控制

3. 1 升溫段溫度控制原理

    退火過程主要包括加熱和冷卻兩個過程，加熱過程又分為升溫和保溫，冷卻過程又分為風冷和水冷，退火工藝曲線見圖2。升溫段溫度按照一定的升溫速率上升，保溫段是典型的定值控制。

根據分段控制的思想，將整個升溫段均分為M個小段: 設升溫段起始溫度為T0，結束溫度為T1，升溫時間為t0

，則在t0時間內溫度變化為( T1－ T0) ; 給每個小段設定時間為若干分鐘，記為Δt，則在Δt 時間內溫度變化為ΔT，ΔT = ( T1－ T0) /M，M = t0 /Δt，這樣在每個小段時間內設定溫度只增加ΔT( ℃) ，有T( k + 1) = T( k) + ΔT，式中，k =0，1，2，…，M － 1。將T( k + 1) 作為設定溫度，就能控制溫度按給定的速度升高.

3.2 溫度控制方式

    溫度控制系統的受控變量選擇料室空間靠近爐料的氣體溫度是因為它直接反映了爐內的熱平衡關系，且容易測量，便于安裝測量元件。

    爐內溫度受兩個因素的影響，即天然氣燃燒放熱和爐料吸熱。若單位時間內天然氣燃燒放熱的速度高于爐料吸熱速度則料室空間氣體溫度上升，反之則料室空間氣體溫度下降。由于天然氣燃燒放熱的速度可通過改變燃燒功率來控制，所以選擇天然氣燃燒功率作為操縱變量。

    天然氣燃燒功率= 天然氣熱值×天然氣瞬時流量通過調節天然氣的流量就能改變加熱罩的燃燒功率。

    通常的做法是在天然氣管路上安裝調節閥，同時按比例控制助燃空氣的流量。而本設計中正好相反，即調節閥安裝在助燃空氣管路上，同時按比例控制天然氣的流量。這樣設計的好處是: 由于天然氣與助燃空氣的流量比一般在1 ∶ 4左右，所以當有擾動存在時，以助燃空氣流量作為主控參數要比以天然氣流量作為主控參數對燃燒功率影響小。

    溫度控制系統如圖3 所示。溫度調節器采用西門子FB41 連續控制功能塊，采用數字PID位置控制算法，其中PID參數需要整定。

3.3 溫度控制系統的改進

    由于助燃空氣調節閥安裝在空氣總管上，當閥門開度很小時，進入下游8個燒嘴的助燃空氣流量和燃氣流量都很低，常常造成燒嘴熄火，因此需要限制調節閥開度的最小值，但是采取該措施的后果則是增大了溫度偏差，溫度波動范圍約為±5℃。

    針對這種情況，我們對溫度控制系統進行了改進。改進思路是: 按照調節閥的開度，將整個控制范圍分為兩個區間，在20% ～ 80%之間，采用調節空燃流量的方法控制; 在0% ～ 20% 之間，采用減少投入燒嘴個數控制燃燒功率。由于燒嘴燃燒和加熱過程是一個非線性、時變和滯后的過程，因此難以建立精確的數學模型，只能根據操作者的經驗設計一種模糊控制算法。通過觀察溫度偏差和溫度的變化趨勢做出決策，增加或減少燒嘴投入的數量，最終達到控制溫度的目的。

    模糊控制器的輸入為溫度偏差e 和溫度變化趨勢de/dt，溫度偏差的精確輸入量e∈［－5，+5］℃，定義在論域上的語言值有“負大”、“負中”、“負小”、“負零”、“正零”“正小”、“正中”、“正大”; 溫度變化趨勢根據變化方向和變化速度分為“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正小”、“正

中”、“正大”

    模糊控制器的輸出為投入燒嘴個數N。1臺加熱罩共有8個燒嘴，投入個數可以是8，7，6，5，4，3，2，1，0。為了減小控制算法的復雜性，定義{ 2，4，5，6，7，8} OFF 為“負大”，{ 2，4，5，7} OFF 為

“負中”，{ 5，7} OFF 為“負小”，{ 5，7} ON 為“正小”，{ 2，4，5，7} ON 為“正中”，{ 2，4，5，6，7，8} ON為“正大”。保持燒嘴原來的狀態定義為“零”。{ 1，3} 為基本燒嘴常開。根據操作人員經驗和專家知識，得到控制規則表，如表1 所示。

表1 罩式退火爐燒嘴模糊控制規則表

3. 4 控制效果

    模糊控制系統投入使用后，極大提高了系統響應速度，改善了溫度控制波形，超調量和穩態誤差顯著減小，跟隨性能和抗干擾能力明顯增強，溫度控制精度可達到± 1 ℃。圖4 是8 號爐3 卷黃銅的退火溫度曲線記錄，由圖中曲線可見良好的溫度控制效果。