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加熱爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選題背景及意義(一)
選題背景及意義
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源短缺已成為制約我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重要阻礙，社會(huì)各界都對(duì)此積極關(guān)注。推鋼式加熱爐是冶金工業(yè)的主要耗能設(shè)備。如何保證被加熱后的金屬能夠在有效軋制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業(yè)控制技術(shù)研究的主要方向。近年來由于各企業(yè)重視節(jié)源效益，對(duì)加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平也相應(yīng)提高和不斷深入。目前面向節(jié)能降耗、提高軋制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量設(shè)計(jì)的加熱爐工程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。設(shè)計(jì)一套完善可行的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)有其巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、環(huán)保意義。
加熱爐生產(chǎn)過程主要是個(gè)燃燒與熱交換的物理化學(xué)過程，燃燒方面有一個(gè)如何使其在各種工況下特別是在熱負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)過程中保持最佳節(jié)能燃燒的問題。另外從整個(gè)軋制生產(chǎn)線來看，加熱爐是局部環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是加熱鋼坯，使鋼坯在出爐時(shí)達(dá)到軋制所要求的溫度分布。評(píng)價(jià)加熱爐性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)是加熱爐的單位燃燒消耗、產(chǎn)量、鋼坯的加熱質(zhì)量、鋼坯的氧化燒損等。影響這些指標(biāo)的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用[1]。
我國(guó)的加熱爐大部分是六、七十年代的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)非常落后。相當(dāng)一部分還處于基地式儀表控制，表盤顯示的水平，軟件操作不易為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進(jìn)行加熱爐監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。加熱爐的工作目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)采取最經(jīng)濟(jì)的方式把爐內(nèi)的鋼坯加熱到所要求的狀態(tài)。特別是一些目前小的鋼鐵企業(yè)，對(duì)這種投資少、見效快的技術(shù)改造更感興趣[2]。本文主要講述加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1.2 加熱爐爐溫優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
國(guó)際上對(duì)加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，我國(guó)從80年代才開始對(duì)這方面進(jìn)行研究。在鋼鐵領(lǐng)域，以前人們對(duì)加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數(shù)學(xué)模型、爐溫優(yōu)化設(shè)定以及燃燒控制，近年來智能控制技術(shù)正逐步被應(yīng)用到加熱爐爐溫控制中。
目前，就我國(guó)帶鋼熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)整體而言，與國(guó)外相比，相差甚遠(yuǎn)。在國(guó)外，多數(shù)帶鋼熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)己經(jīng)采用了高智能型的專家系統(tǒng)，模糊控制或兩者相結(jié)合的控制系統(tǒng)。如美國(guó)的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)對(duì)帶鋼熱連軋加熱爐進(jìn)行控制。而我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)的熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)仍是早期的DCS控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，有的還沒有達(dá)到這個(gè)控制水平，因而為了參加國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，贏得產(chǎn)品盛譽(yù)，就必須對(duì)加熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)行換代或改造。對(duì)加熱爐控制系統(tǒng)的改造，國(guó)內(nèi)存在兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為要較好地實(shí)現(xiàn)加熱爐的控制，必須堅(jiān)持HCA (High Cost Automation)高成本高投入，大力提高自動(dòng)化部分的控制水平，采用高智能型的集中控制(或集散控制，甚至智能模糊控制等。目前，一些大型企業(yè)比較傾向于此，但硬件投資也比較高，往往占到設(shè)備投資50％左右，而且要相當(dāng)一批專業(yè)人員來完成;另一種為L(zhǎng)CA(Low Cost Automation)低成本自動(dòng)化。低成本不是低水平，是在低成本前提下的先進(jìn)性和適用性，LCA是簡(jiǎn)易自動(dòng)化的延伸，是全新自動(dòng)化的補(bǔ)充。它往往成為中小企業(yè)的優(yōu)先選擇[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有帶鋼熱連軋加熱爐一千多座，由于資金、技術(shù)等力一面的原因，改造或換代為高智能型加熱爐數(shù)量很少。在這方面，由于寶鋼、鞍鋼等大型國(guó)有鋼鐵企業(yè)較重視科技在生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位，在帶鋼連軋加熱爐改造中投入的力量較大，己成為我國(guó)鋼鐵行業(yè)領(lǐng)頭羊。
2 加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 加熱爐工藝
熱爐加熱是一個(gè)典型的復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)，它具有復(fù)雜系統(tǒng)的諸多特征。如：建模困難、干擾嚴(yán)重、多變量、時(shí)變、非線性、耦合大慣性兼滯后等特點(diǎn)。因此加熱爐一直是工業(yè)自動(dòng)化研究的主要課題[1]。
通常冶金加熱爐燃料采用氣體燃料。氣體燃料即各種煤氣和天然氣。在各種燃料中，氣體燃料的燃燒最容易控制，燃燒效率也最高，是最受歡迎的一種燃料。任何一種氣體燃料的燃燒，都要經(jīng)歷三個(gè)階段：即燃料與空氣的混合、混合氣體的活化和混合氣體的燃燒。所以，如何解決這三個(gè)問題也是加熱爐工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[4]。
加熱爐傳統(tǒng)的控制方法是控制爐溫，由調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)節(jié)，再配以空燃比，煙道殘氧量以及燃料流量與助燃空氣流量的交叉限幅控制等輔助控制方法以提高熱效率。但一般人工設(shè)定爐溫余量偏大，在生產(chǎn)工況波動(dòng)的情況下，容易造成過度燒損，從而降低了加熱質(zhì)量，反而導(dǎo)致產(chǎn)品成材率下降，能耗增加。
根據(jù)熱效率曲線,空氣過剩系數(shù)應(yīng)在1.02～1.10之間,此時(shí)的空燃比為最佳。工作點(diǎn)位于效率曲線的頂端。因此燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以最佳空燃比為中心[1]。
圖2.1燃燒熱效率曲線
2.2 燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)
加熱爐燃燒控制由多部分組成：爐溫控制、燃料流量控制、二者比值控制、爐壓控制[3]。 燃燒控制主要由溫度流量串級(jí)并列控制回路和雙交叉限幅器組成。由于燃燒控制是系統(tǒng)的執(zhí)行層，它不僅要快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地隨動(dòng)溫度數(shù)模的設(shè)定值，而且還要保證動(dòng)態(tài)時(shí)和靜態(tài)時(shí)有良好的空燃配比效果。根據(jù)這個(gè)要求，本系統(tǒng)采用溫度流量串級(jí)雙交叉雙向限幅控制。以溫度環(huán)作為外環(huán)，空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)作為內(nèi)環(huán)來設(shè)計(jì)[4]。用溫度環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出分別作為空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)的給定值與各環(huán)反饋值進(jìn)行比較，再通過限幅器對(duì)空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)進(jìn)行限幅。綜合系統(tǒng)中各個(gè)因素考慮，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的流程圖，如圖2.2:
圖2.2加熱段控制系統(tǒng)流程圖
其中符號(hào)意義如下:
H-高值選擇 L-低值選擇 TIC-溫度調(diào)節(jié)器 FIC-流量調(diào)節(jié)器 LMT-流量上下限幅 DFA-安全柵 HC-手操器 β-空燃比 (k1-k4)-燃料空氣設(shè)定值限幅系數(shù)
燃燒控制由溫流串級(jí)并列雙交叉雙向限幅型控制回路,爐壓,熱風(fēng)等附屬參數(shù)控制,生產(chǎn)過程的安全報(bào)警與事故處理等幾個(gè)主要部分組成。
燃燒控制采用雙交叉雙向限幅結(jié)合溫度-流量串級(jí)結(jié)構(gòu)，這一算法的主要優(yōu)點(diǎn)是它彌補(bǔ)了無交叉無限幅一般串級(jí)系統(tǒng)缺點(diǎn)，即很難保證動(dòng)態(tài)時(shí)的空燃比控制精度，只能保證靜態(tài)的空燃比控制。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的加熱爐大部分時(shí)間都處于動(dòng)態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)過程，如果動(dòng)態(tài)空燃比精度保證不了則很難達(dá)到理想的加熱效果，由此也很難保證成材率的提高和能耗的降低。雖然雙交叉限幅燃燒控制由于燃料空氣設(shè)定值的限制動(dòng)態(tài)過程可能比一般的串級(jí)系統(tǒng)稍慢，但只要合適的選取K1－K4的值就可以在動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度和空燃比精度之間找到平衡點(diǎn)。K1－K4限定了燃料－空氣工作帶隙的寬度和位置,這兩個(gè)帶隙所在區(qū)域的空燃比就是β的近似值。另外燃料－空氣回路的調(diào)節(jié)參數(shù)也變得容易整定,手自動(dòng)轉(zhuǎn)換比較平穩(wěn),因?yàn)殡p向雙交叉限幅帶隙寬度不變, 不會(huì)出現(xiàn)一般的串級(jí)并列設(shè)定值那樣大起大落的情況[8]。積分增益高些流量環(huán)趨于強(qiáng)單調(diào)過程比較理想。K1－K4如果增加，則帶隙寬度變大，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，但是動(dòng)態(tài)空燃比精度降低；反之，則帶隙寬度變小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，但是動(dòng)態(tài)空燃比精度提高。這就需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況酌情掌握。
與控制系統(tǒng)流程圖對(duì)應(yīng)的燃燒控制部分框圖如下：
圖2.3 雙交叉限幅燃燒控制框圖
2.3 爐壓控制設(shè)計(jì)
壓力檢測(cè)意義：首先，工業(yè)生產(chǎn)中許多生產(chǎn)工藝過程經(jīng)常要求在一定的壓力或一定的壓力變化范圍內(nèi)進(jìn)行，這就需要測(cè)量或控制壓力，以保證工藝過程的正常進(jìn)行。其次，壓力測(cè)量或控制可以防止生產(chǎn)設(shè)備因過壓而引起破壞或爆炸。再有，通過測(cè)量壓力或壓差可以間接測(cè)量其它物理量，如：溫度、流量等。壓力是生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一。
本設(shè)計(jì)中壓力檢測(cè)采用差壓變送器。差壓變送器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（Ⅱ型表為0～10mA.DC，Ⅲ型表為4～20mA.DC），送給顯示儀表或調(diào)節(jié)器，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、壓差等參數(shù)的指示、記錄和控制，還可以和節(jié)流裝置配合實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制[6]。
爐膛壓力是實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)控制的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)爐膛壓力過高時(shí)，火煙就會(huì)從入（出）料口處大量冒出。不僅使大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也容易燒壞爐子的鋼結(jié)構(gòu)和爐墻鋼板，降低爐子的使用壽命。同時(shí)，爐壓過大引起的冒火還會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)環(huán)境的惡化。當(dāng)爐膛壓力過低時(shí)，會(huì)吸入大量的冷風(fēng)，不但增加爐子的熱耗還會(huì)增加鋼坯的氧化燒損，甚至引起燒鋼。因此，必須對(duì)爐膛壓力進(jìn)行有效控制。在加熱爐最佳燃燒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，爐膛壓力控制可以通過控制煙道閘門的開啟度或引風(fēng)機(jī)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)，而爐溫對(duì)煙道閘門開度的變化非常敏感，如果通過傳統(tǒng)的PID方式調(diào)節(jié)爐膛壓力，那么頻繁的煙道閘門開度變化必然會(huì)帶來爐溫的波動(dòng)，這在軋鋼工藝中是要盡量避免的，會(huì)導(dǎo)致軋出的鋼材品質(zhì)降低。另外，爐膛壓力控制系統(tǒng)為一大時(shí)滯系統(tǒng)，控制對(duì)象反應(yīng)速度較慢。因此，如何保證爐膛壓力既在期望的范圍之內(nèi)，又不使閘門頻繁變化成為爐壓控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
爐子運(yùn)行時(shí)爐壓是個(gè)重要的參數(shù), 它的好壞直接關(guān)系到能源的充分利用,而且因?yàn)檎麄�(gè)軋制過程加熱環(huán)節(jié)只是個(gè)中間過程,因此往往受到上下工序的制約,這樣熱負(fù)荷起伏變化較大。 如果以爐壓檢測(cè)值為反饋量閉環(huán)控制煙道閘板的開度或引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)爐壓會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁磨損快效果也不理想,這樣爐壓索性采用開環(huán)隨動(dòng)控制法。 即以主燃料量為依據(jù)控制爐壓閥的開度或者引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,有時(shí)也稱爐壓前饋控制。其算法為:
LMN-實(shí)際閥位 LMN0-初始閥位 K-前饋系數(shù) Fg-單爐燃料總管流量
F0-臨界流量
2.4 溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)
對(duì)于一個(gè)加熱爐來說，最重要的指標(biāo)參數(shù)就是溫度。因此，溫度檢測(cè)的過程是十分重要的。本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)主要是對(duì)上加熱點(diǎn)、上均熱點(diǎn)、下均熱點(diǎn)三個(gè)加熱點(diǎn)的檢測(cè)。
本設(shè)計(jì)加熱爐爐溫控制采用雙向限幅控制方式，即根據(jù)給定的空燃比，合理的同時(shí)調(diào)節(jié)空氣流量和燃料流量，以保證在爐溫調(diào)節(jié)過程中，燃料和空氣都達(dá)到最佳配比。這樣既可節(jié)約能源，又可防止環(huán)境污染。
溫度檢測(cè)采用熱電偶。熱電偶屬于電能量傳感器，雖然它是一種古老的傳感器，但因它有一系列優(yōu)點(diǎn)至今仍在測(cè)溫領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。熱電偶的分度號(hào)主要有E、K、S等，其中E為低溫?zé)犭娕�，K為中溫?zé)犭娕�，S為高溫?zé)犭娕糩5]。對(duì)軋鋼加熱爐來講預(yù)熱段、加熱段、均熱段溫度工作點(diǎn)都在1200℃左右，所以這里均用S分度號(hào)的熱電偶。
溫度變送器與熱電偶配合使用，將溫度或毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA.DC信號(hào)。由熱電偶送來的反映溫度的直流毫伏信號(hào)，與反饋信號(hào)比較，其差值經(jīng)放大器放大后，轉(zhuǎn)換為4～20mA.DC信號(hào)輸出。同時(shí)，放大器的輸出經(jīng)負(fù)反饋回路變換為與變送器輸出電流成正比的反饋電壓，反饋至放大器的輸入端，以保證輸入的毫伏信號(hào)與輸出電流之間為線性關(guān)系[7]。
2.5 流量檢測(cè)控制設(shè)計(jì)
流量檢測(cè)的主要過程如下：
如圖2.4所示：燃料流量或空氣流量f通過節(jié)流元件孔板檢測(cè)裝置，進(jìn)入流量變送器。將流量轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20mA，經(jīng)過安全柵的安全過濾、信號(hào)隔離后，傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，此時(shí)，系統(tǒng)CPU進(jìn)行處理，再將信息送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器；然后通過手操器，再經(jīng)過伺服放大器放大信號(hào)后送給調(diào)節(jié)閥。這樣，就通過檢測(cè)流量完成了系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制。流量檢測(cè)控制原理如圖2.4：
圖2.4 流量檢測(cè)控制原理圖
流量的檢測(cè)控制對(duì)燃燒控制系統(tǒng)是非常重要的。通過設(shè)定每段的加熱溫度，使溫度控制器的輸出經(jīng)過雙交叉限幅器作為空氣和燃料流量控制器的設(shè)定值，按照雙交叉限幅控制理論進(jìn)行燃料和空氣流量的調(diào)節(jié)。在通常的燃燒控制系統(tǒng)中，采用串級(jí)并列調(diào)節(jié)系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器的輸出直接作為燃料流量調(diào)節(jié)控制器的給定，然后燃料流量設(shè)定值乘以空燃比作為空氣流量調(diào)節(jié)控制器的給定。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，空氣流量可按一定的空燃比跟隨燃料量變動(dòng)；但在動(dòng)態(tài)時(shí)，如升溫、降溫等變化時(shí)，這種常規(guī)系統(tǒng)就無法保證空氣量的精確變化。然而，采用雙交叉限幅控制方式就能保證無論是在動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)時(shí)都能滿足一定的空燃配比精度，使系統(tǒng)無論在穩(wěn)態(tài)還是在動(dòng)態(tài)時(shí)，都可獲得較好的空燃比性能。同時(shí)由于沒有過氧和缺氧燃燒從而起到節(jié)能降耗的效果。
另外空氣流量由于熱效率的原因要進(jìn)行預(yù)熱成熱風(fēng),而當(dāng)熱風(fēng)實(shí)際溫度壓力與設(shè)計(jì)溫度壓力不一致時(shí),要進(jìn)行熱風(fēng)流量的溫度壓力補(bǔ)正:
變量意義:K―系數(shù)、―設(shè)定壓力、―設(shè)定溫度、P―實(shí)際壓力、T―實(shí)際溫度
—補(bǔ)前流量
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