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罩式炉
太钢国产化罩式炉过程自动控制系统设计方案
全氢罩式炉是冷轧带钢退火的一种重要设备，根据山西太钢不锈钢公司的全氢罩式炉的工艺特征，结合原来引进的罩式炉控制系统，利用profibus网络和分布式I／O的设计思想，开发了国产的罩式炉控制系统。阐述了国产化罩式炉过程自动化控制系统设计与主要控制功能，同时介绍了国产化全氢罩式炉主要安全连镀和上位机画面功能。
1生产工艺介绍
全氢罩式炉设备包括炉台、内罩、加热罩、冷却罩。全氢罩式炉工艺过程是：退火开始时，先将要退火的钢卷堆垛在罩式炉台上，吊装上内罩，对炉台、内罩系统和氢气入口阀进行冷态密封测试，测试成功后，把加热罩扣放在炉台上，进行氮气吹扫；当氮气吹扫满足条件后，用氢气置换内罩里的氮气；加热开始后根据不同的材质选择加热曲线进行温度控制，直到钢卷卷心温度达到要求；然后移走加热罩，接着吊装冷却罩，通过冷却罩上的风机利用周围环境空气来冷却内罩；当通热电偶检测内罩里的循环气氛达到设定温度时，冷却罩风机停止运行；待钢卷卷心的温度达到设定值后，冷却结束，移走冷却罩；然后进行氮气吹扫，置换内罩里的氢气，移走内罩；最后吊走钢卷，一个工艺过程完成。
2过程控制系统设计
系统设计为一个PLC控制1台罩式炉的系统模型。系统采用西门子公司PROFIBUS DP现场总线组成，主要设备有炉台主机架(含CPU)、加热罩ET200、变频柜ET200、变频器和OP面板。PROnBUS DP网络18座和12座各自成线形网络，DP网负责公辅与各炉台之间的通讯连锁，技术成熟可靠，可以减轻DP网络的通讯负担。
系统网络由两级组成，上位控制计算机和S7—300控制器之间采用西门子工业以太网协议，炉台之间和炉台内部采用PROMBUS DP协议。每6个炉台由西门子工业以太网电缆连接至现场交换机(型号：西门子Scalance 212—2)，现场5台交换机与操作室主交换机(型号：西门子Scalance 414—3E)由光缆连接成环形以太网络。该以太网络负责PLC与操作站和L2的通讯，提高通讯处理能力，可满足多台操作站与IBA数据记录的通讯要求。
自动控制系统采用分布式I／O这种成熟的控制方案，提高了系统运行的可靠性和抗干扰能力，同时又降低了控制系统造价，达到了最优性价比的要求。其特点如下：
1) 18座和12座各自设计一套公辅系统，其中，一套公辅故障时不影响另一套的正常运行。每个炉台设计一个PLC系统，该炉台故障时不影响其他炉台的运行。后12座配套公辅系统按18座相同设计，留有进一步扩充的余地。
2) 分布式I／O控制方案，能够节省很多电缆投资和施工投资，现场分布式I／O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通讯网络电缆，系统运行稳定性好，故障点少，便于后期维护。
3 PLC部分主要功能
1)扣内罩。生产准备完成后，PLC对各种介质系统包括水循环、液压系统等进行检查，并判断安全系统、测量系统和各种硬件设备工作正常后，发出对内罩进行夹紧命令。内罩夹紧后控制程序将以—个大的时间轴为参考启动各项控制程序。
2)冷密封测试。程序启动条件具备，打开排放阀以120 m3／h的速度对内罩进行40 min的氮气吹扫，如果氧含量低于1％、软件判断流量吹扫完成后、压力等正常后系统将启动冷密封测试，将关闭排气阀。经过一段时间后如果压力与计算压力相符，认为冷密封测试通过。
3)扣加热罩。判断加热罩在炉台上、冷却罩没有连接、加热罩处于关闭状态、加热罩没有故障，完成加热罩号的读取，助燃风机启动后延时18 s，判断为加热室接入。
4)预吹扫加热室。各种条件具备后，开始启动加热。启动助燃风机，在压力、流量等条件满足时，进行风量******吹扫，在硬件、软件设定时间都达到后，完成吹扫。
5)点火。首先调整助燃空气电动阀和燃气电动阀到点火范围，先打开助燃空气阀，再打开燃气阀，执行点火；如果加热室温度大于180℃启动为热启动，接着判断火焰是否稳定，冷启动需10 min后判断；启动后30 s，如果启动条件仍然具备，认为主火焰稳定，如果烧嘴有故障信号返回，进行重复点火。
6)升温。读取加热室和负荷空间温度，计算与设定值的差值，如果负荷空间实际值与设定值之间的差值≥-1 ℃时，采用负荷空间控制；差值≤-20℃或加热室温度>设定温度10℃时，采用加热室控制；如果差值≤-6 ℃，加热室温度≤-15℃时，采用连续控制；在温度大于一定值或冷却斜率启动后，采用烧嘴开关控制；负荷空间偏差值<-3℃加热开始，负荷空间偏差值>0℃加热结束；根据升温曲线控制助燃空气阀、燃气阀等。
7)保温。（以下都简要介绍）
8)热密封测试。
9)吊加热罩。
10)扣冷却罩。
11)安全吹扫2。
12)吊冷却罩和内罩。
4安全联锁
本罩式炉因为用100％氢气作保护气氛，所以安全联锁在控制中显得尤其重要。主要有以下安全联锁措施：
1)设计中充分考虑到安全，各种阀门仪表均满足密封和防爆要求，在各种故障状况下均保证安全。
2)关键的保护在硬件和软件设计中进行双重设计。
3)T艺步骤中安全吹扫量远大于计算量，留有安全余量。
4)运行中多次密封检查，密封不良时禁止后续操作。
5)火焰检测系统检测火焰燃烧状况，烟道安装残氧分析仪，保证空气过剩系数，燃气使用专用的双电磁阀，防止发生爆炸事故。
6)软件中监测各气源压力，如果不符合正常生产的要求，则根据情况选择对生产影响最小的安全措施。如果控制介质压力低，则不能启动程序；如果隔离介质压力低，不能夹紧内罩；如果炉压过高，不允许进行密封测试、不能启动炉台风机、不能进行加热、同时关闭氮气阀、关闭氢气阀。如果炉压过低，不允许进行密封测试、同时打开氮气阀、关闭氢气阀、关闭排气阀、停止冷却。
7)软件监测各供电开关的状态和供电电压，如果出现故障，则根据情况选择对生产影响最小的安全措施。
8)软件随时记录当时的工作状况，软件启动时判断供电恢复还是人工启动，选择相应的安全启动步骤，尽量不中断正在运行的热处理程序，在保证安全的前提下，降低对生产的影响。
9)与公共PLC交换数据，如果连接中断，则采取相应的安全措施。
5中央操作系统(COS)功能
原EBNER公司的COS系统除实现通常意义上的操作监视功能外，还包含了许多二级系统的功能，主要包括数据的周期归档到ORACLE数据库，各种事件的记录到数据库，各种报警信息记录到数据库。实际上，它和PCS(二级系统)紧密结合在一起，不是我们传统理解的一级和二级的关系。
6结语
太钢30座国产化全氢罩式炉设备和过程自动化控制系统于2011年10月陆续投入使用，并于2012年4月全部正式投入生产。目前系统运行稳定良好，自动控制功能投用率达到100％。国产化罩式炉的各项控制要求和精度与原EBNER公司罩式炉相同。出炉钢卷的各项性能指标符合太钢标准，满足用户要求。
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