罩式爐網絡過程控制系統軟件架構設計與開發

金風濤

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅嘉峪關，735100）

0 引言

隨著市場競爭的加劇，我國各行各業都在謀求轉型升級，以降低生產成本、提高生產質量和生產效率。目前，鋼鐵企業的生產環節都已普遍實現自動化控制，罩式爐的退火過程采用基礎自動化系統和過程控制系統的二級系統模型，能夠實時采集生產數據、監督生產過程，以提高罩式爐退火質量，過程控制系統由5個模塊組成，能夠實現罩式爐退火曲線的計算、與生產管理系統的通訊、鋼卷組垛以及生產數據的采集與儲存等，也具備監控管理功能，確保系統或者設備的正常生產運行[1]。

1 罩式爐退火工藝簡述

罩式退火爐在鋼鐵生產上有著關鍵作用，其退火工藝的操作流程是：根據退火規劃，向爐臺上裝料，即將鋼卷堆垛在退火爐臺上并壓緊，對退火裝置進行泄露測試，若退火爐臺、氫氣入口閥以及內罩系統都沒有問題，則進行下一步，向爐臺放置加熱罩，向罩內吹入氮氣N2，滿足一定條件以后換用氫氣H2吹掃，將氫氣保留在內罩里，排除氮氣。之后點火加熱，不同的材質的鋼種需要使用不同的加熱曲線進行持續加熱，直到鋼卷卷心上升到一定溫度，之后進行保溫。罩式爐退火工藝復雜，使用氫氣的原因在于氫氣作為保護氣體能夠較好滲透到鋼卷層間，能夠顯著提高傳熱效率和退火質量。

保溫之后進行退火、冷卻，將加熱罩吊離，用循環風機設為輻射冷卻模式對加熱罩進行冷卻，接著扣上冷卻罩，啟動冷卻風機，循環風機高速運行利用周圍空氣循環流動來冷卻內罩。當內罩的溫度達到設定值時，冷卻風機停止運行。待鋼卷材料卷心溫度達到相應數值時，冷卻過程完成，吊走冷卻罩，然后用氮氣N2吹掃，排除內罩里的氫氣，吊離內罩[2]。最后是卸料工作，將鋼卷從罩式爐臺上吊離，完成整個加熱、保溫、冷卻過程。

2 系統構架組成

2.1 控制系統軟件結構

根據對罩式爐退火工藝流程和其過程中對自動控制系統的要求，本系統構架采用兩級控制系統，一級為基礎自動化系統，二級為過程控制系統，罩式爐自動化控制系統軟件結構如圖1所示。

圖1 控制系統軟件結構

2.1.1 基礎自動化系統

整個控制系統采用西門子S7-300系列PLC系統，為每座爐臺都配備一套S7－300控制器和一個OP操作面板；PLC控制系統不僅能夠完成對設備的控制，還具有對內罩壓力、爐臺冷卻水流量、氧含量等安全連鎖功能，OP操作面板則能夠檢查和糾正生產工藝的各項參數、確認系統安全性、查詢報警信息查以及執行應急操作等功能。

2.1.2 過程控制系統

中央操作系統（COS）能夠實現對退火過程的相關操作和全程監控，操作人員可通過系統采集的相關生產數據，調出各罩式爐生產狀態，檢查有無故障的產生，以保障生產的安全性和穩定性。

過程控制系統（PCS）由5個模塊設計完成，包括退火模型、L3數據通訊、數據采集、HMI監控以及數據庫服務器。退火模型以實現退火曲線的科學計算與實時動態退火曲線的糾正為目的，通過建立罩式爐退火過程在線數學模型對生產過程溫度進行持續跟蹤；L3為生產管理系統，此數據通訊模塊需要與上一級過程控制系統建立聯系，實現待退火鋼卷信息、組垛信息以及退火完畢鋼卷信息的傳輸；實時數據采集模塊主要負責對基礎自動化系統數據進行實時獲取，整理并儲存到數據庫中；HMI監控系統監控管理對象涉及整個過程控制系統，需要對鋼卷組垛信息、退火工藝溫度曲線計算與修改、能源使用情況以及設備或者系統故障等信息的監控，也要對罩式爐生產數據進行整理與保存；數據庫服務器則包含了罩式爐過程控制系統中所有相關數據，是存儲、管理與查詢數據的倉庫。

2.2 控制系統網絡結構

罩式退火爐過程控制系統的網絡結構設計如圖2所示。上位機之間采用TCP/IP協議進行數據交換，與罩式爐之間通過PLC系統建立聯系，在鋼鐵企業的生產過程中，會使用到很多的罩式爐，每一個爐臺都有一個PLC工業控制系統，其中應用服務器是雙網卡的設計，一個網卡用于和L3生產管理系統通訊，另一個與爐臺PLC系統通訊[3]。

圖2 系統網絡結構

3 關鍵技術與功能

3.1 退火工藝模型

罩式爐退火材料有很多種，系統對于每一個鋼種都存有相應的退火工藝表，這就是退火工藝模型的預計算功能，需要根據鋼種、組垛鋼卷數量、材料的各項參數等綜合計算出此鋼種的加熱時間、保溫時間以及退火時間，得到科學、合理的退火工藝區曲線。另一種功能便是動態在線計算，當入爐參與組垛的鋼卷詳細信息與之前預定的情況不同時，則數據庫中針對鋼種的退火工藝曲線表就無法發揮良好的生產控制作用，這時需要結合鋼卷垛的實際卷數和鋼卷詳細參數進行修正計算，改變原有的退火工藝曲線，建立出與實際生產更加相符的退火工藝曲線表，保證罩式爐的生產質量和效率。另外，外界環境的改變也會影響鋼卷的退火過程，在罩式爐工作期間，假如出現了停氣、停電等故障，不可避免會對爐內溫度產生影響，這時需要及時采集爐內相關溫度數據，修改退火工藝曲線，滿足鋼卷退火的工藝要求，以保證鋼卷的退火質量。預計算技術中的溫度是理想狀態下爐內應有的氣體溫度，而在線計算技術中的溫度是實時采集的動態爐內氣體溫度。

3.2 L2-L3通訊技術

L2過程控制系統與L3生產管理系統之間的通訊技術是罩式爐生產過程的重要技術。應用服務器中包含L2與L3實現數據通訊的模塊。當在L3系統中查詢到了生產任務，通過模塊通訊，將有待退火鋼卷的信息輸送到L2系統，存入到數據庫鋼卷信息表中，等技術人員將鋼卷組垛完成后，執行PLC控制的同時，該通訊模塊就會把鋼卷以及組垛完成的信息輸送到L3系統，在退火工藝完成后，進行卸料，此時該通訊模塊會把此狀態信息重新輸送到L3系統。

3.3 物料跟蹤

在一級基礎自動化系統中，就開始了對待退火物料的跟蹤與記錄，隨著鋼卷信息的改變，二級系統在此基礎上進行相應更新，完善物料跟蹤功能，以更好地實現之后環節對鋼卷的控制調整。物料跟蹤功能需主要實現區域跟蹤和位置跟蹤，其中，對物料進行跟蹤的區域為爐臺區域和終冷臺區域，而跟蹤的位置信息則是鋼卷在組垛狀態下的位置數據。當罩式爐退火過程中，鋼卷組垛位置信息改變或者所跟蹤的區域內物料生產發生改變時，系統的一級基礎自動化系統會發出相應信號，之后物料跟蹤數據會進行對應調整，時刻保持罩式爐過程控制系統中物料跟蹤信息與實際使生產狀況的一致性，鋼卷退火過程中發生的特定事件，也會使罩式爐過程控制系統對鋼卷狀態、位置等跟蹤數據進行調整[4]。當罩式爐完成對鋼卷的退火任務時，過程控制系統也就完成了對鋼卷退火生產整個過程中物料數據的跟蹤收集與整理，將此跟蹤結果儲存到數據庫中對應鋼卷的實際生產數據記錄中，以作為今后對產品生產質量與生產效率的數據參考。

3.4 數據收集統計

數據收集統計貫穿整個網絡控制系統，能夠實現對鋼卷退火生產過程數據的采集、統計以及存儲數據庫等。基礎自動化系統獲取實際生產數據，再通過系統之間建立的網絡數據通信通道，與罩式爐過程控制系統完成數據傳輸，這些生產數據包括鋼卷信息、罩式爐工作狀態、罩式爐生產質量等信息等，在TCP/IP協議下，罩式爐過程控制系統接收基礎自動化系統發送的數據報文，獲取每個測量值項目，例如，鋼產量累計、消耗累計等，按規劃收集、處理與統計這些測量值。這些數據對罩式爐退火生產過程來說具有一定的反饋作用，通過分析與統計，能夠為罩式爐退火生產工藝的改進提供可靠數據參考。帶鋼企業生產過程中，往往會用到很多罩式爐，這些罩式爐之間的數據沒有關聯，隨著數據的不斷收集，早期的一些數據，可以移出數據庫放到硬盤中進行保存，如果需要查詢以往生產數據，再將硬盤保存數據回調至數據庫進行查詢[5]。