西門子PLC在加熱爐燃燒控制系統中的應用

【摘 要】本文主要介紹了西門子S7-400系列PLC在加熱爐燃燒控制中的應用，采用了爐壓前饋控制、帶動態響應的雙交叉限幅控制等新的控制方式，提高了系統的調節響應速度，加熱爐溫升快，溫度控制穩定，減少了氧化燒損，降低了燃料消耗，提高了加熱爐的燃燒控制水平。

【關鍵詞】前饋控制；雙交叉限幅控制；程序升溫

０．引言

萊鋼型鋼廠中型線加熱爐為換熱式步進梁式加熱爐，加熱爐的設計生產能力為140t/h。加熱爐爐溫控制為6段式，配備2臺助燃風機（1用1備）和2臺稀釋風機，空氣經過換熱器換熱后溫度在650度左右，煤氣經過換熱器后溫度在300度左右，入爐煤氣采用高焦混合煤氣，煤氣熱值在1800kcal/Nm3左右。由于原來系統配置低，系統調節響應速度慢，在加熱爐生產節奏加快的情況下，自動條件下的燃燒控制水平差，溫升時間長，氧化燒損加重，因此采用西門子S7-400 PLC進行了控制系統的改造，提高調節響應速度，滿足快節奏生產要求。

1.系統硬件及網絡配置

1.1 控制站的設計

根據系統的特點并考慮到控制系統硬件、軟件發展趨勢及今后備件情況和系統升級情況，努力做到先進、可靠、簡潔、合理。系統最終選用西門子公司的高性能的S7-400 PLC，采用ET200系列模板進行現場信號的采集和控制，達到最佳的性價比。

1.2操作站的設計

采用研華工控機和WINDOWS 2000操作系統，監控軟件使用WINCC開發，保持畫面原有風貌，既能適應工業現場需要，又方便可靠的完成監視、操作、報警等功能，操作站網卡選用西門子的CP1613，提高通訊速度和可靠性。

1.3 控制網絡的設計

圖1 控制系統網絡圖 network configuration of control system

充分利用現代工業控制網絡的優越性，通過搭建光纖通訊網絡，將現場操作臺和值班室緊密聯系在一起，利用系統聯網優勢，除了在操作臺上增加了一臺操作站外，還在主控室中增加了工程師站，直接對現場設備進行監控，出現問題也可以在短時間內查找故障原因并及時處理，同時也方便了對控制程序和監控畫面進行完善，保證了系統的穩定運行。另外，利用 WINCC軟件提供的OPC SERVER采集器，借助GE公司的INFOAGENT和IHISTORIAN軟件，將現場的一切信息接入到骨干網中，實現了現場動態的遠程監控，為今后的維護提供了極大的便利。網絡結構如下圖1所示。

2.系統主要控制功能

加熱爐是具有強耦合、純滯后、大慣性及慢時變等特點的非線性系統[1]，達到理想的自動化控制水平是非常難的，現在的控制上多依靠數學模型、二級控制[2]、模糊控制[3]等手段來進行溫度的控制，取得了一定的效果。中型加熱爐控制系統的燃燒控制部分由于原來的系統配置低，沒有采用上述的手段來進行溫度的控制，僅是依靠DCS系統本身來進行調節，采用西門子控制系統后，可以通過控制程序的合理設計及控制系統的響應速度來實現爐內各加熱區域溫度的閉環控制，提高爐內燃料空氣流量串級調節和爐內燃氣壓力控制等的控制水平。

2.1爐壓前饋控制

由于檢測爐膛壓力的變送器在加熱爐的5區，而煙道閘板離變送器有45米多，當檢測到爐壓變化后再來進行調整時，由于調節有一定的時間，這是爐壓有可能又產生變化，使得控制比較滯后，爐壓波動較大，采用爐壓前饋控制方法，可以避免因爐內熱負荷的變化、爐門的開關而使爐壓產生滯后的波動，把空氣流量等作為參數來計算前饋修正系數，使爐壓控制沒有滯后。爐壓的穩定能夠減少因爐壓波動產生吸冷風或冒火的現象發生，起到降低氧化燒損和節約煤氣的目的。

2.2爐溫控制

加熱爐共分為上下預熱、上下加熱、上下均熱6個加熱區。其爐溫控制采用帶動態響應的雙交叉限幅燃燒控制及程序升溫控制。通過設定每個加熱區的溫度由溫度控制器的輸出經過比例系數控制器作為空氣和煤氣流量控制器的設定值，按照雙交叉限幅控制理論進行煤氣和空氣的流量的調節，不論溫度調節多么頻繁，它總能保持空燃比在任何一種氣體流量由于熱負荷的快速變化而改變的情況下穩定在適當的范圍內，保證其完全燃燒。

雙交叉限幅控制具有保持空燃比在適合范圍內功能，而煤氣和空氣流量設定值與加熱爐溫度控制器進行控制的煤氣和空氣流量的經過高低限幅的實際值有關。當進行爐溫調節時，爐溫控制器根據溫度設定值和爐膛溫度的測量值進行PID運算，輸出的數值作為空氣與煤氣流量控制器的參考值。

煤氣流量控制：爐溫控制器輸出的數值首先與空氣流量測量值的一個系數（1-K3）/（β*μ）之積進行高選，所得出結果再與空氣流量測量值的另一個系數（1+K1）/（β*μ）之積進行低選，最后的結果作為煤氣流量控制器的設定值進行PID控制。

空氣流量控制：爐溫控制器的輸出首先與煤氣流量測量值和系數（1+K4）之積進行低選，所得出結果再與煤氣流量測量值的另一個系數（1-K2）之積進行高選，然后乘以（β*μ），最后的結果作為空氣流量控制器的設定值進行PID控制。

從原理圖2中可看出，加熱爐上料或生產節奏加快會引起加熱爐溫度的降低，而加熱爐溫度的降低會導致爐溫控制器輸出增大，但此時的空氣與煤氣流量的實際值并沒有發生變化，則爐溫控制器輸出值與之比較的高選值和低選值也就不會變化，即便爐溫控制器輸出值變化很大，由于流量的實際值是穩定的，因此最終比較出來的設定值也變化不大，同時利用煤氣流量限制空氣流量設定值的變化和利用空氣流量限制煤氣流量設定值的變化，防止單一流量波動太大，引起空燃比錯誤，影響系統的穩定，增加信號的高選與低選就保證了加熱爐溫度變化時，流量調節器的設定值不會大范圍變化，從而系統穩定調節。

2.3程序升溫

在爐溫控制系統里，考慮到控制功能的連續性，由于烘爐時溫度較低，升溫時間短，常規的溫度控制不穩定，反應慢，在該項目里增加了程序升溫功能，通過設定升溫的方式、升溫的溫度、升溫的時間來進行程序升溫控制，通過程序來自動調節各區域的煤氣流量，通過溫度檢測來進行調整。控制功能如圖3所示，其中，TIC:爐溫控制器，GFIC: 煤氣流量控制器，AFIC:空氣流量控制器。

2.4其它控制及安全連鎖

2.4.1區域空氣及煤氣流量控制

燃燒控制是建立在煤氣和空氣的流量控制上的，兩個流量控制是靠從區域溫度控制的輸出來執行的。煤氣和空氣的流速是通過雙交叉限幅燃燒模式來維持空氣/煤氣比例值在一個特定的范圍，即使在瞬時條件下。燃燒空氣流速通過孔板來測量，通過不同的壓力傳感器，并且通過煤氣主管道的溫度和壓力來補償?？諝?煤氣比例自動的通過基于燒嘴特性、燃燒負載和煤氣熱值的空氣/煤氣比例曲線來補償。

2.4.2換熱器溫度控制

為了防止空氣換熱器溫度超過設定水平，當檢測到溫度超限時，控制器通過一個控制信號控制安裝在稀釋風機入口的兩個控制閥的位置進行摻冷風降溫。當換熱器下游廢氣溫度低于設定值600攝氏度時，空氣走旁通。煤氣換熱器下游的廢氣溫度保持在一個最小溫度300之上，用于保護兩個換熱器，防止在一個較低的溫度下產生酸蝕，通過控制換熱器的燃燒空氣旁通流速來調節。為保持換熱器溫度保持在一個安全的水平并防止超過燃燒空氣溫度，通過放掉一部分熱風到大氣中來使通過換熱器的空氣流量減少。

2.4.3燃燒安全和切斷控制

由于加熱爐使用的氣體為混合煤氣，為保證安全，在煤氣、空氣或壓縮空氣壓力低時煤氣可快速切斷，以防止回火引起爆炸。當冷卻水壓力低時，為保護步進梁，煤氣也能緊急切斷。煤氣切斷后自動進行氮氣吹掃。在實際操作中，當出現下列情況之一時，為了保證人員和設備的安全，燃燒控制自動切斷或者自動鎖定或繼續。另外，一個在操作臺上會啟動語音報警及聲光報警。

切斷條件：

（1）系統跳電。

（2）動力氣源壓力低。

（3）燃燒空氣壓力低。

（4）煤氣壓力低。

（5）冷卻水壓力低。

（6）操作急停。

其他報警信號:

如果在操作中出現以下報警信號，以下的控制如燃燒控制、N2壓力控制、爐壓控制、換熱器入口廢氣溫度控制將繼續，報警只在CRT上顯示。

（1）N2壓力低。

（2）燃燒空氣溫度高。

（3）空氣換熱器上游溫度高。

（4）冷卻水溫度高。

（5）爐內溫度高。

（6）煤氣換熱器下游的燃燒空氣溫度高。

3.結束語

通過對爐溫的多種控制方式的應用，提高了系統的響應速度，使爐內溫度控制均勻，鋼坯保溫時間縮短，使氧化燒損由原來的1%降低到0.8%，在一定程度上提高了軋前水除鱗效果，避免了軋件的打滑現象，減少了廢鋼的幾率，保證了生產的順行，提高了產品成材率和型鋼生產產量。 [科]

【參考文獻】

［１］曹世海.加熱爐燃燒控制系統的幾項改進措施[J].冶金自動化，2002，(4):48-50.

［２］張晶濤，錢曉龍，王偉，張莉，柴天佑.步進式加熱爐燃燒控制的新方法[J].控制與決策，2001.5，16(3).

［３］張元福.加熱爐空/燃比自尋優模糊控制器研究[J].山東冶金，2000，(5).