天然氣熱浸鍍鋅窯爐自動控制系統研究

王樹強，劉希敏，高志剛

（1. 沈陽化工大學，沈陽 110142；2. 沈陽工業大學，沈陽 1108703；3. 山東廣鑫交通設施有限公司，德州 253511 )

0 引言

熱浸鍍鋅工藝主要用于汽車行業及日常民用的鍍鋅鋼板、鋼管及鋼絲等連續熱浸鍍鋅產品，以及許多成品工件，如電力和通信鐵塔、高速公路護欄、鐵路和公路上的鋼結構等。該工藝可以將鋼材完全覆蓋保護，包括工件的凸凹不平處和死角處，并且具有犧牲陽極功能，有效的抑制了腐蝕。我國批量熱鍍鋅技術比較落后[1]，目前熱浸鍍鋅技術正在進入低能耗、低污染、高質量和自動化時代。

熱浸鍍鋅一般包括：脫脂、酸洗、溶劑助鍍、烘干、熱浸鍍、水冷和鈍化等工藝過程，其中熱浸鍍工藝環節是最關鍵的。

1 天然氣窯爐的燃燒系統

鍍鋅爐的加熱方式有多種[2]。電加熱不產生污染，但是對于大型的窯爐不適用，耗能高，維護維修成本高。油加熱及煤氣（一般由煤氣發生爐產生）加熱要產生部分尾氣，采用此種加熱方法需建很高的排污煙筒。粉塵污染及煙塵污染嚴重，控制相對較難。天然氣是潔凈能源，燃燒過程易控制。本系統加熱方式采用天然氣高速燒嘴對流加熱，在窯爐的對角線位置設置高速燒嘴，最高火焰速度可達 。整個爐膛內溫度會迅速升高，并且由于高速高溫煙氣形成的對流熱風對整個鋅鍋的加熱均勻分布，防止了鋅鍋局部高溫，提高了鋅鍋的使用壽命。

天然氣由管網經過調壓站調壓后進入該系統管路，如圖1所示。總燃氣管路上設有手動閥、過濾器和調壓閥。緊急切斷閥1用于緊急切斷總燃氣源，閥2用于燃氣放空控制。燃氣支管路上的緊急切斷閥3用于測漏控制和緊急切斷燃氣支路。每條支路上都設有空然比例控制器，用于控制空燃比，使燃氣達到最佳燃燒狀態。

圖1 管路系統簡圖

2 控制方案及硬件配置

采用多級計算機、網絡分布式控制結構，L2級控制采用一臺工業控制計算機IPC作過程控制級兼作監控站(人機界面)，控制計算機配有Ethernet網絡接口，可與工廠級計算機進行通訊，L1級采用PLC通過多條專用PROFIBUS網絡連接至L0級以實現機組的遠程離散控制功能。由各相關傳感器、控制器模塊、電氣元件、控制總線等構成執行機構和數據采集系統。

人機界面HMI采用西門子WinCC開發，在WinCC6. 0中配置通信驅動程序屬性，建立變量連接。該程序主要實現參數顯示、按鈕操作、圖線統計、數據報表等功能。IPC負責完成參數修改與設定、控制方式(手動/半自動/全自動)選擇，在線監視、安全報警、數據存儲與查詢等功能。下位機采用西門了S7- 300系列PLC，其具有模塊點數密度高、結構緊揍、性價比高、性能優越、裝拆方便等特點。PLC負責完成硬件開關量I/ 0的控制和模擬信號的采集與調節，并通過Profibus總線進行全局數據通信。上位機和PLC之問通過CP5611數據網卡進行通信，數據傳輸速率為[5]。WinCC通過MPI協議與主站PLC通訊，在PLC側不需組態和編程，在WinCC上要對CPU的站地址、槽號和網卡組態。另外，需添加SIMATIC S7PROTOCOL SUITE。

某車間從站PLC的硬件配置如表1所示。其中燃燒控制系統主要技術工藝路線框圖如圖2所示。

表1 PLC主要硬件配置表

圖2 燃燒系統控制結構框圖

3 控制程序設計

根據生產工藝控制要求，設計控制程序流程如圖3所示，PLC程序采用西門子軟件Step7編寫。

3.1 安全燃燒控制

為了實現燃燒系統的安全采取了以下措施：

1）互鎖功能。當排煙風機未啟動時，燃氣主管道閥門打不開；助燃風機未啟動時，燃氣主管道閥門也打不開。

2）當存在下述不安全因素時，聲光報警并自動關斷燃氣主管道閥門，切斷燃氣源，以確保安全。

（1）燃氣的壓力過低或過高。

（2）助燃空氣的壓力過低或過高。

（3）排氣壓力過高或壓力過低。

（4）預熱帶燒嘴火焰熄滅(關斷燒嘴前燃氣支管道上的電磁閥)。

（5）燃氣器故障。

3）燃氣管路測漏

由于燃氣管路線路長，分支多，接口多，并且鍍鋅爐位于地面之下，在相對封閉的空間內燃氣一旦泄露就會有爆炸的危險。所以在每次點火之前必須確定燃氣管路沒有泄露點，并且緊急切斷閥密封性能良好。在總管路前端設有切斷閥1（如圖1所示），每個燃氣支路的燒嘴前設有切斷閥3，在閥1和閥3之間設有放空管路，并安裝有切斷閥2. 本文設計的測漏程序原理是，首先打開切斷閥1，關閉切斷閥2和3，幾秒鐘后關閉切斷閥1.此時測量燃氣主管路和支管路的壓力，若壓力為燃氣壓力則切斷閥2和3及管路沒有泄露，若低于燃氣壓力則有泄露點；然后關閉切斷閥1，打開放空管路上的切斷閥2，幾秒鐘后關閉，此時測量燃氣主管路和支管路的壓力，若為大氣壓力則切斷閥1沒有泄露，若大于大氣壓則切斷閥1泄露。經過以上兩個步驟測漏通過后，程序才允許燃燒器點火。

3.2 溫度控制

鋅浴的溫度對生產影響很大[2~4]。熱浸鍍鋅溫度和室溫下可能含四種鐵鋅化合物(實際構件的熱浸鍍鋅層中可能只含有其中的兒種。因其晶粒大小相差甚遠，其成分不同對于表面質量影響較大。溫度在480-500oC時，鐵損急劇增加到4倍以上。在較短時問內，溫度對鐵損加劇作用不象長時問的影響那樣大，所以對鋅耗的影響不大。但是鍍鋅鍋的鍋壁鋼板腐蝕得特別快，鍍鋅鍋的滲漏機會相應地增加了。鍍鋅溫度稍高，如在最高溶解速度范圍內時，也有一定的好處，即隨著溶解速度的增加，鋼材在鋅液中生成的鐵-鋅合金層就快，因此，產量就高，能源及各種消耗指標可大幅度地下降，這是在多年的生產實際中所證明了的。溫度還影響鋅渣的產出率以及由于鋅渣形態、活動性等引起的鍍件粘渣和鉛污染之類的問題。

溫度控制采用閉環控制，將鋅浴溫度傳感器的信號和工藝設定溫度比較，其差值輸入PID控制器，通過調節燃氣管路上的比例閥來調節燒嘴的燃燒功率。PID的初始化可以通過在OB100中調用一次，將參數COM-RST置位，當然也可在別的地方初始化它，關鍵的是要控制COM-RST.比例閥的PID調節了程序在定時循環中斷程序模塊OB35中調用，OB35的定時周期即PID的采樣周期，通過西門了STEP7的集成模塊FB41實現。FB41的框圖如圖4所示，其中，負反饋誤差由浮點格式設定值SP_INT(工藝溫度設定值)減去轉換為浮點格式的過程變量PV(鋅浴溫度平均值)得到。為了抑制因PID控制器輸出量的量化造成的連續、較小的振蕩，PID控制器設計了死區。通過多次試驗和參數整定，達到了穩定控制的目的。PID控制器1的主要參數：采樣周期Ts=0.05τ取20s，τ為被控對象的純滯后時間；比例系數K=1.15T1/τ，T1為被控對象階躍響應曲線的上升時問常數；積分時問常數T1=2τ；微分時間常數TD=0.45τ；死區DEADB_W=10；微分操作延遲TM_LAG=0.09τ。

圖3 主程序流程圖

圖4 FB41 PID控制器框圖

3.3 其他程序

鍍鋅窯爐燃燒室內的壓力為微正壓或微負壓。壓力過大會損壞耐火磚砌成的窯壁或造成鋅鍋的變形，壓力過小就會損失熱量，熱風沒有充分利用就被引風機吸入煙道，這樣會增加燃氣成本。本文采用變頻調速來控制引風機轉速從而控制燃燒室內的壓力。另外程序還實現了酸洗槽，鈍化槽內液體的成分檢測和液位檢測控制和余熱回收利用的自動控制。

4 結束語

本文設計了新型的天然氣鍍鋅窯爐的網絡監控系統，研究了自動控制系統的實現方法，采用西門子S7-300PLC和工控機實現了鍍鋅生產線的自動控制。系統已安全運行一年，實現了節能減排的環保效益，提高了產品質量和生產效率，溫度控制在設定溫度的±2oC，實現了預期的效果。

[1] 盧錦堂,許喬瑜,孔綱.熱浸鍍技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2] 黃家平.熱浸鍍鋅溫度控制的研究[J].長春大學學報,1999(1):16-19.

[3] X.Vanden Eynde,J.P.Servais,m.Lamberigts,Surface oxide maturation and self-reduction:a new process to ensure TRIP steel hot dip galvaznzing,Galvatech'04 conferences proceedings,361-372

[4] J.Mahieu,S.Claessens,B.C.De Cooman,F.Goodwin, Surface and sub-surface characterization of Si-,Al- and P-alloyed TRIP-aided steel, Galvatech'04 conferences proceedings,529-538.

[5] 廖常初.大中型PLC應用教材[M].北京:機械工業出版社,2004.

[6] 邊軍,劉相華,王國棟.WinCC在熱浸鍍模擬試驗機中的應用[J].微計算機信息,2004(10):20-21.