加热炉PLC控制系统设计选题背景及意义（一）

　　选题背景及意义
　　随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。推钢式加热炉是冶金工业的主要耗能设备。如何保证被加热后的金属能够在有效轧制前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究的主要方向。近年来由于各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。目前面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。
　　加热炉生产过程主要是个燃烧与热交换的物理化学过程，燃烧方面有一个如何使其在各种工况下特别是在热负荷变化的动态过程中保持最佳节能燃烧的问题。另外从整个轧制生产线来看，加热炉是局部环节，其主要任务是加热钢坯，使钢坯在出炉时达到轧制所要求的温度分布。评价加热炉性能优劣的主要指标是加热炉的单位燃烧消耗、产量、钢坯的加热质量、钢坯的氧化烧损等。影响这些指标的因素较多，在众多因素中加热炉温度制度起着决定性的作用[1]。
　　我国的加热炉大部分是
　　六、七十年代的产品，其控制系统非常落后。相当一部分还处于基地式仪表控制，表盘显示的水平，软件操作不易为普通工人所掌握。为改变这种落后状况，有效途径之一就是进行加热炉监测和控制系统的技术改造。加热炉的工作目标是在最短的时间内采取最经济的方式把炉内的钢坯加热到所要求的状态。特别是一些目前小的钢铁企业，对这种投资少、见效快的技术改造更感兴趣[2]。本文主要讲述加热炉燃烧控制系统设计。 国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。
　　目前，就我国带钢热连轧加热炉控制系统整体而言，与国外相比，相差甚远。在国外，多数带钢热连轧加热炉控制系统己经采用了高智能型的专家系统，模糊控制或两者相结合的控制系统。如美国的Bethlehem钢铁公司利用模糊控制和专家系统相结合的控制系统对带钢热连轧加热炉进行控制。而我国大部分钢铁企业的热连轧加热炉控制系统仍是早期的DCS控制系统或PLC控制系统，有的还没有达到这个控制水平，因而为了参加国际竞争，赢得产品盛誉，就必须对加热炉控制系统进行换代或改造。对加热炉控制系统的改造，国内存在两种观点：一种认为要较好地实现加热炉的控制，必须坚持HCA (High Cost Automation)高成本高投入，大力提高自动化部分的控制水平，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，一些大型企业比较倾向于此，但硬件投资也比较高，往往占到设备投资50％左右，而且要相当一批专业人员来完成;另一种为LCA(Low Cost Automation)低成本自动化。低成本不是低水平，是在低成本前提下的先进性和适用性，LCA是简易自动化的延伸，是全新自动化的补充。它往往成为中小企业的优先选择[1]。国内现有带钢热连轧加热炉一千多座，由于资金、技术等力一面的原因，改造或换代为高智能型加热炉数量很少。在这方面，由于宝钢、鞍钢等大型国有钢铁企业较重视科技在生产中的主导地位，在带钢连轧加热炉改造中投入的力量较大，己成为我国钢铁行业领头羊。
　　2  加热炉控制系统设计
　　2.1  加热炉工艺
　　热炉加热是一个典型的复杂工业过程控制系统，它具有复杂系统的诸多特征。如：建模困难、干扰严重、多变量、时变、非线性、耦合大惯性兼滞后等特点。因此加热炉一直是工业自动化研究的主要课题[1]。
　　通常冶金加热炉燃料采用气体燃料。气体燃料即各种煤气和天然气。在各种燃料中，气体燃料的燃烧最容易控制，燃烧效率也最高，是最受欢迎的一种燃料。任何一种气体燃料的燃烧，都要经历三个阶段：即燃料与空气的混合、混合气体的活化和混合气体的燃烧。所以，如何解决这三个问题也是加热炉工艺的一个重要环节[4]。
　　加热炉传统的控制方法是控制炉温，由调节器和执行器自动调节，再配以空燃比，烟道残氧量以及燃料流量与助燃空气流量的交叉限幅控制等辅助控制方法以提高热效率。但一般人工设定炉温余量偏大，在生产工况波动的情况下，容易造成过度烧损，从而降低了加热质量，反而导致产品成材率下降，能耗增加。
　　图2.1燃烧热效率曲线
　　2.2  燃烧系统设计
　　加热炉燃烧控制由多部分组成：炉温控制、燃料流量控制、二者比值控制、炉压控制[3]。    燃烧控制主要由温度流量串级并列控制回路和双交叉限幅器组成。由于燃烧控制是系统的执行层，它不仅要快速稳定准确地随动温度数模的设定值，而且还要保证动态时和静态时有良好的空燃配比效果。根据这个要求，本系统采用温度流量串级双交叉双向限幅控制。以温度环作为外环，空气流量环和燃料流量环作为内环来设计[4]。用温度环调节器的输出分别作为空气流量环和燃料流量环的给定值与各环反馈值进行比较，再通过限幅器对空气流量环和燃料流量环进行限幅。综合系统中各个因素考虑，设计了系统的流程图，如图2.2:
　　图2.2加热段控制系统流程图
　　其中符号意义如下:
　　H-高值选择  L-低值选择  TIC-温度调节器  FIC-流量调节器  LMT-流量上下限幅  DFA-安全栅  HC-手操器  β-空燃比  (k1-k
　　4)-燃料空气设定值限幅系数
　　燃烧控制由温流串级并列双交叉双向限幅型控制回路,炉压,热风等附属参数控制,生产过程的安全报警与事故处理等几个主要部分组成。
　　燃烧控制采用双交叉双向限幅结合温度-流量串级结构，这一算法的主要优点是它弥补了无交叉无限幅一般串级系统缺点，即很难保证动态时的空燃比控制精度，只能保证静态的空燃比控制。因为现场实际运行的加热炉大部分时间都处于动态或准动态过程，如果动态空燃比精度保证不了则很难达到理想的加热效果，由此也很难保证成材率的提高和能耗的降低。虽然双交叉限幅燃烧控制由于燃料空气设定值的限制动态过程可能比一般的串级系统稍慢，但只要合适的选取K1－K4的值就可以在动态响应的速度和空燃比精度之间找到平衡点。K1－K4限定了燃料－空气工作带隙的宽度和位置,这两个带隙所在区域的空燃比就是β的近似值。另外燃料－空气回路的调节参数也变得容易整定,手自动转换比较平稳,因为双向双交叉限幅带隙宽度不变, 不会出现一般的串级并列设定值那样大起大落的情况[8]。积分增益高些流量环趋于强单调过程比较理想。K1－K4如果增加，则带隙宽度变大，则动态响应加快，但是动态空燃比精度降低；反之，则带隙宽度变小                                  ，动态响应变慢，但是动态空燃比精度提高。这就需要根据现场的具体情况酌情掌握。
　　与控制系统流程图对应的燃烧控制部分框图如下：
　　图2.3 双交叉限幅燃烧控制框图
　　2.3  炉压控制设计
　　压力检测意义：首先，工业生产中许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化范围内进行，这就需要测量或控制压力，以保证工艺过程的正常进行。其次，压力测量或控制可以防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸。再有，通过测量压力或压差可以间接测量其它物理量，如：温度、流量等。压力是生产过程中的重要参数之一。 炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要参数。当炉膛压力过高时，火烟就会从入（出）料口处大量冒出。不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也容易烧坏炉子的钢结构和炉墙钢板，降低炉子的使用寿命。同时，炉压过大引起的冒火还会导致劳动环境的恶化。当炉膛压力过低时，会吸入大量的冷风，不但增加炉子的热耗还会增加钢坯的氧化烧损，甚至引起烧钢。因此，必须对炉膛压力进行有效控制。在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制可以通过控制烟道闸门的开启度或引风机调速来实现，而炉温对烟道闸门开度的变化非常敏感，如果通过传统的PID方式调节炉膛压力，那么频繁的烟道闸门开度变化必然会带来炉温的波动，这在轧钢工艺中是要尽量避免的，会导致轧出的钢材品质降低。另外，炉膛压力控制系统为一大时滞系统，控制对象反应速度较慢。因此，如何保证炉膛压力既在期望的范围之内，又不使闸门频繁变化成为炉压控制的关键环节。
　　炉子运行时炉压是个重要的参数, 它的好坏直接关系到能源的充分利用,而且因为整个轧制过程加热环节只是个中间过程,因此往往受到上下工序的制约,这样热负荷起伏变化较大。 如果以炉压检测值为反馈量闭环控制烟道闸板的开度或引风机转速来调节炉压会使执行机构动作频繁磨损快效果也不理想,这样炉压索性采用开环随动控制法。 即以主燃料量为依据控制炉压阀的开度或者引风机的转速,有时也称炉压前馈控制。其算法为:
　　LMN-实际阀位   LMN0-初始阀位   K-前馈系数   Fg-单炉燃料总管流量
　　F0-临界流量
　　2.4  温度检测设计
　　对于一个加热炉来说，最重要的指标参数就是温度。因此，温度检测的过程是十分重要的。本系统中温度检测主要是对上加热点、上均热点、下均热点三个加热点的检测。
　　本设计加热炉炉温控制采用双向限幅控制方式，即根据给定的空燃比，合理的同时调节空气流量和燃料流量，以保证在炉温调节过程中，燃料和空气都达到最佳配比。这样既可节约能源，又可防止环境污染。
　　温度检测采用热电偶。热电偶属于电能量传感器，虽然它是一种古老的传感器，但因它有一系列优点至今仍在测温领域里得到广泛应用。热电偶的分度号主要有E、K、S等，其中E为低温热电偶，K为中温热电偶，S为高温热电偶[5]。对轧钢加热炉来讲预热段、加热段、均热段温度工作点都在1200 左右，所以这里均用S分度号的热电偶。
　　温度变送器与热电偶配合使用，将温度或毫伏信号转换为4 20mA.DC信号。由热电偶送来的反映温度的直流毫伏信号，与反馈信号比较，其差值经放大器放大后，转换为4 20mA.DC信号输出。同时，放大器的输出经负反馈回路变换为与变送器输出电流成正比的反馈电压，反馈至放大器的输入端，以保证输入的毫伏信号与输出电流之间为线性关系[7]。
　　2.5  流量检测控制设计
　　流量检测的主要过程如下：
　　如图2.4所示：燃料流量或空气流量f通过节流元件孔板检测装置，进入流量变送器。将流量转换到标准电流信号4 20mA，经过安全栅的安全过滤、信号隔离后，传入模数转换器，把模拟量信号转换为计算机识别的数字量信号，此时，系统CPU进行处理，再将信息送到数模转换器；然后通过手操器，再经过伺服放大器放大信号后送给调节阀。这样，就通过检测流量完成了系统闭环反馈控制。流量检测控制原理如图2.4：
　　图2.4 流量检测控制原理图
　　流量的检测控制对燃烧控制系统是非常重要的。通过设定每段的加热温度，使温度控制器的输出经过双交叉限幅器作为空气和燃料流量控制器的设定值，按照双交叉限幅控制理论进行燃料和空气流量的调节。在通常的燃烧控制系统中，采用串级并列调节系统。温度调节器的输出直接作为燃料流量调节控制器的给定，然后燃料流量设定值乘以空燃比作为空气流量调节控制器的给定。在稳态时，空气流量可按一定的空燃比跟随燃料量变动；但在动态时，如升温、降温等变化时，这种常规系统就无法保证空气量的精确变化。然而，采用双交叉限幅控制方式就能保证无论是在动态还是稳态时都能满足一定的空燃配比精度，使系统无论在稳态还是在动态时，都可获得较好的空燃比性能。同时由于没有过氧和缺氧燃烧从而起到节能降耗的效果。
　　另外空气流量由于热效率的原因要进行预热成热风,而当热风实际温度压力与设计温度压力不一致时,要进行热风流量的温度压力补正:
　　变量意义:K―系数、―设定压力、―设定温度、P―实际压力、T―实际温度
　　—补前流量