宋玉潔 任彥

摘要：環(huán)形加熱爐作為軋鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵能耗設(shè)備，爐溫控制水平直接影響能耗、燒損率、廢鋼率、產(chǎn)量、質(zhì)量等指標(biāo)。其燃燒控制系統(tǒng)是通過(guò)控制煤氣和空氣的流動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)燃燒過(guò)程，以確保爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，并且波動(dòng)不超過(guò)允許偏差，以確保管被均勻加熱到滿足要求的溫度。本設(shè)計(jì)是對(duì)環(huán)形加熱爐爐溫的控制，通過(guò)制采用串級(jí)雙交叉限幅控制方式實(shí)現(xiàn)。串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)中，燃料、空氣流量值相互設(shè)定，從而保證了空燃比最優(yōu)，達(dá)到了爐溫恒定的目的。在串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入PLC及PID控制算法，可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐爐溫的平穩(wěn)控制，同時(shí)依靠組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐爐溫的控制。在串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)中，燃料、空氣流量值相互設(shè)定，從而保證了空燃比最優(yōu)，添加模糊控制，提高溫控速度，達(dá)到了爐溫恒定的目的。

關(guān)鍵詞：環(huán)形加熱爐；PLC；模糊PID控制

1 環(huán)形加熱爐爐溫控制簡(jiǎn)介

本文的主要研究對(duì)象是包鋼鋼管公司Φ460作業(yè)區(qū)環(huán)形加熱爐為研究對(duì)象，此環(huán)形加熱爐用于將連鑄鋼坯從室溫加熱到 1280°C，進(jìn)行軋制無(wú)縫管。本環(huán)形爐主要是頂部加熱以及側(cè)加熱的方式，加熱區(qū)共分為六個(gè)。每個(gè)加熱區(qū)都是通過(guò)提供不同的燃料供應(yīng)量，充分利用熱能使鋼坯加熱到工藝要求溫度。本系統(tǒng)是通過(guò)助燃空氣預(yù)熱器預(yù)熱助燃空氣并回收煙氣的熱量。

對(duì)于爐溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制的主要目的是讓爐溫在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，并達(dá)到充分燃燒。而本文采取的串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)，利用的就是無(wú)論是在環(huán)形爐溫度上升或下降時(shí)，空氣流量可以隨時(shí)跟蹤煤氣流量值的增減的原理，煤氣流量也是同理，從而將空燃比控制在所設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)，同時(shí)空氣和煤氣流量并不能無(wú)限加入，需要受到過(guò)量燃料和空氣過(guò)剩界限的限制，使燃料和空氣都達(dá)到充分燃燒。如果爐內(nèi)溫度低，管坯不能達(dá)到工藝要求的溫度，這將給下一道工序帶來(lái)困難，影響產(chǎn)品質(zhì)量。如果爐內(nèi)溫度高，則會(huì)浪費(fèi)燃料，降低爐齡，增加燒損，甚至造成管坯燒毀和報(bào)廢。

本環(huán)形加熱爐爐溫控制系統(tǒng)中各部分的溫度分別控制，各部分的溫度設(shè)定由操作者在人機(jī)界面上輸入，溫度的設(shè)定值由PLC中自帶的標(biāo)準(zhǔn)溫度PID控制塊來(lái)輸出，該段實(shí)際溫度作為反饋值由K型熱電偶所采集到的，標(biāo)準(zhǔn)溫度PID控制塊輸出空氣和煤氣流量的初始值。輸出的限幅值經(jīng)由雙交叉控制功能塊轉(zhuǎn)換而來(lái)，作為空氣與煤氣流量設(shè)定值。

2 串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)

串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)可視為一個(gè)雙閉環(huán)的串級(jí)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主回路是爐溫調(diào)節(jié)回路，而次級(jí)回路則由煤氣流量和空氣流量的調(diào)節(jié)回路所組成。在實(shí)際系統(tǒng)中，溫度會(huì)隨著燃料的消耗而不斷產(chǎn)生變化，這時(shí)系統(tǒng)的參數(shù)就會(huì)將反饋量與給定值進(jìn)行比較，從而跟隨調(diào)整，此時(shí)所檢測(cè)到的空氣流量將會(huì)使煤氣產(chǎn)生一個(gè)上限值和下限值，這個(gè)值會(huì)根據(jù)實(shí)測(cè)值執(zhí)行空氣流量的上限和下限。而當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)增減變化時(shí)，燃料流量和空氣流量也會(huì)會(huì)根據(jù)變化進(jìn)行調(diào)控，及時(shí)做到控制對(duì)方相應(yīng)流量的增減。通過(guò)此種方式，使得系統(tǒng)即使在動(dòng)態(tài)條件下，也能使空燃比得到最優(yōu)控制。串級(jí)控制回路系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其二次回路的增加能夠快速克服擾動(dòng)的影響，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能性能因此被提高了。當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，次回路中的控制變量可以及時(shí)檢測(cè)擾動(dòng)，并通過(guò)二次回路的固定值及時(shí)調(diào)整操縱變量，從而將受控變量返回到設(shè)定值。由煤氣流量和空氣流量調(diào)節(jié)與爐溫的調(diào)節(jié)共同構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)中，在兩個(gè)流量調(diào)節(jié)的回路中都各有一個(gè)高選擇器及低選擇器，以及許多個(gè)操作單元用以便用于交替控制對(duì)方的流量。

3 空燃比模糊控制

模糊PID控制器原理是找出偏差E和偏差率ΔE與PID的三個(gè)參數(shù)之間的模糊關(guān)系，然后利用模糊規(guī)則，在系統(tǒng)控制過(guò)程中不斷地對(duì)偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并求出偏差率，以此作為依據(jù)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)校對(duì)。模糊控制就是通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制要求的系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，保證控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能良好。

在相同的空燃比下，燃?xì)鉄嶂底兓鶗?huì)對(duì)燃燒的效果有較大的影響。但是由于生產(chǎn)廠商的原因，工業(yè)氣體的熱值會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化。而對(duì)于爐溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要保證燃料的充分燃燒，就要隨時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的氣體熱值的變化及時(shí)將空氣和煤氣的流量比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。這就需要用到模糊PID控制方式了。首先將廠商提供的煤氣的熱值作為系統(tǒng)的輸入值，而經(jīng)過(guò)了模糊控制器輸出就是我們所需要的空燃比了，在這種情況下的模糊控制系統(tǒng)即為單輸入單輸出系統(tǒng)。

作為模糊PID控制方法的第一步，我們先要設(shè)定一個(gè)論域。在此我們假設(shè)理想熱值與實(shí)際熱值之間的差值所在論語(yǔ)為，[3，7]一共為9檔。分檔后，一個(gè)對(duì)應(yīng)的模糊子集便會(huì)形成。然后將這個(gè)子集里的變化量大致分成七個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)所謂的模糊變量，而每個(gè)變量便會(huì)附上一個(gè)相應(yīng)的隸屬函數(shù)或模糊子集，如{很小，小，較小，正常，較大，大，很大}等。模糊控制就是利用這個(gè)模糊子集來(lái)完成的。

作為模糊控制方式的第一步，選擇輸入論域尤為重要。在此我們假設(shè)理想熱值與實(shí)際熱值之間的差值所在論語(yǔ)為，[3，7]一共為9檔。就可得到一個(gè)模糊子集。再把這個(gè)子集里的變化量分成七個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別擁有一個(gè)模糊變量，就會(huì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)隸屬函數(shù)或模糊子集，如{很小，小，較小，正常，較大，大，很大}。通過(guò)這個(gè)模糊子進(jìn)行模糊控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用串級(jí)雙交叉限幅控制與模糊PID算法的結(jié)合，可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形爐爐溫的優(yōu)化控制，減少燒損，節(jié)約能源。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃彰和.現(xiàn)代環(huán)形加熱爐的技術(shù)特點(diǎn)與節(jié)能措施天津冶金[J].1994（4）.

[2]陳永，張衛(wèi)軍，陳海耿.爐子優(yōu)化控制中真實(shí)目標(biāo)函數(shù)的研究[J].節(jié)能，1997（6）.

[3]梁軍.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的魯棒性研究及應(yīng)用，浙江大學(xué)博士論文[D].1993.

[4]何用梅.現(xiàn)代連續(xù)加熱爐[M].第一版，北京：冶金工業(yè)出版社，198112.