周 勇

西南鋁業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司壓延廠 重慶 401326

1 前言

某廠1700mm氣墊式連續(xù)熱處理爐于1989年從美國(guó)引進(jìn),超過(guò)30%的成品從該機(jī)列產(chǎn)出,其生產(chǎn)過(guò)程就是將鋁帶材進(jìn)行連續(xù)的清洗、退火(淬火)、拉矯等工藝,最后產(chǎn)出成品。氣墊爐爐區(qū)控制系統(tǒng)主要有溫度、氣墊壓力、淬火水控制系統(tǒng)和傳動(dòng)控制系統(tǒng)。其中最為關(guān)鍵的是每個(gè)燃燒區(qū)段的爐膛燃燒溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,將直接影響到鋁帶材產(chǎn)品的熱處理性能,經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行,目前存在以下幾方面的問(wèn)題:一是溫控用PLC,運(yùn)算速度慢,控制精度低。溫度控制系統(tǒng)可編程控制器采用三菱FX系列PLC,控制功能單一,運(yùn)算速度較慢,控制精度已不能滿足生產(chǎn)需求。二是燃燒控制系統(tǒng)閥件,元件老化,故障率高。燃燒控制系統(tǒng)采用Honey-Well助燃空氣蝶閥執(zhí)行器、天然氣薄膜式比例閥控制。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行,關(guān)鍵控制器件老化嚴(yán)重,閥芯磨損、動(dòng)作不靈,時(shí)有卡阻現(xiàn)象,造成空燃比嚴(yán)重失衡,燃燒效率低,爐子溫度控制精度下降,造成板材熱處理性能不穩(wěn)定,現(xiàn)已無(wú)備件來(lái)源。三是排煙系統(tǒng)控制落后,控制精度低,耗能高。爐子排煙系統(tǒng)由排煙風(fēng)門(mén)執(zhí)行器和排煙風(fēng)機(jī)構(gòu)成,風(fēng)門(mén)執(zhí)行器采用德國(guó)auma公司的執(zhí)行器,現(xiàn)已無(wú)備件來(lái)源。排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)恒速運(yùn)行,通過(guò)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)門(mén)開(kāi)口度來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力及排煙,耗能?chē)?yán)重。四是系統(tǒng)精度測(cè)試效率低。為滿足AMS2750E標(biāo)準(zhǔn),原氣墊爐配置了3支熱電偶,1支用于溫度控制,1支用于溫度比對(duì),1支用于記錄[1]。比對(duì)熱電偶采用非駐留式熱電偶,在做SAT測(cè)試時(shí)(系統(tǒng)精度測(cè)試),需要反復(fù)拔插比對(duì)熱電偶,每次測(cè)試需耗時(shí)4小時(shí)左右,SAT測(cè)試效率較低。鑒于以上情況,為了更好地發(fā)揮氣墊爐生產(chǎn)線產(chǎn)出快、高質(zhì)量、低耗能的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì),以滿足工廠不斷發(fā)展的需要,對(duì)氣墊爐生產(chǎn)線爐子燃燒溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造是非常必要的。

2 改造范圍及內(nèi)容確定

選用西門(mén)子S7-1500系列PLC作為主控PLC,取代原有PLC。遠(yuǎn)程I/O從站選用西門(mén)子ET200模塊,各從站之間數(shù)據(jù)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。更換原助燃空氣蝶閥、天然氣薄膜式比例閥,助燃空氣和天然氣調(diào)節(jié)閥采用國(guó)內(nèi)一線品牌的對(duì)夾式調(diào)節(jié)閥,配套選用相應(yīng)進(jìn)口電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。新增助燃空氣和天然氣流量孔板、流量檢測(cè),流量檢測(cè)選用先進(jìn)的測(cè)量傳感器、變送器。取消原有排氣風(fēng)門(mén)執(zhí)行器,選用交流變頻器直接對(duì)爐膛排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。溫度傳感器按照AMS2750E標(biāo)準(zhǔn),各區(qū)控溫?zé)犭娕疾捎秒p偶進(jìn)入PLC,1支控溫,1支比對(duì),根據(jù)溫度測(cè)量范圍及精度,選用相應(yīng)分度號(hào)的熱電偶,

3 控制系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

燃燒及溫度控制系統(tǒng)通過(guò)PLC控制,使用溫度PID,調(diào)節(jié)助燃空氣、天然氣流量,實(shí)現(xiàn)燃?xì)怆p交叉限幅控制,達(dá)到溫度的精確控制。

3.1 溫度控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)改造主PLC采用西門(mén)子S7-1500系列,通過(guò)Profinet接口下接多個(gè)西門(mén)子ET200 MP遠(yuǎn)程I/O從站,組成相應(yīng)的集散控制系統(tǒng)[2]?？删幊炭刂破鱏7-1500特點(diǎn):超高速的運(yùn)算處理速度,S7-1500采用當(dāng)前最快的背板總線和高效的傳輸協(xié)定,保證了快速信號(hào)處理,點(diǎn)到點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間不到500us[3],模件用軟件采用組態(tài)軟件直接組態(tài)完成,可通過(guò)模塊內(nèi)部組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)傳感器的連接與參數(shù)匹配,使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通用性及可移植性,可方便地采用插接式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的擴(kuò)展特別方便。對(duì)溫度控制程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)編程,主程序模塊結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1:

圖1 主程序模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 燃燒控制系統(tǒng) 為提高流量調(diào)節(jié)精度,天然氣調(diào)節(jié)閥閥體采用活塞閥結(jié)構(gòu),電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用韓國(guó)科斯米進(jìn)口產(chǎn)品,隔爆型。助燃空氣調(diào)節(jié)閥閥體采用翻板碟閥結(jié)構(gòu),電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用德國(guó)KROM進(jìn)口產(chǎn)品。流量傳感器選用高精度性能穩(wěn)定的主流產(chǎn)品。為了達(dá)到更高的溫度控制精度,實(shí)現(xiàn)最佳空燃比,在保證原有每區(qū)燃燒功率的情況下,重新設(shè)計(jì)天然氣和助燃空氣流量孔板。標(biāo)準(zhǔn)孔板的測(cè)量流量原理是依據(jù)著名的伯努力流體力學(xué)原理。

本系統(tǒng)采用天然氣和助燃空氣供氣量的自動(dòng)連續(xù)PID控制,雙交叉限幅控制原理。雙交叉限幅控制原理:雙交叉就是天然氣折算流量Ig和助燃空氣折算流量Ia通過(guò)一些環(huán)節(jié),各自送入對(duì)方的主調(diào)節(jié)系統(tǒng)。天然氣流量Ig直接送入第二重比例積分(PI1)調(diào)節(jié)運(yùn)算單元中去,作為天然氣流量的被調(diào)參數(shù);此Ig還通過(guò)增量單元K4或K2,與空氣量調(diào)節(jié)的第三重比例積分(PI2)運(yùn)算單元聯(lián)系起來(lái),這就叫天然氣流量與空氣調(diào)節(jié)回路的交叉。同樣,空氣折算流量Ia直接與空氣回路的主調(diào)節(jié)器PI2相連,作為它的被調(diào)參數(shù);此Ia的另一路,通過(guò)與空燃比運(yùn)算Ia/β=I'a,再連接于增量單元K3或K1后,與然氣回路主調(diào)節(jié)器PI1聯(lián)系起來(lái),這叫空氣流量與天燃?xì)庹{(diào)節(jié)回路的交叉。限幅就是通過(guò)增量單元,使閥門(mén)開(kāi)度每一次的變化量限制在某一值范圍內(nèi),目的是使?fàn)t溫較平緩的變化。圖中,K3、K1與K4或K2,就是增量值。高值選擇與低值選擇。進(jìn)入高值選擇單元的兩參數(shù),只允許大的參數(shù)值通過(guò),小參數(shù)值不能通過(guò)。進(jìn)入低值選擇單元的兩參數(shù),只允許小參數(shù)通過(guò),而大參數(shù)不能通過(guò)。其原理圖見(jiàn)圖2:

圖2 雙交叉限幅控制原理圖

程序調(diào)試過(guò)程:如上圖所示,控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng),天然氣和助燃空氣PID調(diào)節(jié)器為內(nèi)環(huán),溫度PID調(diào)節(jié)器為外環(huán)。引用多環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理,按照調(diào)試步驟,先調(diào)試內(nèi)環(huán),然后調(diào)試外環(huán)控制。首先對(duì)天然氣和助燃空氣PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整,為了精準(zhǔn)控制天然氣和助燃空氣流量及配比,調(diào)節(jié)閥閥位不能動(dòng)作過(guò)快,否則將造成系統(tǒng)振蕩,于是減少P參數(shù),增加I參數(shù),將內(nèi)環(huán)調(diào)試穩(wěn)定,然后調(diào)試溫度PID調(diào)節(jié)器。

3.3 排煙系統(tǒng)控制使用PID控制器,通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制爐內(nèi)壓力的目的,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,實(shí)際爐壓波動(dòng)控制在±1.5毫米水柱內(nèi)(原±3毫米水柱),提高了爐壓控制精度,節(jié)能效果明顯,排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)節(jié)能30%以上。

3.4 比對(duì)電偶由于采用了駐留式比對(duì)熱電偶,現(xiàn)場(chǎng)SAT測(cè)試時(shí)間只需要1小時(shí)左右。

4 改造后效果

改造后對(duì)氣墊爐進(jìn)行系統(tǒng)控溫精度和爐溫均勻性進(jìn)行測(cè)試,采用溫度標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)儀對(duì)系統(tǒng)控溫精度測(cè)量,采用3點(diǎn)掃描法對(duì)爐子溫度均勻性測(cè)量,控溫精度±1.5℃(原±2℃),爐溫均勻度±2℃。滿足了原氣墊爐設(shè)計(jì)參數(shù)爐溫均勻度±3℃,并有所提高,成功解決了爐子燃燒系統(tǒng)無(wú)備件更換問(wèn)題這一設(shè)備隱患,設(shè)備原始性能得到提升,拓寬了工藝適應(yīng)性。