由麗娟

(煙臺汽車工程職業(yè)學院 信息與控制工程系，山東 煙臺 265500)

能源是人類生存與發(fā)展的重要物質，隨著我國經濟的迅速發(fā)展，人們的生活水平處于逐漸提高的狀態(tài)。我國人口數量較多，對能源的需求較大，該現象直接造成人均能源占有量較低。加熱爐為鋼鐵行業(yè)的重要設備，可維持鋼鐵行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。但加熱爐的能量消耗較高，如何提高鋼鐵生產效率成為亟待解決的問題。蓄熱式加熱爐可大幅度提高鋼坯質量和生產效率。為此，本研究設計出蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)，為鋼鐵行業(yè)的發(fā)展奠定有力基礎。

1 蓄熱式加熱爐概述

蓄熱式加熱爐內部包含蓄熱室和蓄熱室燒嘴，二者在蓄熱式加熱爐中均處于獨立設置的狀態(tài)，采用該設計方式對煤氣與空氣的預熱，有利于維持蓄熱式加熱爐的溫度，使蓄熱式加熱爐內部溫度更加均勻，并提高蓄熱式加熱爐的加熱質量和產品合格率。從整體角度對蓄熱式加熱爐進行分析可知，蓄熱式加熱爐的爐體結構、燃燒控制方式與普通加熱爐之間存在一定差異。蓄熱燃燒技術可將高溫控制噴射至加熱爐爐膛，有利于維持加熱爐的低氧狀態(tài)，最后將燃料輸送至氣流中，通過該方式使加熱爐產生燃燒。

加熱爐的燒嘴與蓄熱體成對出現，可通過其中一個燒嘴將助燃空氣輸入至加熱爐中，等待加熱后供加熱爐使用。加熱爐的另一個燒嘴可作為排煙部分。當加熱爐到達換向時刻時，可對換向閥進行調節(jié)，控制系統(tǒng)反向運行。加熱完畢后的蓄熱體可使助燃空氣的溫度升至1 000 ℃，由另一個燒嘴負責排煙，最終排出的煙氣溫度為150～200 ℃。通常情況下，加熱爐的換向閥與風機均在低溫環(huán)境下工作，選擇標準風機即可滿足工藝要求[1]。

為實現加熱爐燃燒溫度的提高，本研究采用雙蓄熱式燃燒技術對加熱爐進行設計，該技術可將空氣煤氣的溫度預熱至1 000 ℃以上。加熱后的空氣煤氣可通過燒嘴輸送至爐膛，該方式可有效提高煙氣余熱的回收率，有利于節(jié)省燃料。

2 蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)總體設計

本研究采用二級結構對蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)進行設計，第一級結構可建立工控機與過程對象的連接，該結構主要由SDC40、SDC31智能控制器、變頻器ACS600以及數據采集器JTM350A等設備共同組成。通過工控機對蓄熱式加熱爐的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，采用數據采集器采集蓄熱式加熱爐的溫度、流量以及壓力等信號，并利用RS232/RS485轉換器建立蓄熱式加熱爐與工控機的通信連接。SDC40、SDC31智能控制器可直接控制加熱爐的煤氣、空氣閥開度，有利于提高加熱爐溫度的平衡性。為實現對加熱爐壓力與排煙流量的間接調節(jié)，可充分結合蓄熱式加熱爐現場工作情況，并對變頻器進行調節(jié)，從而實現引風機引風量的精準控制，該方式可提高加熱爐的節(jié)能優(yōu)勢。數據采集器在系統(tǒng)中主要負責采集加熱爐空氣總管壓力、煤氣總管壓力以及爐壓等數據。數顯表TRM006可對加熱爐的預熱段、加熱段等部分的溫度參數進行獲取。二級結構主要由工控機構成，該結構在系統(tǒng)中可完成鋼坯加熱過程的實時監(jiān)測，同時可對加熱爐內部多種參數進行查詢，最終將結果可以曲線顯示。本研究對控制系統(tǒng)的二級結構進行設計時，采用模糊控制的方式為SDC31提供6個閥門開度設定信號。為進一步提高蓄熱式加熱爐的可控性，采用小型集散兩級控制方式對蓄熱式加熱爐進行精準控制。數顯表TRM006在改造后的控制系統(tǒng)中主要負責采集加熱爐蓄熱室、廢氣、煤氣預熱以及換氣前后加熱爐排煙等參數的溫度。數據采集器可完成加熱爐、煤氣總管、空氣總管等設備的壓力，同時可完成蓄熱室新增溫度數據的采集。變頻器可采用開環(huán)方式對引風機進行控制，為保證加熱爐的節(jié)能效果，將引風機的輸出頻率控制在25%～90%，通過變頻器對引風機的輸出頻率進行精準調節(jié)。變頻器在工控機中可單獨占用RS232串口，有效防止變頻器的通信功能被外界所影響。蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)整體結構如圖1所示[2]。

圖1 蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)整體結構

3 蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)分析

3.1 點火控制

為保證加熱爐的燒嘴可正常工作，將點火控制器作為維持燒嘴工作的關鍵部件。點火控制器的我剛給你做過程可劃分為五部分：吹掃、交替點火、正常燃燒、超溫報警以及超高溫停止。點火控制器工作流程如圖2所示[3]。

圖2 點火控制器工作流程圖

點火控制器工作流程為：首先，對控制系統(tǒng)內部各設備進行初始化，利用點火控制器對點火閥進行控制，使煤氣閥處于關閉狀態(tài)，并采用周期性的方式關閉換向閥，煤氣閥與點火閥均處于關閉狀態(tài)時，即可進行吹掃工作；其次，點火控制器成功接收點火信息后，可立即打開煤氣閥與換向閥，采用交替方式完成點火操作，此時加熱爐的煙道排煙溫度處于持續(xù)升高狀態(tài)，等待排煙溫度達到設定值后，點火系統(tǒng)正常燃燒；最后，隨著煙道溫度持續(xù)升高，控制系統(tǒng)可采取報警模式，在系統(tǒng)界面提示超溫報警，并延長點火控制器的交替點火時間，直至煙道溫度降低后，點火系統(tǒng)恢復正常，若煙道溫度仍處于升高狀態(tài)，并且達到系統(tǒng)設定的超高溫數值，系統(tǒng)將停止點火狀態(tài)，立即采取吹掃模式[4]。

3.2 燃燒控制

為保證加熱爐內部空氣與煤氣介質的合理燃燒，對蓄熱式加熱爐的燃燒情況進行控制。蓄熱式加熱爐的燃燒控制指的是殘氧控制、調節(jié)間歇控制等，通過控制加熱爐的燃燒情況，有利于實現設備的連鎖保護，達到節(jié)能、環(huán)保的目的。燃燒控制的方式可劃分為手動和自動兩種，其中手動燃燒控制指的是：工作人員結合加熱爐的工況要求，采取手動的方式對燒嘴的燃燒時間進行調節(jié)，通過空氣和煤氣總管的閥門對空燃比進行確定。手動燃燒控制方式為最基本的控制方式，采用該方法對加熱爐的燃燒工況進行控制，需要加熱爐的流量、溫度檢測值以及各個調節(jié)閥的動作均正常。自動燃燒控制指的是：操作人員將加熱爐的工藝要求作為主要依據，在系統(tǒng)中完成加熱爐燒嘴各段溫度期望值的設置，結合測量的實際值，對加熱爐的供熱量進行調整，以此保證加熱爐的合理燃燒[5]。

蓄熱式加熱爐的溫度設定方式包括自動控制和燃燒優(yōu)化模型控制，對加熱爐的溫度進行自動控制時，可在HMI上手動完成各段爐溫的設定。采用燃燒優(yōu)化模型對加熱爐的溫度進行設定時，可將二級模型設定的數值作為主要依據，通過控制系統(tǒng)控制加熱爐的燃燒情況。

3.3 壓力控制

加熱爐內部壓力為微正壓時，可維持自身穩(wěn)定燃燒。本研究對加熱爐爐膛的壓力進行控制時，將壓力控制方式劃分為手動調節(jié)與自動調節(jié)。手動爐膛壓力控制指的是在HMI上對壓力調節(jié)閥的開度進行調節(jié)。自動爐膛壓力控制指的是自動調節(jié)壓力調節(jié)閥的開度，使加熱爐內部壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。但自動控制方式在實際應用過程中易受多種因素干擾，為保證該方式的可靠性，需要加熱爐的工況處于穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

3.4 冷卻控制

蓄熱式加熱爐的冷卻控制中含有汽包水位、壓力、蒸汽放散閥等控制回路。汽包水位控制可采用串級前饋控制方案對汽包的水位進行精準控制，前饋信號指的是蒸汽流量，可通過對給水閥的開度進行調整，以此實現汽包水位的精準控制。汽包水位控制原理如圖3所示。

圖3 汽包水位控制原理圖

汽包水位控制部分的主回路為水位控制回路，副回路可控制水流量。對水位控制回路進行設計時，在該部分完成水位上下限值的設定，若汽包水位出現過高或者過低的現象，均可采取報警模式。對汽包的壓力進行控制時，可通過調節(jié)蒸汽量調節(jié)閥實現壓力的調整。通常情況下，將汽包壓力值作為被控參數，結合PID控制算法實現蒸汽閥開度的調節(jié)，有利于促進汽包壓力的調整精度。汽包蒸汽放散閥控制回路可維持蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在對該回路進行設計時，將二位控制算法作為核心，實現蒸汽壓力的精準調節(jié)。若汽包壓力蒸汽大于設定值1.29 MPa時，為降低汽包的蒸汽壓力，可立即打開蒸汽放散調節(jié)閥；若汽包壓力蒸汽處于正常狀態(tài)時，可立即關閉蒸汽放散調節(jié)閥[7]。

3.5 換向過程控制

蓄熱式加熱爐的換向控制段可劃分為預熱段、加熱段以及均熱段三部分，每個換向控制段兩側均含有成對的三通換向閥，每段包含5組換向閥。本研究對蓄熱式加熱爐的換向過程進行控制時，可采用定時換向、手動換向以及動作異常報警三種方式。定時換向方式指的是：每隔一段時間，即可通過換向運行程序對處于工作狀態(tài)的加熱爐換向閥進行調節(jié)。手動換向指的是：當系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時，通過工作人員在計算機中對換向閥進行操作。若換向閥的閥位存在異常，可采取報警模式或者人工干預，使加熱爐換向控制段恢復正常。

3.6 煤氣總管控制

本研究對煤氣總管控制進行設計時，采用PID作為核心控制器，通過PID對煤氣總管的壓力進行調節(jié)。若煤氣總管控制滿足安全連鎖條件時，可立即切斷加熱爐的煤氣控制。煤氣總管控制的安全裝置為切斷閥，若切斷閥處于關閉狀態(tài)，則表明煤氣總管停止向加熱爐輸送煤氣?？焖偾袛嚅y只可采用手動的方式打開，煤氣總管控制壓力控制原理如圖4所示[8]。

圖4 煤氣總管控制壓力控制原理圖

4 蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)軟件模塊設計

本研究對控制系統(tǒng)軟件模塊進行設計時，將系統(tǒng)軟件模塊劃分為運行狀態(tài)監(jiān)控模塊和運行狀態(tài)分析模塊兩部分。其中，運行狀態(tài)監(jiān)控模塊在軟件系統(tǒng)中主要負責對加熱爐的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，該模塊的工作地點為計算機前臺。運行狀態(tài)分析模塊在軟件系統(tǒng)中主要負責對加熱爐的運行狀態(tài)進行分析。結合加熱爐的工作狀態(tài)，可將運行狀態(tài)監(jiān)控模塊劃分為三段爐溫、變頻排煙、流程監(jiān)視等部分，運行狀態(tài)分析模塊可劃分為歷史曲線、參數查詢等部分[9]。

4.1 運行狀態(tài)監(jiān)控模塊

在對該模塊進行設計時，可模擬加熱爐的生產流程，并將運行參數實時顯示在系統(tǒng)界面中，不同顏色代表加熱爐不同的報警狀態(tài)用戶可在系統(tǒng)界面中選擇不同的控制方式，同時可向系統(tǒng)中輸入控制數據。流程監(jiān)視子模塊主要負責實時顯示系統(tǒng)運行參數，三段爐溫可將加熱爐三段運行參數顯示在模擬畫面上。變頻器可對加熱爐的排煙進行控制，主要參數可以表格的形式展現。

4.2 運行狀態(tài)分析模塊

該模塊主要由歷史曲線、參數查詢以及報警日志查詢三個子模塊共同組成。用戶對控制系統(tǒng)的運行情況進行分析時，需要查詢系統(tǒng)的歷史運行數據，為系統(tǒng)的維護與檢修提供參考。歷史曲線指的是：采用曲線的方式完成控制系統(tǒng)在某個歷史時間段內參數的表達。參數查詢子模塊可將參數整合成表格的形式，在系統(tǒng)中主要負責展示歷史時間段內系統(tǒng)全部參數數據。報警日志查詢子模塊參數表達形式為表格，在系統(tǒng)中主要負責展示歷史時間段內系統(tǒng)全部報警情況[10]。

5 結 語

加熱爐在實際燃燒過程中存在大滯后、時變性等特點，該特點為爐溫的精準控制增加了難度。本研究為實現蓄熱式加熱爐的精準控制，設計了計算機控制系統(tǒng)。采用二級結構對蓄熱式加熱爐計算機控制系統(tǒng)進行設計，有利于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保證加熱爐的燒嘴可正常工作，采用點火控制器作為控制系統(tǒng)的核心部件，該控制器可有效維持燒嘴的正常工作。