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加熱爐PLC控制系統設計選題背景及意義(一)
選題背景及意義
隨著我國經濟的迅速發展，能源短缺已成為制約我國工業發展的重要阻礙，社會各界都對此積極關注。推鋼式加熱爐是冶金工業的主要耗能設備。如何保證被加熱后的金屬能夠在有效軋制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業控制技術研究的主要方向。近年來由于各企業重視節源效益，對加熱爐生產工藝的不斷完善和優化，加熱爐生產自動化控制水平也相應提高和不斷深入。目前面向節能降耗、提高軋制產品質量和產量設計的加熱爐工程控制計算機系統已廣泛的應用于現代冶金企業的加熱爐生產控制中。設計一套完善可行的加熱爐爐溫控制系統有其巨大的經濟價值、環保意義。
加熱爐生產過程主要是個燃燒與熱交換的物理化學過程，燃燒方面有一個如何使其在各種工況下特別是在熱負荷變化的動態過程中保持最佳節能燃燒的問題。另外從整個軋制生產線來看，加熱爐是局部環節，其主要任務是加熱鋼坯，使鋼坯在出爐時達到軋制所要求的溫度分布。評價加熱爐性能優劣的主要指標是加熱爐的單位燃燒消耗、產量、鋼坯的加熱質量、鋼坯的氧化燒損等。影響這些指標的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用[1]。
我國的加熱爐大部分是六、七十年代的產品，其控制系統非常落后。相當一部分還處于基地式儀表控制，表盤顯示的水平，軟件操作不易為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進行加熱爐監測和控制系統的技術改造。加熱爐的工作目標是在最短的時間內采取最經濟的方式把爐內的鋼坯加熱到所要求的狀態。特別是一些目前小的鋼鐵企業，對這種投資少、見效快的技術改造更感興趣[2]。本文主要講述加熱爐燃燒控制系統設計。
1.2 加熱爐爐溫優化控制國內外的研究現狀
國際上對加熱爐的優化控制開始于70年代，我國從80年代才開始對這方面進行研究。在鋼鐵領域，以前人們對加熱爐優化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數學模型、爐溫優化設定以及燃燒控制，近年來智能控制技術正逐步被應用到加熱爐爐溫控制中。
目前，就我國帶鋼熱連軋加熱爐控制系統整體而言，與國外相比，相差甚遠。在國外，多數帶鋼熱連軋加熱爐控制系統己經采用了高智能型的專家系統，模糊控制或兩者相結合的控制系統。如美國的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統相結合的控制系統對帶鋼熱連軋加熱爐進行控制。而我國大部分鋼鐵企業的熱連軋加熱爐控制系統仍是早期的DCS控制系統或PLC控制系統，有的還沒有達到這個控制水平，因而為了參加國際競爭，贏得產品盛譽，就必須對加熱爐控制系統進行換代或改造。對加熱爐控制系統的改造，國內存在兩種觀點：一種認為要較好地實現加熱爐的控制，必須堅持HCA (High Cost Automation)高成本高投入，大力提高自動化部分的控制水平，采用高智能型的集中控制(或集散控制，甚至智能模糊控制等。目前，一些大型企業比較傾向于此，但硬件投資也比較高，往往占到設備投資50％左右，而且要相當一批專業人員來完成;另一種為LCA(Low Cost Automation)低成本自動化。低成本不是低水平，是在低成本前提下的先進性和適用性，LCA是簡易自動化的延伸，是全新自動化的補充。它往往成為中小企業的優先選擇[1]。國內現有帶鋼熱連軋加熱爐一千多座，由于資金、技術等力一面的原因，改造或換代為高智能型加熱爐數量很少。在這方面，由于寶鋼、鞍鋼等大型國有鋼鐵企業較重視科技在生產中的主導地位，在帶鋼連軋加熱爐改造中投入的力量較大，己成為我國鋼鐵行業領頭羊。
2 加熱爐控制系統設計
2.1 加熱爐工藝
熱爐加熱是一個典型的復雜工業過程控制系統，它具有復雜系統的諸多特征。如：建模困難、干擾嚴重、多變量、時變、非線性、耦合大慣性兼滯后等特點。因此加熱爐一直是工業自動化研究的主要課題[1]。
通常冶金加熱爐燃料采用氣體燃料。氣體燃料即各種煤氣和天然氣。在各種燃料中，氣體燃料的燃燒最容易控制，燃燒效率也最高，是最受歡迎的一種燃料。任何一種氣體燃料的燃燒，都要經歷三個階段：即燃料與空氣的混合、混合氣體的活化和混合氣體的燃燒。所以，如何解決這三個問題也是加熱爐工藝的一個重要環節[4]。
加熱爐傳統的控制方法是控制爐溫，由調節器和執行器自動調節，再配以空燃比，煙道殘氧量以及燃料流量與助燃空氣流量的交叉限幅控制等輔助控制方法以提高熱效率。但一般人工設定爐溫余量偏大，在生產工況波動的情況下，容易造成過度燒損，從而降低了加熱質量，反而導致產品成材率下降，能耗增加。
根據熱效率曲線,空氣過剩系數應在1.02～1.10之間,此時的空燃比為最佳。工作點位于效率曲線的頂端。因此燃燒系統的設計應以最佳空燃比為中心[1]。
圖2.1燃燒熱效率曲線
2.2 燃燒系統設計
加熱爐燃燒控制由多部分組成：爐溫控制、燃料流量控制、二者比值控制、爐壓控制[3]。 燃燒控制主要由溫度流量串級并列控制回路和雙交叉限幅器組成。由于燃燒控制是系統的執行層，它不僅要快速穩定準確地隨動溫度數模的設定值，而且還要保證動態時和靜態時有良好的空燃配比效果。根據這個要求，本系統采用溫度流量串級雙交叉雙向限幅控制。以溫度環作為外環，空氣流量環和燃料流量環作為內環來設計[4]。用溫度環調節器的輸出分別作為空氣流量環和燃料流量環的給定值與各環反饋值進行比較，再通過限幅器對空氣流量環和燃料流量環進行限幅。綜合系統中各個因素考慮，設計了系統的流程圖，如圖2.2:
圖2.2加熱段控制系統流程圖
其中符號意義如下:
H-高值選擇 L-低值選擇 TIC-溫度調節器 FIC-流量調節器 LMT-流量上下限幅 DFA-安全柵 HC-手操器 β-空燃比 (k1-k4)-燃料空氣設定值限幅系數
燃燒控制由溫流串級并列雙交叉雙向限幅型控制回路,爐壓,熱風等附屬參數控制,生產過程的安全報警與事故處理等幾個主要部分組成。
燃燒控制采用雙交叉雙向限幅結合溫度-流量串級結構，這一算法的主要優點是它彌補了無交叉無限幅一般串級系統缺點，即很難保證動態時的空燃比控制精度，只能保證靜態的空燃比控制。因為現場實際運行的加熱爐大部分時間都處于動態或準動態過程，如果動態空燃比精度保證不了則很難達到理想的加熱效果，由此也很難保證成材率的提高和能耗的降低。雖然雙交叉限幅燃燒控制由于燃料空氣設定值的限制動態過程可能比一般的串級系統稍慢，但只要合適的選取K1－K4的值就可以在動態響應的速度和空燃比精度之間找到平衡點。K1－K4限定了燃料－空氣工作帶隙的寬度和位置,這兩個帶隙所在區域的空燃比就是β的近似值。另外燃料－空氣回路的調節參數也變得容易整定,手自動轉換比較平穩,因為雙向雙交叉限幅帶隙寬度不變, 不會出現一般的串級并列設定值那樣大起大落的情況[8]。積分增益高些流量環趨于強單調過程比較理想。K1－K4如果增加，則帶隙寬度變大，則動態響應加快，但是動態空燃比精度降低；反之，則帶隙寬度變小，動態響應變慢，但是動態空燃比精度提高。這就需要根據現場的具體情況酌情掌握。
與控制系統流程圖對應的燃燒控制部分框圖如下：
圖2.3 雙交叉限幅燃燒控制框圖
2.3 爐壓控制設計
壓力檢測意義：首先，工業生產中許多生產工藝過程經常要求在一定的壓力或一定的壓力變化范圍內進行，這就需要測量或控制壓力，以保證工藝過程的正常進行。其次，壓力測量或控制可以防止生產設備因過壓而引起破壞或爆炸。再有，通過測量壓力或壓差可以間接測量其它物理量，如：溫度、流量等。壓力是生產過程中的重要參數之一。
本設計中壓力檢測采用差壓變送器。差壓變送器是將壓力信號轉換成統一標準的電信號（Ⅱ型表為0～10mA.DC，Ⅲ型表為4～20mA.DC），送給顯示儀表或調節器，用來實現對壓力、壓差等參數的指示、記錄和控制，還可以和節流裝置配合實現對流量的控制[6]。
爐膛壓力是實現加熱爐自動控制的一個重要參數。當爐膛壓力過高時，火煙就會從入（出）料口處大量冒出。不僅使大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也容易燒壞爐子的鋼結構和爐墻鋼板，降低爐子的使用壽命。同時，爐壓過大引起的冒火還會導致勞動環境的惡化。當爐膛壓力過低時，會吸入大量的冷風，不但增加爐子的熱耗還會增加鋼坯的氧化燒損，甚至引起燒鋼。因此，必須對爐膛壓力進行有效控制。在加熱爐最佳燃燒控制系統的基礎上，爐膛壓力控制可以通過控制煙道閘門的開啟度或引風機調速來實現，而爐溫對煙道閘門開度的變化非常敏感，如果通過傳統的PID方式調節爐膛壓力，那么頻繁的煙道閘門開度變化必然會帶來爐溫的波動，這在軋鋼工藝中是要盡量避免的，會導致軋出的鋼材品質降低。另外，爐膛壓力控制系統為一大時滯系統，控制對象反應速度較慢。因此，如何保證爐膛壓力既在期望的范圍之內，又不使閘門頻繁變化成為爐壓控制的關鍵環節。
爐子運行時爐壓是個重要的參數, 它的好壞直接關系到能源的充分利用,而且因為整個軋制過程加熱環節只是個中間過程,因此往往受到上下工序的制約,這樣熱負荷起伏變化較大。 如果以爐壓檢測值為反饋量閉環控制煙道閘板的開度或引風機轉速來調節爐壓會使執行機構動作頻繁磨損快效果也不理想,這樣爐壓索性采用開環隨動控制法。 即以主燃料量為依據控制爐壓閥的開度或者引風機的轉速,有時也稱爐壓前饋控制。其算法為:
LMN-實際閥位 LMN0-初始閥位 K-前饋系數 Fg-單爐燃料總管流量
F0-臨界流量
2.4 溫度檢測設計
對于一個加熱爐來說，最重要的指標參數就是溫度。因此，溫度檢測的過程是十分重要的。本系統中溫度檢測主要是對上加熱點、上均熱點、下均熱點三個加熱點的檢測。
本設計加熱爐爐溫控制采用雙向限幅控制方式，即根據給定的空燃比，合理的同時調節空氣流量和燃料流量，以保證在爐溫調節過程中，燃料和空氣都達到最佳配比。這樣既可節約能源，又可防止環境污染。
溫度檢測采用熱電偶。熱電偶屬于電能量傳感器，雖然它是一種古老的傳感器，但因它有一系列優點至今仍在測溫領域里得到廣泛應用。熱電偶的分度號主要有E、K、S等，其中E為低溫熱電偶，K為中溫熱電偶，S為高溫熱電偶[5]。對軋鋼加熱爐來講預熱段、加熱段、均熱段溫度工作點都在1200℃左右，所以這里均用S分度號的熱電偶。
溫度變送器與熱電偶配合使用，將溫度或毫伏信號轉換為4～20mA.DC信號。由熱電偶送來的反映溫度的直流毫伏信號，與反饋信號比較，其差值經放大器放大后，轉換為4～20mA.DC信號輸出。同時，放大器的輸出經負反饋回路變換為與變送器輸出電流成正比的反饋電壓，反饋至放大器的輸入端，以保證輸入的毫伏信號與輸出電流之間為線性關系[7]。
2.5 流量檢測控制設計
流量檢測的主要過程如下：
如圖2.4所示：燃料流量或空氣流量f通過節流元件孔板檢測裝置，進入流量變送器。將流量轉換到標準電流信號4～20mA，經過安全柵的安全過濾、信號隔離后，傳入模數轉換器，把模擬量信號轉換為計算機識別的數字量信號，此時，系統CPU進行處理，再將信息送到數模轉換器；然后通過手操器，再經過伺服放大器放大信號后送給調節閥。這樣，就通過檢測流量完成了系統閉環反饋控制。流量檢測控制原理如圖2.4：
圖2.4 流量檢測控制原理圖
流量的檢測控制對燃燒控制系統是非常重要的。通過設定每段的加熱溫度，使溫度控制器的輸出經過雙交叉限幅器作為空氣和燃料流量控制器的設定值，按照雙交叉限幅控制理論進行燃料和空氣流量的調節。在通常的燃燒控制系統中，采用串級并列調節系統。溫度調節器的輸出直接作為燃料流量調節控制器的給定，然后燃料流量設定值乘以空燃比作為空氣流量調節控制器的給定。在穩態時，空氣流量可按一定的空燃比跟隨燃料量變動；但在動態時，如升溫、降溫等變化時，這種常規系統就無法保證空氣量的精確變化。然而，采用雙交叉限幅控制方式就能保證無論是在動態還是穩態時都能滿足一定的空燃配比精度，使系統無論在穩態還是在動態時，都可獲得較好的空燃比性能。同時由于沒有過氧和缺氧燃燒從而起到節能降耗的效果。
另外空氣流量由于熱效率的原因要進行預熱成熱風,而當熱風實際溫度壓力與設計溫度壓力不一致時,要進行熱風流量的溫度壓力補正:
變量意義:K―系數、―設定壓力、―設定溫度、P―實際壓力、T―實際溫度
—補前流量
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