硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

張澤瑞

摘 要：文章介紹了國(guó)內(nèi)首個(gè)自主研發(fā)的冷軋硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的基本功能，及其自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、人機(jī)界面、實(shí)驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的電氣儀表及安全功能的基本情況和工作原理。實(shí)踐表明，該自動(dòng)控制系統(tǒng)可以很好地滿(mǎn)足硅鋼退火的工藝要求。

關(guān)鍵詞：硅鋼；退火實(shí)驗(yàn)機(jī)；自動(dòng)控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG334.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0010-01

硅鋼是電力、電子和軍事工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的重要軟磁合金材料，主要用于制造發(fā)電機(jī)、各種電機(jī)、變壓器鐵芯等，按重量計(jì)占磁性材料用量的90%以上，是具有高附加值和戰(zhàn)略意義的鋼鐵產(chǎn)品。取向硅鋼組織以（110）[001]位向的高斯晶粒為主要特征，是唯一經(jīng)過(guò)二次再結(jié)晶得到的鋼鐵制品，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造技術(shù)嚴(yán)格，被譽(yù)為鋼鐵材料中的“藝術(shù)品”。國(guó)外的生產(chǎn)技術(shù)都以專(zhuān)利形式加以保護(hù)，國(guó)內(nèi)的武鋼在1978年開(kāi)始引入日本新日鐵的專(zhuān)利技術(shù)，雖然歷經(jīng)40 a的研發(fā)，時(shí)至今日仍與日本等國(guó)家存在想當(dāng)差距。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品只相當(dāng)于國(guó)外的中低牌號(hào)的產(chǎn)品。因此，對(duì)硅鋼生產(chǎn)工藝的研究和技術(shù)的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)就是為滿(mǎn)足這一需要孕育而生的。

硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的主要目的是用于硅鋼產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)以及連續(xù)退火工藝的研究和優(yōu)化。硅鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的主要功能是完成試樣的加熱、脫碳、還原、滲氮、MgO涂覆和冷卻等工藝過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)機(jī)采用了多段獨(dú)立爐腔組成的工藝段，各工藝過(guò)程的加熱溫度、時(shí)間、氣氛等工藝參數(shù)均可靈活調(diào)整，且通過(guò)對(duì)工藝段的長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，從而改變各工藝段的處理時(shí)間，當(dāng)各工藝段長(zhǎng)度確定后，還可以通過(guò)帶鋼行走速度來(lái)進(jìn)行熱處理時(shí)間的調(diào)整。

1 硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)組成

1.1 硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的組成部分

硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)由：開(kāi)卷機(jī)、夾送輥、剪切機(jī)、滾焊機(jī)、脫脂清洗機(jī)、烘干機(jī)、糾偏裝置、S輥、張力調(diào)整裝置、退火爐本體、退火爐配套加熱設(shè)備及儀表、冷卻裝置、涂層系統(tǒng)、烘干機(jī)、卷取機(jī)、液壓系統(tǒng)、張力測(cè)量、氣氛供給與檢測(cè)、冷卻系統(tǒng)、氫氣報(bào)警系統(tǒng)等組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可分為兩部分，即實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)機(jī)輔助控制系統(tǒng)。

①實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部分，采用SIEMENS公司S7-400系列PLC來(lái)完成實(shí)驗(yàn)機(jī)主控功能。S7-400的416-2DP CPU主要完成全線(xiàn)速度協(xié)調(diào)、爐內(nèi)溫度和氣氛、開(kāi)卷和爐內(nèi)及卷取張力等主令控制、全線(xiàn)的主令邏輯等控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)與手動(dòng)控制功能，具有安全連鎖保護(hù)、失張、過(guò)張連鎖保護(hù)的功能。除此之外，主控系統(tǒng)還將完成對(duì)硅鋼帶材各位置的材料跟蹤，以及各功能自動(dòng)啟動(dòng)和停止。若帶鋼在正常退火運(yùn)行中有一些意外情況造成失張、過(guò)張時(shí)，開(kāi)卷和卷取張力通過(guò)開(kāi)卷和卷取機(jī)上的直流全數(shù)字調(diào)速裝置取得信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；爐內(nèi)張力通過(guò)爐前張力傳感器取得信號(hào)送入PLC進(jìn)行處理和報(bào)警。在退火過(guò)程中，速度需以S型曲線(xiàn)的形式進(jìn)行給定，保證在加速的起始段和結(jié)束段均以圓滑曲線(xiàn)過(guò)度，達(dá)到退火過(guò)程中啟動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)過(guò)程都很平穩(wěn)。速度控制需具有升速（或啟動(dòng)）、穩(wěn)速、最小速度、停車(chē)、快速停車(chē)、急停等功能。采用退火爐前跳動(dòng)輥裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)退火爐爐內(nèi)的張力控制。卷取前的張力檢測(cè)輥可以實(shí)時(shí)將卷取張力提供給PLC，通過(guò)PLC與6RA70配合對(duì)卷取電流的控制，實(shí)現(xiàn)卷取外松內(nèi)緊的工藝原則。

②實(shí)驗(yàn)機(jī)輔助控制系統(tǒng)采用S7-300系列PLC，主要完成對(duì)液壓站、設(shè)備潤(rùn)滑站等的啟?？刂?。

基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與HMI服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)連退和涂層的過(guò)程監(jiān)視和過(guò)程數(shù)據(jù)采集。

直流主傳動(dòng)采用SIEMENS公司的6RA70直流調(diào)速器，交流傳動(dòng)采用SIEMENS公司的MM440交流變頻器。實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)及交流變頻系統(tǒng)的控制及傳動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果傳給HMI人機(jī)界面系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)視和數(shù)據(jù)顯示。

2 人機(jī)界面系統(tǒng)

硅鋼連續(xù)退火和涂層模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)具有如下功能：

①技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)輸入；②原始數(shù)據(jù)輸入；③標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝規(guī)程存儲(chǔ)；④熱處理工藝規(guī)程選擇；⑤開(kāi)車(chē)條件；⑥過(guò)程數(shù)據(jù)的顯示和棒形圖顯示；⑦熱處理過(guò)程全方位動(dòng)態(tài)模擬顯示；⑧故障和系統(tǒng)安全報(bào)警；⑨趨勢(shì)條件查詢(xún)；⑩開(kāi)車(chē)條件查詢(xún)。

人機(jī)界面如圖1所示。

3 檢測(cè)儀表系統(tǒng)

檢測(cè)儀表系統(tǒng)包括爐溫、帶溫、爐內(nèi)壓力、氧含量、氫含量和露點(diǎn)的檢測(cè)。爐內(nèi)氣體分析利用一套氣體分析系統(tǒng)，采用巡檢的方式分別抽取加熱段、脫碳段、還原段和滲氮段的氣體，然后分配給氧分析儀、氫分析儀露點(diǎn)分析儀進(jìn)行退火氣氛的檢控。由于還原段的露點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它工藝段，因此氣體分析系統(tǒng)采用兩套露點(diǎn)儀，分別用于檢測(cè)還原段和其它段的露點(diǎn)。在冷卻段還設(shè)有氧探頭以測(cè)量該部位的氧含量，以保證系統(tǒng)的安全。每個(gè)單元爐段均設(shè)有一只鉑銠熱電偶用于檢測(cè)爐溫。帶溫的檢測(cè)采用紅外測(cè)溫儀，共五套，分別設(shè)置在加熱段、脫碳段、還原段、滲氮段和冷卻段，爐壓采用U型管進(jìn)行檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)機(jī)的安全與環(huán)保功能

連續(xù)退火爐由于應(yīng)用氫氣作為保護(hù)氣氛和冷卻介質(zhì)，因此采取了多種安全措施：

①退火過(guò)程中爐內(nèi)保持處于微正壓狀態(tài)，使?fàn)t內(nèi)氣氛壓力高于大氣，防止空氣溢入；②退火爐入口和快冷段口設(shè)自動(dòng)點(diǎn)火裝置，將萬(wàn)一存在的氫氧混合氣體燃燒；③入口段和出口段使用尖齒輥壓毛氈壓封，減少氧氣入侵，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輥可以在線(xiàn)喂入新的毛氈；④入口段和快冷段采用手動(dòng)風(fēng)門(mén)，在發(fā)生意外時(shí)關(guān)閉，有效防止氧氣的侵入；⑤一旦發(fā)生事故，機(jī)組自動(dòng)停止供氫并緊急充氮?dú)獗Ｗo(hù)，確保機(jī)組安全；⑥退火爐裝有安全防爆裝置，萬(wàn)一發(fā)生意外后可以起到安全保障作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)使用S7-400與S7-300的組合控制方式，6RA70直流調(diào)速裝置及MM440變頻器對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的控制，與控制爐膛加熱的SR10系列溫控儀通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制爐溫，應(yīng)用多種氣體分析儀及露點(diǎn)儀對(duì)爐內(nèi)氣氛實(shí)時(shí)采樣分析，氫氣報(bào)警儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)控制思想先進(jìn)，配置合理，運(yùn)行穩(wěn)定、安全、高效、靈活，為硅鋼的退火實(shí)驗(yàn)研究建立了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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