李朝陽 孔丹 唐華

(西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司熔鑄廠，重慶 401326)

溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要的參數(shù)，在冶金企業(yè)中，溫度對鋁鑄錠的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。鋁熔煉爐采用天然氣為燃料，應(yīng)用國內(nèi)先進(jìn)控制技術(shù)，生產(chǎn)的合金主要用于國家航空、軍工、交通等行業(yè)。在熔煉過程任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，而溫度的變化是一個(gè)大滯后的環(huán)節(jié)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。在此對熔煉爐的溫度控制方式進(jìn)行研究。

1 鋁熔煉爐總體概述

鋁熔煉爐設(shè)計(jì)為35t矩形燃?xì)鉅t，它由2個(gè)北美的熱風(fēng)燒嘴、路前管道、助燃風(fēng)機(jī)、換熱器及相應(yīng)的管路閥件組成。燒嘴燃料為天然氣，呈15°向熔池傾斜，可獲得良好的沖擊加熱效果。燒嘴使用預(yù)熱空氣作為助燃空氣，配套的換熱器可將空氣預(yù)熱至250～300℃，利用廢氣的熱量，提高燃燒溫度從而達(dá)到了高效節(jié)能的目的。大爐門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極大的提高了加料效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

熔煉爐燃燒系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火及火焰自動(dòng)檢測等自動(dòng)控制功能，通過比例調(diào)節(jié)達(dá)到自動(dòng)控溫的目的。該系統(tǒng)主要分為點(diǎn)火控制、爐壓控制、溫度控制和傳動(dòng)機(jī)械控制。在這里，將對其中的溫度控制進(jìn)行分析。

2 溫度控制系統(tǒng)

熔煉爐助燃管路示意圖見圖1。鋁熔煉爐的控溫主要是通過PLC和相關(guān)閥件來實(shí)現(xiàn)的。溫控方式采用爐膛定溫控制和級(jí)聯(lián)控制2種方式分別控制升溫和保溫，可確?？販攸c(diǎn)鋁水金屬溫度控制在設(shè)定值的±5℃之內(nèi)。電控柜上的觸摸操作顯示屏，可顯示燃燒系統(tǒng)各閥件運(yùn)行工況、火焰燃燒狀況、鋁液及爐膛溫度等。

圖1 熔煉爐助燃管路示意圖

若爐門打開，2個(gè)燒嘴風(fēng)閥應(yīng)開至各自對應(yīng)的爐門位，若爐門關(guān)到位，則將根據(jù)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制;燃?xì)夂惋L(fēng)量設(shè)有下限限幅，在每個(gè)燒嘴的燃?xì)夂涂諝夤苈肪b有控制閥和安全裝置;燒嘴由一個(gè)紫外線火焰檢測裝置連續(xù)監(jiān)視，另外每個(gè)燒嘴配有獨(dú)立完整的燃燒控制器，具有自動(dòng)點(diǎn)火、火焰檢測、滅火報(bào)警、自動(dòng)斷氣的功能。

2.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。它由PLC主控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)及人機(jī)界面4個(gè)部分組成。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集爐子的溫度信號(hào)，并將控制閥的開度信號(hào)送入PLC，PLC主控系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算處理后輸出信號(hào)給供風(fēng)管路上的調(diào)節(jié)閥使其動(dòng)作，并使燃?xì)夤苈飞系谋壤y按比例改變供氣量，從而達(dá)到溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。同時(shí)，PLC主控系統(tǒng)可以將鋁水溫度、爐膛溫度及助燃風(fēng)閥的開度顯示在人機(jī)界面上，參數(shù)也可以通過人機(jī)界面設(shè)定后送入PLC主控系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)爐溫異常時(shí)PLC將輸出信號(hào)給報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。其中PLC主控系統(tǒng)為熔煉爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)的過程控制級(jí)是由SIMATIC S7-400系列可編程控制器組成，PLC編程軟件采用STEP7基本軟件，該編程軟件具有程序組織的透明性、可理解性及易維護(hù)性。

2.2.1 硬件部分

硬件包括CPU模塊(CPU414-2DP)、電源模塊、接口模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊等。

CPU414-2DP模塊具有存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速度快、強(qiáng)抗干擾能力和高可靠性等特性，可用于大規(guī)模的I/O配置，用于建立分布式I/O系統(tǒng)。作用是執(zhí)行用戶程序，為S7-400背板總線提供5 V電源，通過MPI(多點(diǎn)接口)與 MPI網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

電源模塊用來將市電電壓(120/230 VAC)轉(zhuǎn)換為24 VDC的工作電壓，為S7-400和24 VDC負(fù)載電路提供電源。

接口模塊IM153-1用來連接S7-400的各個(gè)排(機(jī)架排)，通過ROFIBUS總線電纜進(jìn)行通訊。

數(shù)字輸入量模塊負(fù)責(zé)接收鋁液熱電偶進(jìn)/退命令信號(hào)、超溫信號(hào)、助燃風(fēng)閥限位信號(hào)及報(bào)警復(fù)位等信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊輸出開關(guān)量信號(hào)控制熱電偶進(jìn)/退電磁閥及超溫報(bào)警等。

模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)采集溫度傳感器送來的毫伏值信號(hào)和助燃風(fēng)閥閥位傳感器送來的0～5 V電壓信號(hào)(4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻后轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號(hào))。模擬量輸出模塊輸出4～20 mA電流信號(hào)，控制閥門動(dòng)作。

2.2.2 軟件部分

軟件部分采用Step7 V5.3軟件進(jìn)行編程，采用西門子PLC自帶的連續(xù)溫度控制器FB58"TCON_CP"實(shí)現(xiàn)溫度PID控制，其帶有自整定功能，PID控制算法如下:

PID模塊操作非常簡捷，只要設(shè)定4個(gè)參數(shù)就可以進(jìn)行溫度精確控制:溫度設(shè)定值、GAIN(即P)、TI(即I)、TD(即D)。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這3個(gè)參數(shù)影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。

比例運(yùn)算是指輸出控制量與偏差的比例關(guān)系。比例參數(shù)P設(shè)定值越大，控制的靈敏度越低，設(shè)定值越小，控制的靈敏度越高，但如果P太小，反而會(huì)出現(xiàn)振蕩。積分運(yùn)算的目的是消除偏差，只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動(dòng)，積分時(shí)間是表示積分作用強(qiáng)度的單位。設(shè)定的積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)，但如果積分時(shí)間值太小，校正作用太強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)振蕩。比例作用和積分作用是對控制結(jié)果的修正動(dòng)作，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進(jìn)行修正，使控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài)，微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位，儀表設(shè)定的微分時(shí)間越長，則微分作用進(jìn)行的修正越強(qiáng)。

當(dāng)通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時(shí)，PID控制可根據(jù)測量信號(hào)與給定值的偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使測量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

2.3 人機(jī)界面

為了操作及維護(hù)方便，該爐組配備WINCC上位機(jī)系統(tǒng)(SCADA)，負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場各站點(diǎn)傳來的溫度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并顯示，以便操作人員查看和生成報(bào)表。在上位機(jī)畫面可以查看到整個(gè)爐子的運(yùn)行情況，包括實(shí)際及設(shè)定溫度值、溫度控制方式、助燃風(fēng)閥的開度、有無報(bào)警等。同時(shí)，還可以由操作人員向現(xiàn)場各站點(diǎn)發(fā)送控制命令或修改參數(shù)。

現(xiàn)場還設(shè)置了操作員面板(觸摸屏)，它采用Protool進(jìn)行編程。它同樣也可以很直觀的觀察鋁液及爐膛溫度的實(shí)際值及各個(gè)燒嘴的助燃風(fēng)閥的開度，還可對鋁液、爐膛溫度進(jìn)行設(shè)定，對控溫方式進(jìn)行選擇。

2.4 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要對溫度及閥門開度進(jìn)行檢測。

溫度包括鋁液溫度及爐膛溫度，均采用K型鎳鉻— 鎳硅熱電偶進(jìn)行檢測，其輸出的是毫伏值。測鋁液熱電偶保護(hù)套管連續(xù)使用壽命在4周以上，而且易于清渣。鋁液熱電偶及保護(hù)套管安在一桿架上并由氣缸自動(dòng)插入和拔出。當(dāng)爐門打開加料或進(jìn)行爐內(nèi)鋁液凈化處理、攪拌時(shí)，熱電偶自動(dòng)移出，以免受損。測鋁液熱電偶進(jìn)出操作也可采取手動(dòng)控制;熔體溫度接近設(shè)定溫度5℃時(shí)，聲光報(bào)警，提醒操作者。測爐膛溫度熱電偶采用雙支鎧裝熱電偶，一支用作溫度控制及顯示，另一支用來報(bào)警。

在助燃風(fēng)流量調(diào)節(jié)閥上有閥位反饋電流傳感器，可檢測閥門的開度大小，輸出4～20 mA電流。

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

助燃風(fēng)管路上采用GT50-30T 20E型電動(dòng)執(zhí)行器來驅(qū)動(dòng)碟閥實(shí)現(xiàn)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，它采用連續(xù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，當(dāng)4～20 mA電流信號(hào)輸出至相應(yīng)的端子時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軸端會(huì)從0°旋轉(zhuǎn)到90°。其最大和最小旋轉(zhuǎn)角度均可通過電位器來設(shè)定。天然氣管路上采用GIK 100F02-6比例閥根據(jù)風(fēng)壓的大小來調(diào)節(jié)天然氣的流量大小。根據(jù)要求，燒嘴的正常燃燒需要助燃空氣和燃?xì)庥幸粋€(gè)穩(wěn)定的混合比例，GIK空/燃比例閥就是用于實(shí)現(xiàn)恒定的空/燃比例，獲得在不同狀態(tài)下燒嘴燃燒所需的燃?xì)鈮毫?。?燃比例閥是通過連接到空氣管路上的導(dǎo)壓管接收空氣壓力調(diào)節(jié)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)空/燃比例閥出口壓力Pa和空氣控制壓力PL1∶1的恒定比例。通過調(diào)節(jié)空氣閥門改變空氣控制壓力從而相應(yīng)的改變?nèi)細(xì)鈮毫碚{(diào)節(jié)燒嘴的功率。在小流量范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)空/燃比例閥的彈簧可以設(shè)定空/燃比例。

2.6 報(bào)警系統(tǒng)

本系統(tǒng)有2套溫度報(bào)警系統(tǒng)。一套由PLC檢測其中一支測爐膛溫度熱電偶及測鋁液溫度熱電偶信號(hào)測得的溫度值，若超出報(bào)警設(shè)定值或超出設(shè)定值一定范圍則發(fā)出報(bào)警信號(hào);另一套采用SR92數(shù)顯表進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)另一支測爐膛溫度熱電偶檢測到的溫度值超過SR92數(shù)顯表設(shè)定值時(shí)便發(fā)出超溫信號(hào)至PLC進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)超溫報(bào)警時(shí)，則切斷2個(gè)燒嘴。

2.7 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述

采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖見圖3。

圖3 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

熔煉爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過程:首先溫度檢測單元將溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進(jìn)行運(yùn)算處理，然后輸出給供風(fēng)管路上的調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量，并使燃?xì)夤苈飞系谋壤y按比例改變供氣量，從而達(dá)到溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

2.8 溫度控制原理

熔煉爐的溫度控制通過PLC和相關(guān)閥門來實(shí)現(xiàn)。溫控方式采用爐膛定溫控制和級(jí)聯(lián)控制2種方式分別控制升溫和保溫。2種控溫方式的轉(zhuǎn)換可通過操作觸摸屏上按鈕來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)鋁液溫度低于400℃時(shí)不能進(jìn)行鋁液控溫，熱電偶未插入時(shí)不能進(jìn)行鋁液控溫，熔煉爐爐門打開時(shí)鋁液熱電偶不能插入爐內(nèi)，故也不能進(jìn)行鋁液控溫。

爐膛溫度由爐膛溫度熱電偶采集的溫度信號(hào)送入PLC經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，與爐膛溫度給定值一起經(jīng)PID運(yùn)算處理后，輸出給燃燒器供風(fēng)管路上的調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量，從而使燃?xì)夤苈飞系臍鈩?dòng)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按比例改變供氣量，進(jìn)而控制燃燒火焰的大小，達(dá)到控制爐膛溫度的目的。

級(jí)聯(lián)控制即鋁液控制方式，由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號(hào)送入PLC經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，與給定值一起經(jīng)PID運(yùn)算，其結(jié)果與爐膛溫度熱電偶采集的溫度信號(hào)，再經(jīng)PLC運(yùn)算處理后，輸出給燃燒器供風(fēng)管路上的調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量，并使燃?xì)夤苈飞系臍鈩?dòng)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按比例改變供氣量，從而達(dá)到鋁液溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

由于溫度控制系統(tǒng)屬于大滯后控制系統(tǒng)，故在進(jìn)行溫度控制時(shí)必須提前控制溫度的升降。在鋁水溫度調(diào)節(jié)階段，2個(gè)燒嘴一起燃燒，當(dāng)鋁液溫度離設(shè)定值相差5℃以內(nèi)時(shí)自動(dòng)切掉一只燒嘴，另一只燒嘴連續(xù)調(diào)節(jié)，確保鋁液溫度控制精度，當(dāng)鋁液溫度高于設(shè)定值5℃時(shí)再切掉另外一只燒嘴。當(dāng)鋁液溫度低于設(shè)定值2℃時(shí)再恢復(fù)其中一個(gè)燒嘴燃燒。在爐膛溫度升溫階段，2個(gè)燒嘴一起燃燒，當(dāng)爐膛溫度離設(shè)定值相差30℃以內(nèi)時(shí)自動(dòng)切掉一只燒嘴，另一只燒嘴連續(xù)調(diào)節(jié)確保爐膛溫度控制精度，當(dāng)爐膛溫度高于設(shè)定值50℃時(shí)再切掉另外一只燒嘴。當(dāng)爐膛溫度降至高于設(shè)定值20～50℃時(shí)再恢復(fù)其中一個(gè)燒嘴燃燒。

3 結(jié)語

通過PLC控制助燃風(fēng)流量閥的開度從而改變助燃風(fēng)大小，通過比例閥來控制天然氣開度達(dá)到控溫目的，該方式簡單直觀，且容易找出故障點(diǎn)，但也存在以下不足:

(1)空/燃比例可調(diào)節(jié)范圍小，不夠靈活，比例閥本身存在老化問題。當(dāng)火焰配比不好時(shí)，通過調(diào)節(jié)比例閥并不能達(dá)到最佳效果。若天然氣的流量也是通過調(diào)節(jié)流量閥來實(shí)現(xiàn)，便可通過調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)及比例系數(shù)達(dá)到最佳的火焰效果。

(2)助燃風(fēng)的閥位反饋只做顯示用，當(dāng)實(shí)際值與所設(shè)定的開度不一致時(shí)不能很好地進(jìn)行調(diào)節(jié)?？蓪㈤y位反饋值參與反饋控制，組成雙閉環(huán)控制，控制效果更佳。

(3)在一般的PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)有較大的擾動(dòng)或設(shè)定值較大幅度提降時(shí)，由于偏差較大及系統(tǒng)存在慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時(shí)間波動(dòng)，在溫度緩慢變化過程中這一現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。為了減輕這種現(xiàn)象，可采用積分分離措施，即在偏差較大時(shí)，取消積分作用，偏差較小時(shí)，才將積分作用投入?；虿捎肞ID模糊控制技術(shù)來解決慣性溫度誤差的問題。