鄭 晗，李 斌

(中冶華天工程技術(shù)有限公司 安徽馬鞍山 243005)

基于400H的加熱爐脈沖溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

鄭 晗，李 斌

(中冶華天工程技術(shù)有限公司 安徽馬鞍山 243005)

針對某線材軋鋼廠步進(jìn)梁式加熱爐的熱工工藝和控制要求，在控制系統(tǒng)選型上，采用PROFINET總線的400H冗余控制器，對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；在燃控工藝上，采用先進(jìn)的數(shù)字化脈沖控制；在軟件設(shè)計(jì)上，開發(fā)了智能脈沖控制軟件，優(yōu)化了加熱爐上下部負(fù)荷的分配；實(shí)現(xiàn)了加熱爐的全自動溫度控制，完全滿足了軋線對出鋼溫度的要求。

加熱爐；400H；脈沖控制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上的最重要的設(shè)備之一，其作用是將鋼坯加熱后送往軋機(jī)進(jìn)行軋制。其控制目標(biāo)是在滿足開軋所要求的鋼坯溫度分布的前提下，實(shí)現(xiàn)最小鋼坯表面氧化燒損和最少能耗的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1]。因此，設(shè)計(jì)高可靠性的加熱爐溫度控制系統(tǒng)對提高鋼坯的加熱質(zhì)量，降低能耗，提高整條軋線的生產(chǎn)率、減輕操作人員的勞動強(qiáng)度等具有重要意義。

1 加熱爐燃控工藝概述

1.1熱工工藝

某高線軋鋼廠配備一臺125t/h(冷裝)燃天然氣空氣單預(yù)熱步進(jìn)梁式加熱爐，標(biāo)準(zhǔn)坯料尺寸12000×150×150mm，標(biāo)準(zhǔn)坯重量2.0t。其配套的子系統(tǒng)包括：天然氣緊急切斷系統(tǒng)、助燃空氣系統(tǒng)、4段爐溫控制系統(tǒng)(其中加一和加二段采用脈沖控制)、爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水冷和汽化冷卻系統(tǒng)。加熱爐的燃控工藝過程如下：

⑴經(jīng)天然氣減壓站減壓后的天然氣經(jīng)總管快切閥后，分為4個(gè)支管，送至各個(gè)溫度控制區(qū)。

⑵對應(yīng)的助燃空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)變頻自動調(diào)節(jié)后，經(jīng)過空氣換熱器，將熱空氣總管壓力控制在穩(wěn)定狀態(tài)，之后分為4個(gè)支管，送至各個(gè)溫度控制區(qū)。

⑶四個(gè)溫度控制區(qū)(均上、均下、加一和加二)的空氣支管和煤氣支管上均安裝有流量檢測裝置和調(diào)節(jié)閥，通過溫度和流量串級控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)溫控區(qū)的自動溫度控制。其中加一和加二區(qū)每個(gè)燒嘴前均配有空氣脈沖閥和煤氣脈沖閥，可以實(shí)現(xiàn)智能脈沖控制。

⑷燃燒產(chǎn)生的煙氣在煙道調(diào)節(jié)閥的控制下，通過煙道和煙囪排入大氣，控制爐壓在±15Pa范圍內(nèi)。

1.2自動控制要求

加熱爐溫度控制系統(tǒng)的主要功能是采集加熱爐系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等信號，并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖控制。加熱爐作為軋制的前道工序設(shè)備，對燃控系統(tǒng)的要求是為軋線提供合格溫度的鋼坯并減少能源消耗、實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)、減輕操作人員勞動強(qiáng)度，滿足軋機(jī)對產(chǎn)量的要求。

加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的目標(biāo)是：保證燃控系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)爐溫的自動控制；為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行提供必要的連鎖和報(bào)警；與電控系統(tǒng)的冗余通訊和數(shù)據(jù)交換；最終滿足軋線對鋼坯出爐溫度的要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上位機(jī)和控制器層，采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)。PFOFINET是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)[2]，TCP/IP通訊協(xié)議完成WINCC軟件對PLC數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，同時(shí)在儀控冗余PLC和順控PLC，以及軋線PLC之間通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

在現(xiàn)場級，采用目前廣泛使用的PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)。在各個(gè)現(xiàn)場信號較集中的區(qū)域，設(shè)置ET200M遠(yuǎn)程I/O站，采集現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，大量減少了控制電纜和信號電纜的鋪設(shè)量，縮短了施工周期，提高了信號遠(yuǎn)距離輸送的精度和可靠性。

2.2系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工藝對控制系統(tǒng)可靠性的要求，本套控制系統(tǒng)的硬件配置方案設(shè)計(jì)如下：

⑴ CPU選用SIEMENS公司400H系列的CPU414-5H系統(tǒng)，為了節(jié)約投資，以太網(wǎng)通訊采用CPU自帶的PROFINET接口，考慮到HMI畫面對實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，在HMI側(cè)采用WINCC自帶的冗余連接方式，由WINCC實(shí)時(shí)檢測HMI和PLC之間的通訊連接狀態(tài)，當(dāng)與主PLC的通訊中斷后，啟動備用連接通道，實(shí)現(xiàn)HMI監(jiān)控的冗余連接。

⑵ 遠(yuǎn)程I/O選用SIEMENS公司的ET200M遠(yuǎn)程站，帶有源背板，可以實(shí)現(xiàn)帶電熱插拔。冗余PLC與ET200M之間的PROFIBUS-DP總線為冗余連接，每個(gè)ET200M站配置了2塊IM153-2通訊接口模塊，當(dāng)其中任一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或接口模塊故障時(shí)，與CPU的通訊不受影響。

⑶ 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)選用SIEMENS公司的SCALANCE X208工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

⑷ HMI站選用HP公司的Z220工作站，監(jiān)控軟件為WINCC6.2。

3 控制軟件設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1脈沖溫控軟件及優(yōu)化

脈沖控制采用的是一種間斷燃燒的方式。與連續(xù)燃燒控制模式不同之處在于，其使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的通斷比實(shí)現(xiàn)加熱爐的溫度控制；燒嘴一旦工作，就處于滿負(fù)荷狀態(tài)，使燒嘴始終處于額定工作狀態(tài)；可以提高傳熱效率，降低能耗，提高爐溫均勻性，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量，提高燒嘴的調(diào)節(jié)比，改善爐內(nèi)燃燒氣氛，在工業(yè)爐上取得了良好的應(yīng)用效果。脈沖控制過程時(shí)序圖如圖1所示。

圖1表示當(dāng)爐膛溫度控制器需要熱負(fù)荷為50%的情況下，每個(gè)燒嘴脈沖控制的ON/OFF時(shí)序圖。當(dāng)熱負(fù)荷需求變大或者變小時(shí)，只要在固定的脈沖周期(T)下，調(diào)整燒嘴控制脈沖的ON/OFF時(shí)間(t)，就可以達(dá)到調(diào)整熱負(fù)荷的目的。為了保證爐膛溫度的均勻性，8個(gè)燒嘴的開啟順序?yàn)榻诲e開啟，本過程全部由PLC完成，燒嘴脈沖控制流程圖如圖2所示。

圖1 50%負(fù)荷脈沖時(shí)序圖

在上述脈沖時(shí)序控制模式下，智能脈沖控制軟件進(jìn)行了如下優(yōu)化：

⑴ 燒嘴的投入和退出：根據(jù)各個(gè)溫控段熱負(fù)荷的需要，每個(gè)燒嘴可以選擇投入或者退出，脈沖控制程序在每個(gè)脈沖周期起始時(shí)刻重新進(jìn)行時(shí)序計(jì)算，確定燒嘴投入數(shù)量(n)，計(jì)算燒嘴周期相位差時(shí)間(TP)，從而使?fàn)t溫更加均勻，對爐膛壓力的干擾最小。

⑵ 燒嘴故障狀態(tài)選擇：每個(gè)空煤氣脈沖閥都設(shè)有開關(guān)狀態(tài)反饋裝置，脈沖控制程序循環(huán)判斷閥門的當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時(shí)，可以選擇對應(yīng)的燒嘴是繼續(xù)參與脈沖控制或者自動退出脈沖時(shí)序，保證系統(tǒng)安全。

⑶ 上下熱負(fù)荷偏差修正：加熱爐的上下部熱負(fù)荷需求一般不相同，為了更加靈活的控制上下區(qū)域的熱負(fù)荷分配，在脈沖控制程序中，我們設(shè)置了上下部熱負(fù)荷偏差修正值(OFFSET)，脈沖燒嘴的燃燒時(shí)間是根據(jù)溫度PID控制器給出的熱負(fù)荷需求(OUTPUT)計(jì)算得出,當(dāng)上下區(qū)域的熱負(fù)荷需求需要偏差調(diào)整時(shí)，可以在HMI畫面上修改OFFSET值。偏差修正后，上下部脈沖燒嘴的ON/OFF時(shí)間(t)就會不同，其實(shí)際輸出為OUTPUT+OFFSET，從而更加靈活的控制上下部熱負(fù)荷分配。

⑷ 變參數(shù)PID控制器的使用：加熱爐爐膛溫度是非線性，大慣性系統(tǒng)。傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)一旦整定完成，就不再改變，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的干擾時(shí)，控制特性往往變差。變參數(shù)PID控制器，根據(jù)誤差信號E的變化，對PI參數(shù)進(jìn)行動態(tài)整定，當(dāng)誤差E大時(shí)，P參數(shù)變大，I參數(shù)減小，使系統(tǒng)快速響應(yīng)；當(dāng)誤差E小時(shí)，P參數(shù)變小，I參數(shù)變大，快速減小偏差，減少超調(diào)量[3]。變參數(shù)PID控制器的使用，使脈沖溫度控制器的動態(tài)特性得到明顯改善。

圖2 燒嘴脈沖控制流程圖

⑸ 爐膛壓力前饋控制：脈沖控制采用的ON/OFF控制模式會在短時(shí)間內(nèi)改變進(jìn)入爐膛的空氣和燃料流量，而爐壓調(diào)節(jié)閥是基于爐膛壓力產(chǎn)生偏差E后才開始調(diào)節(jié)的。特別當(dāng)脈沖控制的熱負(fù)荷較低時(shí)，脈沖控制會引起爐膛壓力較大波動，智能脈沖控制程序在脈沖ON/OFF的時(shí)刻，根據(jù)燒嘴的投入數(shù)量和預(yù)估的空氣和天然氣流量，提前給爐壓調(diào)節(jié)閥一個(gè)前饋信號，讓爐壓調(diào)節(jié)閥提前開啟或關(guān)閉一定的開度，從而使?fàn)t壓控制更加穩(wěn)定。

3.2助燃風(fēng)機(jī)變頻控制及優(yōu)化

采用脈沖控制時(shí)，為了保證燒嘴工作在額定狀態(tài)，需要熱風(fēng)總管壓力穩(wěn)定在一定的范圍，本系統(tǒng)采用變頻控制來調(diào)節(jié)助燃空氣壓力。助燃空氣壓力是加熱爐重要的參數(shù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)故障或者助燃空氣壓力低時(shí)，需要啟動緊急停爐連鎖程序，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，對助燃風(fēng)機(jī)的變頻控制回路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，即節(jié)約了投資費(fèi)用，又提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

⑴控制源采用硬接線方式：儀控PLC為400H冗余系統(tǒng)，若對變頻設(shè)備進(jìn)行PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，需要將PROFIBUS-DP的雙網(wǎng)轉(zhuǎn)換為單DP網(wǎng)絡(luò)，需要增加Y-LINK轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)變頻裝置的命令源采用DP網(wǎng)絡(luò)給定時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷或末端ET200M掉電，均會引起DP網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致變頻器停機(jī)，從而連鎖緊急停爐程序，加熱爐將會中斷生產(chǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，助燃風(fēng)機(jī)采用硬接線的方式起停，當(dāng)PLC或者網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，風(fēng)機(jī)可以連續(xù)運(yùn)行。

⑵速度源采用模擬量給定方式：變頻器的速度給定采用400H系統(tǒng)的AO模塊輸出4 mA-20mA信號作為變頻器轉(zhuǎn)速設(shè)定值；同時(shí)在變頻器內(nèi)部對最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，保證當(dāng)PLC故障或者接受不到速度給定信號時(shí)，變頻器仍維持一個(gè)最低的轉(zhuǎn)速；從而保證助燃空氣總管壓力不低于緊急連鎖程序的設(shè)定值，保證助燃風(fēng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，減少不必要的停爐時(shí)間。

實(shí)踐表明，當(dāng)PLC因需要下載新硬件而需要CPU重啟時(shí)，助燃風(fēng)機(jī)變頻器在這種控制模式下，仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4 結(jié)束語

針對加熱爐溫度控制工藝的特點(diǎn)，采用PFOFINET和PFOFIBUS-DP總線構(gòu)成分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用400H冗余控制器，優(yōu)化了風(fēng)機(jī)的變頻控制模式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在燃控工藝上采用脈沖控制技術(shù)，開發(fā)了智能脈沖控制軟件并進(jìn)行了優(yōu)化；溫度控制精度和靈活性大大提高。本套系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場后，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的控制要求和性能指標(biāo)，爐溫控制精度±6 ℃以內(nèi)，爐壓控制在±12 Pa，自動運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了鋼坯的加熱質(zhì)量，滿足了軋線對鋼坯加熱質(zhì)量的要求。

[1] 王中杰，柴天佑，邵誠.加熱爐多模式動態(tài)優(yōu)化開軋策略[J].控制與決策，1999，14(5)：465-468

[2] SIEMENS公司.STEP7 V5.5編程手冊[Z].SIEMENS公司，2012

[3] 鐘慶昌，謝劍英，李輝.變參數(shù)PIO控制器[J].信息與控制，1999，28(4)：273-277

Pulse Temperature Control System Design and Optimizing for Reheating Furnace Based on 400H Controller

ZHENG Han，LI Bin

Targeting at thermal technology and control requirement of reheating furnace in wire mill workshop, In the control system selection, using 400H redundant controller with PROFINET interface ,optimizing and design system reliability; In the combustion control technology, adopted advanced digital pulse control; In software design, development of the intelligent pulse control software, optimization of upper and lower load distribution; Realized automatic temperature control of the heating furnace, fully meet the discharging temperature requirements of the rolling line .

Reheating furnace 400H Pulse control Design and optimization

2014-08-22

鄭晗(1978 - ) , 男, 安徽滁州人, 高級工程師、注冊電氣工程師、碩士。主要研究領(lǐng)域：工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作。

TG155.1：TM924.1+3

A

1672-9994(2014)04-0013-04