霍尼韋爾ExperionPKS系統在熱軋蓄熱式加熱爐中的應用

摘 要：通過霍尼韋爾Experion PKS（Process Knowledge System）控制系統在熱軋蓄熱式加熱爐燃燒控制中的應用，介紹控制系統軟件和硬件設計方法和控制思想。介紹軟件組態設計方案及實施效果，發揮了DCS（distribute control system）控制系統的優點，使得加熱爐控制更加安全、高效。保證了爐區設備安全穩定運行，有效控制了板坯在加熱過程中氧化燒損和能耗，給企業帶來了可觀的經濟和技術效益。本文重點描述控制系統硬件配置、網絡構架、系統軟件和系統實際運行效果等。

關鍵詞：加熱爐；容錯以太網；硬件；軟件

首鋼京唐熱軋1580mm生產線的加熱爐是一座先進的蓄熱步進式加熱爐，爐子有效尺寸為44880mm×11800mm，爐子設計加熱能力為300t/h，設計最大加熱能力為380t/h。最大板坯重量為30t，采用梅花布料方式，采用混合煤氣做為燃料，熱值為8360±3%～4%kJ/m3，煤氣用量42000Nm3/h，最大為58560Nm3/h。控制系統采用霍尼韋爾Experion PKS控制系統，爐溫控制精度可達到正負5℃，控制系統提溫和降溫速率快，通過借助殘氧分析儀修正空燃比系數，實現了燃料和空氣優化配比控制，使燃料得到充分利用。

1 燃燒系統硬件配置

本燃燒控制系統采用霍尼韋爾公司的Experion PKS系統，采用霍尼韋爾的C200控制器，使用Control Builder和DisplayBuilder分別作為編程軟件和畫面編輯軟件，本系統主要由冗余服務器、客戶機、過程控制站和遠程IO站等組成。

1.1 服務器站

燃燒控制系統中配置了兩臺Dell 2950工控機作為系統冗余服務器，服務器平臺為Microsoft Windows Sever 2003 英文版和2臺CISCO交換機來實現容錯以太網FTE（Fault Tolerant Ethernet）通過系統軟件驅動及CISCO交換軟件實現工業生產的實時確定性控制，解決了工業以太網長時間困擾的實時數據沒有優先級選擇的問題，以多路由選擇邏輯單網的組網方式代替了雙網結構，實現了多路由選擇、最優路徑選擇和交換機快速切換。

工程師使用Control Builder軟件完成控制程序的編輯、組態和優化，同時可以采用Display Builder軟件完成HMI畫面的制作任務。服務器可以完成過程數據報表打印和對整個系統報警的監控等任務。在客戶機故障時可以臨時有服務器代替對設備的控制，即服務器兼備有客戶機的所有功能。兩臺服務器和兩臺交換機以及兩臺冗余控制器通過以太網連接組成容錯以太網，實現主服務器和備服務器、主控制器和備控制器之間的無擾動切換服務器、控制器和客戶機之間通過以太網來發送和接收數據和控制命令。

1.2 客戶端

客戶端是以Dell工控機和在Microsoft Windows XPProfessional SP2英文版系統平臺作為系統構架，由服務器統一進行配置，界面上配置有加熱爐總貌、各段燒嘴控制、系統報警、爐區冷卻水監控、爐溫棒狀狀、熱工統計數據以及過程歷史趨勢圖等人機界面，方便操作人員對控制設備參數進行設定和運行狀態以及故障報警信息監控。

1.3 過程控制站

過程控制站由C200控制器、FTE網卡、冗余模塊和Control Net網卡等元件組成。控制站通過Control Net網絡與遠程I/O通訊，實現控制站對過程數據采集和控制，通過FTE網絡將過程數據發送給服務器。控制站上配有兩套C200機架系統，通過冗余模塊和光纖將兩套設備建立物理連接，再經過服務器軟件配給將控制站配置為冗余控制，并且實現控制器無擾切換。

1.4 遠程IO站

遠程IO與控制器采用Control Net網絡，遠程IO站通過Control Net網絡完成向控制站傳送過程數據和執行控制站下達的命令。

2 燃燒控制

加熱爐燃燒系統的主要控制功能：爐溫與爐壓控制、燃氣壓力與流量和空氣壓力與流量控制、排煙系統控制和重要設備安全保護控制等。通過及時調節燃氣和空氣流量控制模型參數修正空燃比系數、煙風比系數、過剩系數、PID參數等數據，提高控制系統熱效率和減少氧化燒損。

2.1 溫度控制

溫度控制是控制系統核心，通過對加熱爐各段煤氣和空氣執行機構開度控制和配比參數設定，來滿足工藝控制要求的爐溫指標。控制系統通過8段爐溫、16個檢測點對爐溫進行監測和控制，通過對爐尾殘氧分析、煤氣熱值和空燃比系數調整對空、煤氣流量比例進行調節，實現精確爐溫控制。溫度控制是一種滯后控制，為了達到加熱爐快速升溫和降溫目的和克服雙交叉限幅控制升降溫較慢的缺點，在溫度控制控制回路中采用前饋控制。提高了燃料利用率和加熱質量。

2.2 爐膛壓力控制

通過對煙道閘板閥門開度控制調節煙囪的抽吸力，進而調節爐膛壓力。爐壓檢測點位于爐子出料側，出料爐門開關過程對爐壓檢測有干擾，為此在爐門動作過程中煙道閘板閥開度保持。

2.3 空、煤氣壓力控制

空、煤氣壓力控制精度直接影響爐溫控制質量。通過對爐子總管壓力調節閥的控制實現煤氣壓力控制；空氣壓力由助燃風機提供，通過對風機入口閥門開度調節實現空氣壓力調節。

2.4 排煙壓力控制

加熱爐燃燒系統配有兩套排煙風機，用于加熱大煙道的排煙能力，其排煙壓力控制是通過調節排煙風機入口執行機構開度來實現排煙壓力控制，并且與排煙總管道上的溫度檢測點來實現排煙閉環控制。

3 關鍵設備保護控制

加熱爐的爐溫比較高而使用的是易燃易爆的混合煤氣。必須要對關鍵設備采用安全控制措施。主要保護設備：煙道換熱器的保護、冷卻水管保護、自動停爐保護安全聯鎖控制保護等。

3.1 換熱器的保護

煙道廢氣溫度過高會燒壞換熱器。為此對換熱器前溫度進行監測，當溫度值達到報警值時啟動慘冷風機，根據溫度報警級別來調節慘冷風機百葉開度，降低煙氣溫度、保護換熱器。預熱空氣溫度過高時，控制系統會打開熱風放散閥，放散熱空氣。

3.2 冷卻水管保護

對爐子水冷隔墻回水、爐門回水、爐門柱回水、蛇形管回水等回水管上流量計數值進行監控，流量低時報警；并且監控回水溫度，溫度低時報警，達到冷卻水管保護的目的。

3.3 自動停爐聯鎖

自動停爐連鎖有：冷風、熱風壓力，冷媒、熱媒壓力，壓縮空氣壓力、凈環水供水壓力和汽化冷系統故障。當上述參數有故障時，自動切斷煤氣總管快切閥，并對煤氣總管和各段只管進行氮氣吹掃。

4 控制效果及分析

控制系統采用FTE網絡構架，實現在線無擾切換提高了系統穩定性；控制上采用先進控制算法實現燃料充分利用和爐溫控制工藝要求。控制系統通過對現場儀表數據的合理采集和利用，實現加熱爐安全和自動燃燒控制，提高了燃燒控制精度。采用本控制系統控提高了板坯加熱速率和加熱精度，板坯加熱偏差控制在正負5℃范圍內。板坯上下面溫差在10℃左右，料坯兩端溫差為 10-15℃，滿足工藝要求。

參考文獻

[1]章衛國，楊向忠.模糊控制理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，1999，1-248.

[2]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

3-67.

[3]朱佳娜，張加易.改進型雙交叉控制在熱處理爐中的應用[J].中國測試技術，2004，30（4）：43245.