西门子S7-400PLC在冷轧连续退火炉快速冷却段中的应用

1 、冷轧连续退火炉快速冷却段的工艺介绍

在冷轧连续退火机组中，快速冷却技术是核心技术，因为冷却速度对带钢材质影响至关重要。为了生产烘烤硬化钢、双相钢等产品，机组需要具备高速冷却的能力，冷却速度要求达到50℃/s 或更高。迄今为止，所开发的冷却技术主要有喷气冷却（GJC），高速喷气冷却（HGJC），辊冷（RQ），水淬(WQ)，热水冷却（HOWAC），以及闪冷（flash Cooling）等冷却方式，宝钢某机组就采用了最新的闪冷控制技术。整个快冷段由一个圆形炉体，3 个风箱，2 对稳定辊，2 套密封装置，以及电加热设备和辐射高温计等设备构成。炉子结构如图1 所示。

图1 快冷炉结构示意图

2 控制系统的构成

2.1 硬件构成

快速冷却段没有单独的 PLC 控制系统，它是和整个退火炉一体进行控制的，这单独的一个工艺段完成带钢快速冷却的退火工艺。PLC 系统采用了西门子S7-400 系列硬件设备，仪表PLC 的硬件系统如表1 所示。

表 1：仪表PLC 的硬件系统

仪表PLC 与基础自动化的PLC 之间采取工业以太网通讯方式，上位机HMI 与各PLC之间的通讯也采用这种通讯方式。自动化系统网络配置图详见图2。控制系统分为3 个级别：

现场级(L1 级，也称基础自动化级)、控制级(L2 级)、管理级(L3 级)。

图2 自动化系统网络配置图

2.2 软件平台

计算机操作系统采用的是 Microsoft 的Windows XP Professional 英文版操作系统。PLC开发软件采用西门子PCS7 开发软件作程序编制，L1 级自动化监控系统选用西门子Wincc6.0开发版编制。历史数据库采用Microsoft SQL 2000 英文版数据库软件。

3 控制系统的功能

3.1 温度控制

快速冷却功能通过 3 台喷气冷却风机循环喷吹氮氢保护气体进行，风箱布置在快冷段的上行pass，并且在上下两个炉辊室提供电加热辐射管，防止在低产量过冷时进行加热。同时在RCS 段出口进行温度测量，为温度控制提供反馈。下行pass 也提供了电辐射管进行加热，分3 个加热区，目的也是为了防止温度过低。控制上，加热器的投入和冷却风机的转速按相应比例曲线进行。

3.2 炉压控制

冷却速率根据退火曲线，可以选择风箱的投入数量，风箱的位置可以移动，入出口风箱分别由VF 马达进行控制，风箱移动带位置反馈，由编码器完成，同时前进、后退极限位置设置有传感器进行保护，防止风箱移动过头。炉内氮氢保护气体的循环控制回路，有气体温度检测，风机入出口设有压力检测，以保证控制精度。控制回路如图3 所示。

图3 控制回路图

再循环气氛的温度改变会对炉膛压力的稳定造成直接影响，对于炉子来说，将会导致危险情况，对于一个给定的生产效率，可以通过保持一定吹风的温度来避免发生上述情况。

带钢和保护气体的热交换会导致气体温度上升，炉压升高，要降低气体温度，控制器将增加保护气体流量，这样将导致气体温度降低，因此，炉膛内压力降低。

为了避免太低的风机转速会影响操作稳定的下限，要以一个最小功率用来控制风机的最低转速。

马达最小功率计算公式如下:

其中，

Pmin.SP：马达最小功率（基于气体密度氮气：1.250 kg/m3，氢气：0.089 kg/m3）

N：风机最大速度

N1：风机实际速度（速度设定值）

Pmin：风机稳定前最小功率（基于最大风机速度和35%H2 氮氢气体）

ρ2：当前保护气体密度

ρ3：50%H2 氮氢保护气体密度0.67kg/m3

3.3 安全吹扫

这个闪冷工艺段的最大特点就是高氢（最大50%氢气含量），因此安全非常重要。在生产高氢产品前，需要对高氢控制回路进行安全测试，以便在高氢生产中出现故障后，能快速放散氢气，防止故障扩大。

4 结束语

随着退火工艺的进一步发展，尤其会对控制系统的稳定性、先进性以及可扩展性上提出更高层次的要求。西门子S7-400 系列PLC 具备了调试简单，操作方便，使用安全，运行稳定可靠，可扩展性强等特点，可以满足工艺的要求。