摘要：燃?xì)馐枪I(yè)生產(chǎn)中的重要能源，最大化地使用燃?xì)馐枪?jié)能降耗的首要目標(biāo)。使用燃?xì)鉄嶂祪x指導(dǎo)現(xiàn)場空燃比既能降低污染排放，又能提高生產(chǎn)效率。已有燃?xì)鉄嶂祪x大多數(shù)是定空燃比燃燒，或者用氧化鋯分析儀測量殘氧含量做反饋，文章舍去殘氧含量的測量，加入氣體比重計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)測和設(shè)計(jì)。文章通過氣體比重計(jì)測得燃?xì)馀c空氣的比重，并結(jié)合現(xiàn)場燃?xì)饪諝鉅t溫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后建模預(yù)測熱值，設(shè)計(jì)使用PLC做控制基站且應(yīng)用上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。預(yù)測的熱值可信度較高，可以指導(dǎo)空燃比，軟件與硬件可以實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)行，且符合工藝的生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：熱值儀；氣體比重計(jì)；PLC

中圖分類號：TM93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

熱值檢測儀廣泛應(yīng)用于冶金、熱加工、電力、礦物加工等行業(yè)。在冶金行業(yè)中，冶煉高爐也是熱值儀的重要使用對象^［1］。在軋鋼廠生產(chǎn)的過程中，燃?xì)馐悄茉垂?yīng)的源泉。加熱爐在整個軋鋼工藝中是必不可缺的環(huán)節(jié)，當(dāng)對鋼坯精加工時，必須將鋼坯投入加熱爐進(jìn)行加熱，只有精確地測定燃?xì)鉄嶂挡拍鼙ＷC鋼坯生產(chǎn)的精度和質(zhì)量。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對煤氣的燃燒狀態(tài)進(jìn)行控制，使加熱爐達(dá)到待軋制的鋼坯進(jìn)行精加工所要求的溫度并且能夠穩(wěn)定地維持在這一溫度上。在冶金行業(yè)的高溫作業(yè)中，設(shè)計(jì)一款精準(zhǔn)有效的熱值檢測裝置不僅能使冶金一線減少作業(yè)人員，提高軋鋼精度和效率，也是未來熱值儀的發(fā)展趨勢。

由于燃?xì)獾娜紵龡l件和燃燒環(huán)境不同，燃?xì)鈱a(chǎn)生不同的熱量。燃?xì)獾男屎腿紵龝r的環(huán)境、壓力、氣體比重等有著密不可分的關(guān)系。當(dāng)助燃空氣含量過多時，將會導(dǎo)致剩余空氣帶走部分熱量，降低了燃?xì)鉄崃康睦寐?；?dāng)助燃空氣含量少時，會導(dǎo)致燃?xì)馊紵怀浞?，造成燃?xì)赓Y源的浪費(fèi)，同時未充分燃燒的燃?xì)馀湃氪髿庠斐纱髿獾奈廴?sup>［^1，5］。因此，研究熱值檢測儀是為了更好地指導(dǎo)空燃配比，從而使燃?xì)庾畲蠡褂?，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

現(xiàn)階段測量熱值多數(shù)是給定參數(shù)控制，固定空燃比燃燒。這種控制方式隨著燃?xì)鈮毫Φ淖兓瘯霈F(xiàn)不充分燃燒、過氧燃燒的問題，并且兩種情況交替發(fā)生。這種燃燒狀況會導(dǎo)致生產(chǎn)效率不達(dá)標(biāo)、燃燒利用率低下等問題。本文針對高爐燃燒系統(tǒng)的問題給出了方案且進(jìn)行建模預(yù)測評估，優(yōu)化空燃比，從而使熱值達(dá)到最大化，解決了燃燒不充分和過氧燃燒的問題。

1 熱值儀系統(tǒng)

參考德國尤尼熱值儀的工藝流程，熱值儀可分為空氣預(yù)處理、吹掃、點(diǎn)火、檢測、控制等步驟。空氣和燃?xì)膺M(jìn)入管路需要做預(yù)處理，首先通過風(fēng)機(jī)控制鼓入空氣管道，再次經(jīng)過兩級穩(wěn)壓裝置后進(jìn)入加熱爐?？諝庠谌紵锌梢云鸬搅己玫闹甲饔谩７謩e在空氣與燃?xì)獾墓苈分邪惭b流量計(jì)來測得流量；通過改變空氣管路中電動閥的給進(jìn)量來控制燃燒室的燃燒效率；在兩路管道的末端（未進(jìn)入加熱爐）加入氣體比重計(jì)來測量通入加熱爐的空燃?xì)怏w比重；在煙道末端進(jìn)行CO含量的測量。

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱值儀的控制系統(tǒng)如圖1所示。兩個單閉環(huán)的系統(tǒng)均用到了檢測元件、控制器、執(zhí)行元件、被控對象。檢測元件由流量計(jì)、CO檢測儀、氣體比重計(jì)組成。被控對象由燃?xì)饬髁?、空氣流量兩部分組成。兩路閉環(huán)都采用PLC進(jìn)行控制，雙管路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都采用流量調(diào)節(jié)閥。

1.2 PID控制方法

閉環(huán)PID控制的原理是在反饋控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，被控量由產(chǎn)生的偏差量來決定，反饋控制系統(tǒng)本身具有服從給定的特性，也具有抵抗擾動的作用。文章通過對模糊控制和PID閉環(huán)控制特性的分析，并結(jié)合實(shí)際，認(rèn)為燃?xì)鉄嶂祪x應(yīng)用閉環(huán)PID控制最貼合實(shí)際。將燃?xì)饪梢猿浞秩紵臓顟B(tài)作為探求的狀態(tài)，PID表達(dá)式如公式（1）所示。

系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差可由輸入和輸出的結(jié)果表達(dá)：E（t）=R（t）-Y（t），PID控制分別由比例積分微分同時作用來控制，可調(diào)節(jié)三者的大小來確定不同算法對控制作用的強(qiáng)弱。以傳遞函數(shù)的形式表示如公式（2）所示。

傳遞函數(shù)中，K_P為比例，T_IS為積分，T_DS為微分。

1.3 熱值計(jì)算方法

在正式進(jìn)行燃燒時，先取少量燃?xì)?，預(yù)先進(jìn)行定量燃燒，再求得華白指數(shù)和氣體比重。在本設(shè)計(jì)中，只需測得華白指數(shù)，氣體比重由比重計(jì)直接給出，如公式（3）所示。

從上述公式可知，燃?xì)鉄嶂凳侨A白指數(shù)I與氣體比重的乘積。華白指數(shù)是標(biāo)定系數(shù)K與溫升ΔT的乘積。查閱熱值公式后，K和熱值求取的其他參數(shù)都具有線性關(guān)系。因此，求取K的方法是定量燃燒一種和空氣密度相似的氣體，用一種已有精確的燃?xì)鉄嶂祪x測量得出，再通過這個燃?xì)鉄嶂祪x測出反應(yīng)爐溫度，從而反推熱值。ΔT為溫升，指氣體進(jìn)入燃燒爐膛的溫度與排出爐膛的溫度之差。

1.4 CO控制方法

CO是對人身有害的氣體之一，當(dāng)濃度≥600 mg/L時，會使人受到嚴(yán)重危害。燃?xì)馊紵^后尾部需加CO濃度檢測裝置和CO二次燃燒裝置，熱值儀運(yùn)行過程中必須實(shí)時對CO進(jìn)行檢測監(jiān)控，其控制流程如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)處理與建模

2.1 數(shù)據(jù)剔除與插值

數(shù)據(jù)處理需要用到拉依達(dá)準(zhǔn)則，首先求出一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，然后根據(jù)正態(tài)分布的原理確定需要保留數(shù)據(jù)的區(qū)間，將每一個數(shù)據(jù)與設(shè)定的區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)比較，若是超出設(shè)定區(qū)間則該數(shù)據(jù)被認(rèn)為是粗大誤差，則選擇剔除該數(shù)據(jù)。使用該法則必須有多組數(shù)據(jù)，其原理如公式（4）所示。

選用連續(xù)的一組的采樣數(shù)據(jù)x_i=｛x_i1，x_i2，x_i3...x_in｝，其中n為樣總數(shù)，i=1，2…n。e²_ir表示每一個數(shù)據(jù)與均值差值的平方；x^-_i是樣本總數(shù)的平均值。

與實(shí)際測量不符的數(shù)據(jù)通過刪除和賦值來處理，與原始數(shù)據(jù)中缺失的值一起組成缺失數(shù)據(jù)集，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)補(bǔ)足的方法有數(shù)據(jù)平滑法和插值法，本系統(tǒng)運(yùn)行時，參數(shù)的變化具有連續(xù)性且沒有較大的波動，所以線性插值法更加優(yōu)秀。插值前后1 000組溫度數(shù)據(jù)如圖3—4所示。

2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

實(shí)驗(yàn)用到的數(shù)據(jù)不能確定其相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，也不能做到流量、溫度、比重與熱值具有映射關(guān)系^［2］。在確定各數(shù)組之間的關(guān)系時，大概相等的函數(shù)就有相關(guān)性分析的價(jià)值。ρ_xy的絕對值為1時，X與Y的值完全相關(guān)，也表示X與Y存在函數(shù)關(guān)系；ρ_xy的絕對值gt;0.8時，X與Y的值高度相關(guān)；ρ_xy的絕對值lt;0.3

時，X與Y的值低度相關(guān)；ρ_xy的絕對值為0.3～0.8時，則X與Y的值中相關(guān)。相關(guān)系數(shù)公式如公式（5）所示。

為了使建模更加貼近實(shí)際，選取工藝現(xiàn)場的燃?xì)饬髁?、空氣流量、反?yīng)爐溫度、氣體比重作為輸入，利用公式求得的熱值作為輸出，進(jìn)行建模預(yù)測控制效果的可行性。建模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

建模所用輸入節(jié)點(diǎn)為4，輸出為1。通過公式（6）以及對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行反復(fù)對比：

式中，K：隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；n：輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；a：在1～10范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)常數(shù)；m：輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

用現(xiàn)場的熱值作為參考，工藝生產(chǎn)中熱值基本是趨向于一個固定值附近小幅度波動的。由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模后預(yù)測的熱值能較為準(zhǔn)確地反映熱值的變化趨勢，可以看出預(yù)測的熱值與計(jì)算所得的熱值存在小幅度偏差，但大體上趨于一致，所以引入氣體比重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制方法具有較高的可行性。以30組計(jì)算熱值和預(yù)測熱值的結(jié)果為例說明，兩組值雖然存在點(diǎn)與點(diǎn)不貼合的現(xiàn)象，在隨樣本數(shù)量的增加中預(yù)測值和計(jì)算值基本一致，且在誤差值的范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)訓(xùn)練次數(shù)可以預(yù)測到實(shí)際熱值比較準(zhǔn)確，并且能對現(xiàn)場空燃比的調(diào)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)，也可以判斷過往煤氣熱值的走向。

3 PLC與上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型及控制點(diǎn)數(shù)規(guī)劃

西門子S7系列PLC具有體積小、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)^［3］。西門子S7-200系列可編程控制器能夠擴(kuò)展輸入/輸出和功能模塊^［4］。S7-200指令集豐富，集成能力強(qiáng)，同時也具有較高的價(jià)格比。本系統(tǒng)選擇CPU224XP作為主機(jī)，又考慮到CPU輸入端口的靈活性，滿足日后更多信號的植入，有必要選擇一塊數(shù)字量的擴(kuò)展模塊。因此，選擇EM223以此滿足系統(tǒng)的要求。由于該系統(tǒng)有模擬量的輸入和輸出，即需要采集管道內(nèi)的流量信號、氣體比重信號、溫度信號以及對流量調(diào)節(jié)閥的控制信號輸出，所以還需要擴(kuò)展兩塊模擬量輸入/輸出模塊。在本系統(tǒng)中配置了EM235和EM231模塊，EM235模塊具有4個模擬量輸入端口和1個模擬量輸出端口，EM231模塊具有4個模擬量輸入端口。

本熱值檢測控制系統(tǒng)共有8個輸入量，8個輸出量，其中數(shù)字量有6個輸入7個輸出，模擬量有2個輸入1個輸出^［5］。具體的I/O口的分配如表2所示。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和連接PLC控制站的軟件中，MCGS軟件具有簡潔、可靠、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時可視化的操作界面可以實(shí)時反應(yīng)現(xiàn)場情況。設(shè)計(jì)中有熱值儀整體的啟停、手動燃?xì)饪諝獾葦?shù)據(jù)輸入、各類閥位的指示、控制參數(shù)的調(diào)節(jié)和報(bào)警設(shè)定等功能。部分設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖7—8所示。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)舍棄了殘氧含量檢測，所以避免了后期在煙道處維護(hù)的多余操作量，也降低了更換氧化鋯探頭的成本。加入氣體比重計(jì)來分析設(shè)計(jì)熱值儀，相對于原有的殘氧含量檢測更加方便，且在可行性上并未有明顯的降低，可以滿足現(xiàn)場的所有控制需求。由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模后，可以把預(yù)測的結(jié)果作為實(shí)時的參考值顯示在觸摸屏中，作為現(xiàn)場人員的實(shí)時參考。本次設(shè)計(jì)加入的氣體比重更加貼合工藝的流程需要，并且本身具有使用范圍廣闊、測量精確的優(yōu)點(diǎn)。

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（編輯 王雪芬）

Design of gas calorific value meter with hydrometer

Yang Yuhan， Liu Piliang， Liang Long， Lu Jianli

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： Gas is an important energy source in industrial production， and maximizing the use of gas is the primary goal of energy conservation and consumption reduction. Using a gas calorific value meter to guide the onsite airfuel ratio can not only reduce pollution emissions， but also improve production efficiency. Most of the existing gas calorific value meters are constant airfuel ratio combustion， or use zirconia analyzers to measure residual oxygen content for feedback， this paper design to remove the measurement of residual oxygen content， and add gas hydrometers for experimental prediction and design. The specific gravity of gas and air is measured by gas hydrometer， and the calorific value is predicted by data processing combined with the onsite gas air furnace temperature， and the PLC is used as the control base station and the upper computer is used for monitoring. The predicted calorific value is highly reliable， can guide the airfuel ratio， and the software and hardware can be simulated in the laboratory and meet the production requirements of the process.

Key words： calorimeter; gas hydrometer; PLC