再加热步进炉仪表系统自动化节能改造

唐　毅

（洛伊热工工程（天津）有限公司天津300192）

再加热步进炉仪表系统自动化节能改造

唐毅

（洛伊热工工程（天津）有限公司天津300192）

本文描述了采用SIEMENS S7 414-5H CPU和WINCC等自动化产品实现再加热步进炉的自动控制。网络拓扑结合了Profibus-DP冗余现场总线和以太网（TCP/IP），使用STEP7编程实现了双交叉PID，使用WINCC软件实现了各工艺子系统画面以及参数监控、报表打印等功能。实现了用户控温节能的目的。

SIEMENS；S7 414-5H；WINCC；双交叉PID；节能

1　项目简介

1.1概述

天津钢管公司（TPCO）轧管一部Ф250机组再加热炉始建于上世纪80年代，2000年进行了油改气，炉温控制采用施耐德（Modicon）PLC控制系统，至今已工作十多年，为TPCO的发展发挥了重要作用，但此系统结构复杂，维护繁琐，而且已进入设备老化和故障多发阶段，炉温波动大，钢管加热质量不稳定等弊端日益明显。

公司对该项目的改造主要是对再加热炉热工控制系统改造。改造后的控制系统采用西门子当时最先进的S7 414-5H冗余控制系统、从站采用热插拔冗余设计、主流的WINCC7.0可视画面操作系统软件，采用我司研发的基于PID控制的双交叉控温程序，改造后温度控制精度高、均匀性号好、能耗低。该项目在2013年12月经用户正式验收使用后,一直保持正常生产运行,为客户创造了重大的社会效益和经济利益。

1.2项目概况

1.2.1用户要求保留全部原有的仪表控制功能，如：炉温超过1000℃、热风温度超过500℃、总管煤气压力低于6kPa时设声音报警装置。另外，添加停炉报警灯。配备彩色打印机。保存5年炉况记录。炉温曲线保存一个月，随时能打印。PLC主站更换，从站系统更换。PLC程序编制及调试，HMI程序编制及调试等主要内容。

1.2.2本次升级改造必须要在规定的时间内完成，不能影响正常的工业生产。（含在现场拆除、安装及调试时间最多7天）。

1.2.3项目完成后达到的技术指标：温度控制精度0.8%（温控精度:预热段±10℃，加热段和均热段±8℃），炉子能耗降低1%。

1.3控制系统主要控制设备

主要控制设备的自动化产品数量及型号见表1。

表1　主要控制设备的型号与数量

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2　控制系统的构成

2.1控制系统网络拓扑图（见图1）

本系统由两层网络结构设计,包括控制层(系统操作层)、设备层（I/O层）。（1）设备层。CPU采用西门子的S7 414-5H冗余CPU，设备层网络采用Profibus-DP冗余总线连接各个远程I/O站。（2）控制层。采用标准的100M以太网结构，上位机和PLC之间通过交换机通讯。

图1　网络拓扑图

2.2上位机配置

上位机设备属于控制层设备，此部分包含了2台西门子工控机站、1台D_LINK 8口网络交换机、1台激光打印机、1台IBM便携式计算机作为工程师站。

2.3上位组态软件配置

操作员站采用WINCC7.0 8K运行版作为上位机的组态软件,上位机内配备CP1613通讯网卡以连接冗余CPU，操作系统为Windows 7 Professional。

工程师站内安装编程软件STEP-7 v5.5，组态软件采用WINCC 7.0开发版，8K带授权，操作系统为Windows 7 Professional。

2.4监控画面（见图2）

图2　画面概况

3　控制系统功能及要点

3.1双交叉PID控温

该控温方法是我司在基本双交叉PID控温的理论下自行开发出来的一种比例偏差型双交叉控温方法，其控制温度变化的反应速度较之前的方法有了很大的提高，不再仅限于稳定工况的控温，十分符合用户步进炉现场多变的负荷情况。为了保持跟以前一致的控制习惯，将双交叉K1、K2、K3、K4参数端口外置，便于用户修改。虽然现场阀门没有在本次改造范围内，一些阀门的控制精度和滞后性，对控温精度产生了一些影响，但在连续生产的工况下，控温精度达到：预热段±5℃，加热段和均热段±4℃（系统），满足了用户的控制精度要求。经过能耗统计，也达到了用户的节能1%指标要求。

3.2温控连锁

PLC程序中设定炉温安全联锁触发条件：空气压力低、煤气压力低、压缩空气压力低、净环冷却水压力低、急停继电器触发、HMI手动停炉报警。有以上联锁条件触发后：煤气总管切断阀切换为手动状态，并关闭；各区温控PID由切换为手动状态，并关闭空煤气阀门；热风压力调节阀、热风放散调节阀、煤气总管调节阀切换为手动状态，并设置为0%开度；烟道闸板调节阀切换为手动状态，并设置为5%开度。

3.3集中降温

当用户在HMI上手动触发该功能后，可以实现分段（1-4,5-8,9-12）集中降温功能。降低的温度可以通过HMI设定，但不能超限（一般为10℃）。降温时以1℃/10s的速率进行，并可以随时取消该功能。

3.4集中关断

当用户在HMI上手动触发该功能后，可以实现分段（1-4,5-8,9-12）集中关断功能。当关断时，各PID环节都切换为手动模式，空煤气阀门输出为0；但空气阀按照阀门下限控制，可以对下限进行设置，以达到空气阀关闭时留量的目的。

3.5集中恢复

当用户在HMI上取消集中关断后，可以实现分段（1-4,5-8,9-12）集中恢复功能。温度设定值逐渐恢复到集中关断前的温度值。集中降温、集中关断、集中恢复这三个功能实现了用户待料时降温节能的目的。

3.6自动报表打印功能

设置打印报表温度门槛，当最高炉温超过该设定值时，启动自动打印报表功能，按照设定时间间隔，输出规定的温度流量值到报表，该报表以.CSV的格式存储，便于EXECL读取。

4　项目运行

经过前期的仔细准备，在2013.9.1轧管一部开始年检后，仅用2天就完成了新旧电气柜的更换和接线，再经过2天的冷调后，提前进入烘炉准备阶段。在接下来的3个月生产测试过程中，设备运行良好，状态稳定，温控精度和节能效果都达到、超出了设计要求，圆满完成了改造项目的任务。

5　结语

通过整个项目的实施过程，从设计、安装到调试，对改造项目工有了更深层次的了解和认识。（1）西门子S7 414-5H该CPU是当年西门子最新推出的冗余CPU，按照我们的经验一般是不会采用如此未经过市场时间验证的产品，但是由于用户的坚持，我们采用了它，在设备投产后系统长期无故障的使用，还是证明了这款西门子的产品性能稳定可靠。（2）由于本项目是改造项目，要求现场停机时间短，恢复生产后控制系统性能稳定，较以前的系统控温精度高。这就要求我们在前期必须做好大量的准备工作，仔细核对设备图纸和现场实际的差别，设计好对应的线路和电缆接口，设计好完善的程序，并对改造方案仔细斟酌，力求在尽量少的时间内完成电气系统设备更换及测试，保证设备正常投产、为用户创造更大的利润。

[1]西门子STEP 7编程手册.