張殿良，李 靜

(1.商丘市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南 商丘 476000； 2.北京東方高圣投資顧問有限公司，北京 100000)

我國工業(yè)生產(chǎn)中，連續(xù)式加熱爐是重要生產(chǎn)設(shè)備，如果設(shè)備具有完善的燃燒系統(tǒng)，不僅能減少能源消耗，對增加產(chǎn)量也有幫助。現(xiàn)在有部分研究員設(shè)計出一系列加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，例如曾衛(wèi)東等人設(shè)計了垃圾焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)[1]，還有王然研究的基于新型測溫技術(shù)的電站鍋爐燃燒優(yōu)化[2]，都對現(xiàn)有的燃燒控制系統(tǒng)深入分析，但是存在系統(tǒng)測量不準(zhǔn)確，控制性能低，生產(chǎn)高成本等問題。為了解決上述問題，本文研究出連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)，主要利用氧化鋯傳感器對殘氧濃度進行測量，主控制器ARM控制氧化鋯傳感器運行溫度，經(jīng)氧電勢信號處理后，將殘氧濃度呈現(xiàn)到觸摸屏上，方便工作人員操作，并結(jié)合模糊控制完成殘氧量控制目的。

1 殘氧量控制系統(tǒng)研究

1.1 總體結(jié)構(gòu)

連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以分成殘氧量測量、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器、空氣閥、燃氣閥等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 殘氧量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of residual oxygen control system

根據(jù)圖1可知該系統(tǒng)可分為殘氧量控制部分和殘氧量測量部分。

(1)殘氧量控制部分主要由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和模糊控制器組成，前者為輸入層有2個節(jié)點，代表加熱爐溫度誤差值以及溫差變化率；后者為輸出層有1個節(jié)點，代表燃氣量。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過連續(xù)式加熱爐實際溫度與設(shè)置溫度間誤差值、溫差變化率，算出燃氣量反饋到PID控制器。為了燃氣量實際值滿足設(shè)置值，PID控制器利用燃氣閥調(diào)節(jié)燃氣量[3-4]。

(2)殘氧量測量部分包括氧濃度檢測和氧濃度4～20 mA輸出電路、溫控電路、人機交互模塊。通過氧化鋯傳感器對殘氧量進行測量。在電壓為mV級別時，代表氧含量的模擬量容易被電磁干擾，為了避免此現(xiàn)象，有價值的模擬量信號需被擴大才能進入濾波電路。并利用AD選取優(yōu)質(zhì)信號，傳遞給IC協(xié)議，最終到達主控芯片，完成數(shù)據(jù)管理。由于爐溫達到720 ℃時氧化鋯傳感器才能運行，因此設(shè)置溫度模塊，該模塊負(fù)責(zé)向單片機提供連續(xù)式加熱爐溫度數(shù)據(jù)。PID控制器根據(jù)單片機處理過的溫度數(shù)據(jù)控制連續(xù)加熱爐溫度，保證氧化鋯傳感器運行溫度[5]。選取HMI串口顯示屏借助串口、主控芯片實現(xiàn)人機交互。HMI顯示屏接收主控電路發(fā)出的命令，完成溫度值和殘氧濃度值顯示任務(wù)。當(dāng)溫度無法滿足氧化鋯運行的要求時，工作人員利用屏幕重設(shè)PID參數(shù)調(diào)控制熱功率，使連續(xù)加熱爐升高至氧化鋯傳感器運行溫度[6]。

1.2 系統(tǒng)硬件

由上文可知連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)需要熱電偶電路和氧化鋯傳感器相互配合完成殘氧濃度測量任務(wù)，其中熱電偶負(fù)責(zé)收集溫度信息，利用AD獲取放大后的數(shù)字信號。氧濃度模擬量信號由氧化鋯傳感器負(fù)責(zé)獲取，由AD620內(nèi)部集成運算放大器負(fù)責(zé)信號電壓放大，經(jīng)過OP177G的低通濾波處理后，呈交給I2C協(xié)議，最后數(shù)據(jù)被單片機接收并完成運算和人機交互的任務(wù)，具體電路如圖2所示。

圖2 氧電勢采集電路Fig.2 Oxygen potential acquisition circuit diagram

1.2.1 熱電偶電路

連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)中溫度數(shù)據(jù)采集非常重要，選取熱電偶電路的單總線對溫度數(shù)據(jù)進行傳遞，利用I/O端口的某端，實現(xiàn)信號傳遞。通過DS18B20進行模擬溫度傳輸和數(shù)據(jù)信號管理，其中借助AT89S52對數(shù)據(jù)進行整理，并確定溫度采集區(qū)間，完成溫度采集任務(wù)，具體電路如圖3所示。由圖3可知，溫度數(shù)據(jù)被DS18B20收集并傳輸?shù)紸T89S52端口處，即P3.3，系統(tǒng)的信號輸入端就是這些數(shù)據(jù)信息。DS18B20和AT89S52互相配合，完成溫度采集任務(wù)，本系統(tǒng)溫度采集電路結(jié)構(gòu)簡單，因此適用范圍較廣[7-8]。

圖3 溫度采集電路Fig.3 Temperature acquisition circuit

1.2.2 氧化鋯傳感器

系統(tǒng)利用氧化鋯傳感器對殘氧濃度進行測量，選用條件為在連續(xù)式加熱爐內(nèi)使用，并且滿足持續(xù)測量需求，氧化鋯傳感器組件如圖4所示。從圖4中看出，氧化鋯傳感器包含氧化鋯管，還有熱電偶、導(dǎo)線、接線板和盒。當(dāng)氣體抵達氧化鋯管周圍時，若管內(nèi)外氧氣濃度有差異，則引發(fā)電動勢。在溫度控制方面，利用固態(tài)調(diào)壓器、熱電偶等[9-10]。氧化鋯傳感器發(fā)送信號到檢測器，由檢測器負(fù)責(zé)信號的數(shù)字化加工和濾波操作。當(dāng)氧濃度和溫度數(shù)據(jù)顯示到觸屏上時，工作人員就可以對連續(xù)式加熱爐的溫度和PID參數(shù)進行調(diào)控，觸屏還負(fù)責(zé)展示連續(xù)式加熱爐殘氧量測量結(jié)果。

圖4 氧化鋯傳感器組件Fig.4 Zirconia sensor component diagram

氧化鋯探頭在傳感器中占主導(dǎo)地位，氧化鋯處于720℃的高溫環(huán)境中，內(nèi)外氧濃度若有不同就會產(chǎn)生與之對應(yīng)的氧電勢，氧電池正是利用氧化鋯的這一特點完成氧濃度的測量，通常選用合金鋼制作探頭外結(jié)構(gòu)，也有用不銹鋼材質(zhì)(圖5)。

圖5 氧化鋯探頭結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of zirconia probe

圖5顯示，探頭由內(nèi)部加熱器、陶瓷管、內(nèi)外電極、熱電偶、電線、接線端組成，陶瓷管分別有4蕊和鋼玉2種，探頭中加熱器選用合金鋼材質(zhì)，在熱電偶導(dǎo)線和電極導(dǎo)線間利用4蕊陶瓷管進行絕緣，并且空氣由此進入。

1.3 系統(tǒng)軟件

連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)軟件的測量程序負(fù)責(zé)殘氧測量裝置的運行，模糊控制程序負(fù)責(zé)調(diào)控裝置的運行，以下對二者進行詳細介紹。

1.3.1 殘氧測量程序

當(dāng)上電復(fù)位時，系統(tǒng)測量程序啟動。主控制器ARM負(fù)責(zé)調(diào)控加熱器的發(fā)熱功率，使?fàn)t溫能夠滿足氧化鋯探頭運行要求[11]。因此程序需持續(xù)測量爐溫，并將氧化鋯探頭的溫度隨時呈現(xiàn)到顯示屏上。若溫度沒有達720 ℃，主控器對收集的數(shù)據(jù)進行分段PID算法獲得4～20 mA信號使加熱器發(fā)熱。若溫度能使氧化鋯探頭運行，則殘氧量收集程序啟動[12]。通過對氧電勢信號的處理能夠在顯示屏上讀取具體值，所獲取的氧電勢信息還需轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號反饋到控制器。當(dāng)所有程序都結(jié)束后，開啟下個循環(huán)。測量程序的具體流程如圖6所示。

圖6 殘氧量控制系統(tǒng)測量流程Fig.6 Flow chart of residual oxygen control system measurement

根據(jù)圖6可知，測量流程從開始到輸出，經(jīng)過端口等初始化、系統(tǒng)預(yù)設(shè)、載入?yún)?shù)、運行、采集溫度、溫度控制、采集電勢、數(shù)據(jù)處理，其中還有設(shè)置參數(shù)、存儲參數(shù)，溫度過熱報警及熔斷保護、上位機顯示，這些模塊組成連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)中殘氧測量流程。

1.3.2 模糊控制程序

利用模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制。傳統(tǒng)控制程序運行前提是對控制對象建立數(shù)學(xué)模型，本文系統(tǒng)避免了這一麻煩，直接采用權(quán)威專家的控制成果[13]。傳統(tǒng)控制程序如果遇到控制流程繁瑣的情況，建立數(shù)據(jù)模型幾乎無法實現(xiàn)，這時本文系統(tǒng)利用率相對較高，具體原理如圖7所示。

圖7 模糊控制程序原理Fig.7 Schematic diagram of fuzzy control program

從圖7中顯示模糊控制器處于模糊控制主導(dǎo)地位，計算機負(fù)責(zé)計算控制率。模糊控制算法的具體步驟為：在被控制量的眾多數(shù)值中，本系統(tǒng)利用微機跳過被控制量浮動較大值，得到最準(zhǔn)確數(shù)值，將此數(shù)值與給定值進行比較，算出誤差信號n，即n=Tr-T，其中設(shè)置值為Tr，實際值為T。n作為輸入量，還有一個輸入量是誤差變化率de/dt。通過對輸入準(zhǔn)確數(shù)值進行模糊化，殘氧控制系統(tǒng)獲得模糊量，再依照研究的合成規(guī)則完成模糊決策，最終完成模糊控制量x的運算。

連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)制定的模糊控制器運行步驟如下：

(1)輸入變量與輸出變量的制定。假設(shè)模糊控制對象是連續(xù)式加熱爐的爐溫，輸入量采用實際測得爐溫和設(shè)定值間的誤差n，同時誤差變化率de/dt也是輸入量。當(dāng)燃料氣流量增多時，連續(xù)式加熱爐能夠持續(xù)燃燒，爐溫上升；反之，爐溫下降。將燃料氣流量作為模糊控制器的輸出變量[14]。

(2)采用的模糊控制規(guī)則的制定。系統(tǒng)使用Takagi-Sugeno型模糊規(guī)則，if-then模糊規(guī)則的后件包括系統(tǒng)情況變化量、輸入變量函數(shù)，具有兩種功能：對模糊控制器進行形容；模擬被控對象的形態(tài)。Takagi-Sugeno型與Mamdani型模糊規(guī)則進行對比，輸出的特點為：常量或線性函數(shù)代表T-S模糊模型輸出變量；T-S模糊規(guī)則輸出量是準(zhǔn)確值，假設(shè)誤差、誤差變化率共有5個模糊子集，n={正+，正-，零，負(fù)-，負(fù)+}={QB，QS，VO，MS，MB}，此時能夠設(shè)置25條模糊規(guī)則控制爐溫，以一條模糊規(guī)則為例，用公式(1)表示：

if(n=PB)and(Δn=PB)thenx=Q0+

Q1n+Q2Δn

(1)

其中，模糊規(guī)則的權(quán)值表示為Q0、Q1、Q2，燃氣流量控制量表示為x。

(3)模糊化方法與解模糊化方法的制定。當(dāng)采集的形式存在差異時，模糊控制器使用的計算方法和系統(tǒng)控制性能都會發(fā)生改變[15]。推理方法、模糊化方法、解模糊化方法都是模糊控制的影響因素。連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)通過高斯型隸屬函數(shù)模糊化處理輸入變量，具體形式用式(2)表示：

(2)

使用Max-Min模糊方法推理輸入變量的隸屬度，獲取輸入變量對第J條規(guī)則的適合度，用公式(3)表示。采用Max-Min模糊推理方法和工業(yè)上常用的解模糊法，即重心法，對控制器輸出可以用式(4)表示：

(3)

(4)

式中，h為控制規(guī)則數(shù)量；I為第i個控制輸出。

2 應(yīng)用實驗結(jié)果

選取某工廠的連續(xù)式加熱爐為實驗對象，將本文研究的系統(tǒng)應(yīng)用到該工廠的1號連續(xù)式加熱爐中，采用煤氣單耗實驗對該系統(tǒng)使用前后情況進行對比，證實本文系統(tǒng)節(jié)能性能。殘氧濃度檢測系統(tǒng)主要由氧化鋯傳感器和檢測儀表組成(圖8)。氧化鋯探頭的信號和電源線利用 DB25接頭和航空插頭從系統(tǒng)內(nèi)傳到鋯管內(nèi)部，通過以上制作出完整的殘氧濃度檢測系統(tǒng)。

圖8 殘氧濃度檢測系統(tǒng)Fig.8 Residual oxygen concentration detection system

以承擔(dān)相同工作計劃的連續(xù)式加熱爐為前提，對使用本系統(tǒng)的1號連續(xù)式加熱爐與2號常規(guī)連續(xù)式加熱爐進行采樣，整理數(shù)據(jù)，分別計算出兩爐的殘氧量平均值和氧化燒損率，再對兩爐的數(shù)值進行比較，進一步驗證本文系統(tǒng)應(yīng)用效果。

2.1 煤氣單耗實驗

對1號連續(xù)式加熱爐使用本系統(tǒng)前后的產(chǎn)量及煤氣消耗數(shù)據(jù)進行記錄，使用前和使用后記錄期限均為2個月，同時整理數(shù)據(jù)，通過煤氣總量結(jié)束碼減去煤氣總量開啟碼，獲得煤氣總消耗量，再除以此時間段的爐產(chǎn)量，可以計算出煤氣單耗。煤氣單耗下降，即為節(jié)約能量，計算公式為：

節(jié)約能量=(1號連續(xù)式加熱爐應(yīng)用本文系統(tǒng)前煤氣單耗-應(yīng)用本文系統(tǒng)后煤氣單耗)/1號連續(xù)式加熱爐應(yīng)用本文系統(tǒng)前煤氣單耗×100%

1號連續(xù)式加熱爐2019年3—到6月煤氣單耗情況見表1。

表1 連續(xù)式加熱爐3—6月煤氣單耗情況Tab.1 Gas consumption of continuous heating furnace from March to June

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，1號連續(xù)式加熱爐運用本文系統(tǒng)后，煤氣單耗量呈現(xiàn)下降趨勢，節(jié)能效果明顯，證實本文系統(tǒng)能夠控制煤氣資源的消耗。

2.2 殘氧量測量

2019年5月兩座加熱爐工作期間，隨機選取其中2 d對加熱爐進行殘氧測量實驗，在1號和2號連續(xù)式加熱爐持續(xù)工作的狀態(tài)下，每2 h記錄一次觸摸屏顯示的殘氧數(shù)據(jù)，對比1號和2號煙氣殘氧量的平均值，用2號爐平均數(shù)值減去1號爐平均數(shù)值獲得殘氧量下降值，實驗中選用兩座加熱爐正常工作的殘氧量數(shù)據(jù)，確保驗證效果的普遍性，具體測量數(shù)值見表2。

根據(jù)表2中測量的殘氧數(shù)據(jù)可知，5月5日和6日平均殘氧量下降值分別為1.7%、2.2%，平均殘氧量下降至少1.7%。因此應(yīng)用本系統(tǒng)的1號連續(xù)式加熱爐能夠很好地控制殘氧量。

表2 連續(xù)式加熱爐1號與2號殘氧量數(shù)據(jù)值Tab.2 Continuous heating furnace No.1 and No.2 residual oxygen data value

2.3 氧化燒損實驗

2座加熱爐按照工作計劃，對普碳鋼進行加工，在1號與2號爐的出料口附近，損耗的氧化鐵皮遺留在此，直接采集樣品，待溫度下降后，通過游標(biāo)卡尺對樣品進行測量。為了更清楚對比燒損情況，設(shè)定氧化燒損率進行衡量，用式(5)進行計算：

(5)

式中，S為單塊板坯的表面積；δ為氧化鐵皮采樣厚度均值；γ為氧鐵皮的密度；CFe為氧化鐵皮的鐵含量，即CFe=71.9%；Wg為單塊板坯的質(zhì)量。為了更清晰驗證1號爐應(yīng)用本文系統(tǒng)的效果，還對兩爐設(shè)計了氧化燒損降低標(biāo)準(zhǔn)，即降低率=(2號爐燒氧化損率—1號爐氧化燒損率)/2號爐氧化燒損率×100%，具體對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 1號與2號連續(xù)式加熱爐氧化燒損情況Tab.3 Oxidation burning loss of No.1 and No.2 continuous heating furnaces

根據(jù)表3中采集并運算的數(shù)據(jù)，可以看出使用本文系統(tǒng)的1號連續(xù)式加熱爐燃燒后的氧化燒損率普遍比2號爐低，4 d的氧化燒損平均降低率達到0.11%。因此說明應(yīng)用本文系統(tǒng)的加熱爐，通過對殘氧量的調(diào)控，可以大大降低生產(chǎn)材料的損耗。

2.4 模糊控制性

本文系統(tǒng)通過模糊控制器對連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)的殘氧量進行控制，為了檢驗本文系統(tǒng)模糊控制器的效果，實驗獲取1號爐和2號爐控制殘氧量數(shù)據(jù)進行對比分析，具體結(jié)果如圖9所示。

圖9 1號與2號加熱爐殘氧控制性對比Fig.9 Comparison of residual oxygen control of No.1 and No.2 heating furnaces

根據(jù)圖9可以看出，使用本文系統(tǒng)的1號連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)控制殘氧量用時短，并且能根據(jù)設(shè)定值，盡快調(diào)節(jié)設(shè)備。反觀2號加熱爐的控制性能明顯不如1號，當(dāng)殘氧量波動較大時，不能及時進行控制，恢復(fù)要求值。因此本文系統(tǒng)對殘氧量控制更快、更穩(wěn)。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)采用模糊控制器與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互配合實現(xiàn)連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)中殘氧量調(diào)控。在調(diào)控前，需要對殘氧量進行測量，本系統(tǒng)借助氧化鋯傳感器，對氧濃度進行測量。為了實現(xiàn)人機交流，系統(tǒng)將溫度殘氧量等測量結(jié)果呈現(xiàn)到觸摸屏上，工作人員隨時操控連續(xù)式加熱爐運行狀態(tài)，方便控制殘氧量。本文研究的連續(xù)式加熱爐燃燒系統(tǒng)殘氧量控制系統(tǒng)不僅提高能源利用率，降低加熱爐損耗，還因具有操作簡單、控制性強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于加熱爐設(shè)備中。