【摘 要】本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在加熱爐燃燒控制中的應用，采用了爐壓前饋控制、帶動態(tài)響應的雙交叉限幅控制等新的控制方式，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)響應速度，加熱爐溫升快，溫度控制穩(wěn)定，減少了氧化燒損，降低了燃料消耗，提高了加熱爐的燃燒控制水平。

【關鍵詞】前饋控制；雙交叉限幅控制；程序升溫

０．引言

萊鋼型鋼廠中型線加熱爐為換熱式步進梁式加熱爐，加熱爐的設計生產(chǎn)能力為140t/h。加熱爐爐溫控制為6段式，配備2臺助燃風機（1用1備）和2臺稀釋風機，空氣經(jīng)過換熱器換熱后溫度在650度左右，煤氣經(jīng)過換熱器后溫度在300度左右，入爐煤氣采用高焦混合煤氣，煤氣熱值在1800kcal/Nm3左右。由于原來系統(tǒng)配置低，系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應速度慢，在加熱爐生產(chǎn)節(jié)奏加快的情況下，自動條件下的燃燒控制水平差，溫升時間長，氧化燒損加重，因此采用西門子S7-400 PLC進行了控制系統(tǒng)的改造，提高調(diào)節(jié)響應速度，滿足快節(jié)奏生產(chǎn)要求。

1.系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡配置

1.1 控制站的設計

根據(jù)系統(tǒng)的特點并考慮到控制系統(tǒng)硬件、軟件發(fā)展趨勢及今后備件情況和系統(tǒng)升級情況，努力做到先進、可靠、簡潔、合理。系統(tǒng)最終選用西門子公司的高性能的S7-400 PLC，采用ET200系列模板進行現(xiàn)場信號的采集和控制，達到最佳的性價比。

1.2操作站的設計

采用研華工控機和WINDOWS 2000操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件使用WINCC開發(fā)，保持畫面原有風貌，既能適應工業(yè)現(xiàn)場需要，又方便可靠的完成監(jiān)視、操作、報警等功能，操作站網(wǎng)卡選用西門子的CP1613，提高通訊速度和可靠性。

1.3 控制網(wǎng)絡的設計

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖 network configuration of control system

充分利用現(xiàn)代工業(yè)控制網(wǎng)絡的優(yōu)越性，通過搭建光纖通訊網(wǎng)絡，將現(xiàn)場操作臺和值班室緊密聯(lián)系在一起，利用系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，除了在操作臺上增加了一臺操作站外，還在主控室中增加了工程師站，直接對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控，出現(xiàn)問題也可以在短時間內(nèi)查找故障原因并及時處理，同時也方便了對控制程序和監(jiān)控畫面進行完善，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另外，利用 WINCC軟件提供的OPC SERVER采集器，借助GE公司的INFOAGENT和IHISTORIAN軟件，將現(xiàn)場的一切信息接入到骨干網(wǎng)中，實現(xiàn)了現(xiàn)場動態(tài)的遠程監(jiān)控，為今后的維護提供了極大的便利。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2.系統(tǒng)主要控制功能

加熱爐是具有強耦合、純滯后、大慣性及慢時變等特點的非線性系統(tǒng)[1]，達到理想的自動化控制水平是非常難的，現(xiàn)在的控制上多依靠數(shù)學模型、二級控制[2]、模糊控制[3]等手段來進行溫度的控制，取得了一定的效果。中型加熱爐控制系統(tǒng)的燃燒控制部分由于原來的系統(tǒng)配置低，沒有采用上述的手段來進行溫度的控制，僅是依靠DCS系統(tǒng)本身來進行調(diào)節(jié)，采用西門子控制系統(tǒng)后，可以通過控制程序的合理設計及控制系統(tǒng)的響應速度來實現(xiàn)爐內(nèi)各加熱區(qū)域溫度的閉環(huán)控制，提高爐內(nèi)燃料空氣流量串級調(diào)節(jié)和爐內(nèi)燃氣壓力控制等的控制水平。

2.1爐壓前饋控制

由于檢測爐膛壓力的變送器在加熱爐的5區(qū)，而煙道閘板離變送器有45米多，當檢測到爐壓變化后再來進行調(diào)整時，由于調(diào)節(jié)有一定的時間，這是爐壓有可能又產(chǎn)生變化，使得控制比較滯后，爐壓波動較大，采用爐壓前饋控制方法，可以避免因爐內(nèi)熱負荷的變化、爐門的開關而使爐壓產(chǎn)生滯后的波動，把空氣流量等作為參數(shù)來計算前饋修正系數(shù)，使爐壓控制沒有滯后。爐壓的穩(wěn)定能夠減少因爐壓波動產(chǎn)生吸冷風或冒火的現(xiàn)象發(fā)生，起到降低氧化燒損和節(jié)約煤氣的目的。

2.2爐溫控制

加熱爐共分為上下預熱、上下加熱、上下均熱6個加熱區(qū)。其爐溫控制采用帶動態(tài)響應的雙交叉限幅燃燒控制及程序升溫控制。通過設定每個加熱區(qū)的溫度由溫度控制器的輸出經(jīng)過比例系數(shù)控制器作為空氣和煤氣流量控制器的設定值，按照雙交叉限幅控制理論進行煤氣和空氣的流量的調(diào)節(jié)，不論溫度調(diào)節(jié)多么頻繁，它總能保持空燃比在任何一種氣體流量由于熱負荷的快速變化而改變的情況下穩(wěn)定在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，保證其完全燃燒。

雙交叉限幅控制具有保持空燃比在適合范圍內(nèi)功能，而煤氣和空氣流量設定值與加熱爐溫度控制器進行控制的煤氣和空氣流量的經(jīng)過高低限幅的實際值有關。當進行爐溫調(diào)節(jié)時，爐溫控制器根據(jù)溫度設定值和爐膛溫度的測量值進行PID運算，輸出的數(shù)值作為空氣與煤氣流量控制器的參考值。

煤氣流量控制：爐溫控制器輸出的數(shù)值首先與空氣流量測量值的一個系數(shù)（1-K3）/（β*μ）之積進行高選，所得出結(jié)果再與空氣流量測量值的另一個系數(shù)（1+K1）/（β*μ）之積進行低選，最后的結(jié)果作為煤氣流量控制器的設定值進行PID控制。

空氣流量控制：爐溫控制器的輸出首先與煤氣流量測量值和系數(shù)（1+K4）之積進行低選，所得出結(jié)果再與煤氣流量測量值的另一個系數(shù)（1-K2）之積進行高選，然后乘以（β*μ），最后的結(jié)果作為空氣流量控制器的設定值進行PID控制。

從原理圖2中可看出，加熱爐上料或生產(chǎn)節(jié)奏加快會引起加熱爐溫度的降低，而加熱爐溫度的降低會導致爐溫控制器輸出增大，但此時的空氣與煤氣流量的實際值并沒有發(fā)生變化，則爐溫控制器輸出值與之比較的高選值和低選值也就不會變化，即便爐溫控制器輸出值變化很大，由于流量的實際值是穩(wěn)定的，因此最終比較出來的設定值也變化不大，同時利用煤氣流量限制空氣流量設定值的變化和利用空氣流量限制煤氣流量設定值的變化，防止單一流量波動太大，引起空燃比錯誤，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，增加信號的高選與低選就保證了加熱爐溫度變化時，流量調(diào)節(jié)器的設定值不會大范圍變化，從而系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2.3程序升溫

在爐溫控制系統(tǒng)里，考慮到控制功能的連續(xù)性，由于烘爐時溫度較低，升溫時間短，常規(guī)的溫度控制不穩(wěn)定，反應慢，在該項目里增加了程序升溫功能，通過設定升溫的方式、升溫的溫度、升溫的時間來進行程序升溫控制，通過程序來自動調(diào)節(jié)各區(qū)域的煤氣流量，通過溫度檢測來進行調(diào)整?？刂乒δ苋鐖D3所示，其中，TIC:爐溫控制器，GFIC: 煤氣流量控制器，AFIC:空氣流量控制器。

2.4其它控制及安全連鎖

2.4.1區(qū)域空氣及煤氣流量控制

燃燒控制是建立在煤氣和空氣的流量控制上的，兩個流量控制是靠從區(qū)域溫度控制的輸出來執(zhí)行的。煤氣和空氣的流速是通過雙交叉限幅燃燒模式來維持空氣/煤氣比例值在一個特定的范圍，即使在瞬時條件下。燃燒空氣流速通過孔板來測量，通過不同的壓力傳感器，并且通過煤氣主管道的溫度和壓力來補償?？諝?煤氣比例自動的通過基于燒嘴特性、燃燒負載和煤氣熱值的空氣/煤氣比例曲線來補償。

2.4.2換熱器溫度控制

為了防止空氣換熱器溫度超過設定水平，當檢測到溫度超限時，控制器通過一個控制信號控制安裝在稀釋風機入口的兩個控制閥的位置進行摻冷風降溫。當換熱器下游廢氣溫度低于設定值600攝氏度時，空氣走旁通。煤氣換熱器下游的廢氣溫度保持在一個最小溫度300之上，用于保護兩個換熱器，防止在一個較低的溫度下產(chǎn)生酸蝕，通過控制換熱器的燃燒空氣旁通流速來調(diào)節(jié)。為保持換熱器溫度保持在一個安全的水平并防止超過燃燒空氣溫度，通過放掉一部分熱風到大氣中來使通過換熱器的空氣流量減少。

2.4.3燃燒安全和切斷控制

由于加熱爐使用的氣體為混合煤氣，為保證安全，在煤氣、空氣或壓縮空氣壓力低時煤氣可快速切斷，以防止回火引起爆炸。當冷卻水壓力低時，為保護步進梁，煤氣也能緊急切斷。煤氣切斷后自動進行氮氣吹掃。在實際操作中，當出現(xiàn)下列情況之一時，為了保證人員和設備的安全，燃燒控制自動切斷或者自動鎖定或繼續(xù)。另外，一個在操作臺上會啟動語音報警及聲光報警。

切斷條件：

（1）系統(tǒng)跳電。

（2）動力氣源壓力低。

（3）燃燒空氣壓力低。

（4）煤氣壓力低。

（5）冷卻水壓力低。

（6）操作急停。

其他報警信號:

如果在操作中出現(xiàn)以下報警信號，以下的控制如燃燒控制、N2壓力控制、爐壓控制、換熱器入口廢氣溫度控制將繼續(xù)，報警只在CRT上顯示。

（1）N2壓力低。

（2）燃燒空氣溫度高。

（3）空氣換熱器上游溫度高。

（4）冷卻水溫度高。

（5）爐內(nèi)溫度高。

（6）煤氣換熱器下游的燃燒空氣溫度高。

3.結(jié)束語

通過對爐溫的多種控制方式的應用，提高了系統(tǒng)的響應速度，使爐內(nèi)溫度控制均勻，鋼坯保溫時間縮短，使氧化燒損由原來的1%降低到0.8%，在一定程度上提高了軋前水除鱗效果，避免了軋件的打滑現(xiàn)象，減少了廢鋼的幾率，保證了生產(chǎn)的順行，提高了產(chǎn)品成材率和型鋼生產(chǎn)產(chǎn)量。 [科]

【參考文獻】

［１］曹世海.加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的幾項改進措施[J].冶金自動化，2002，(4):48-50.

［２］張晶濤，錢曉龍，王偉，張莉，柴天佑.步進式加熱爐燃燒控制的新方法[J].控制與決策，2001.5，16(3).

［３］張元福.加熱爐空/燃比自尋優(yōu)模糊控制器研究[J].山東冶金，2000，(5).