步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計

解韶峰　崔桂梅　李愛蓮

【摘 要】本文針對包鋼無縫廠￠180機組步進式加熱爐進行自動控制改造。步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)包括物料傳輸控制系統(tǒng)和加熱工藝過程控制系統(tǒng)兩部分，前者以開關(guān)量為主，多屬于電氣控制；后者以模擬量為主，屬于過程控制。論文構(gòu)建了基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案，并進行了具體的軟硬件設(shè)計工作，對爐膛溫度采取了模糊串級雙交叉控制策略，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，且電氣和過程控制共用一套PLC，大大節(jié)約了硬件建設(shè)的成本。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場總線；PLC；過程控制；模糊串級雙交叉

【Abstract】The thesis discusses automatic controls reform in allusion to the walking beam furnace in plant unit ￠180 of Baotou steel seamless factory.walking beam furnace Automatic Control System includes two parts of material transmission control system and the heating process control system.The former gives priority to switching value，and most of it belongs to electrical control.The latter gives priority to analog quantity，belongs to process control.Paper structures networked system solutions based on profibus，and has carried on specific work on soft-hardware design.takes the way of fuzzy series double-crossing control about FBT（furnace box temperature）.The system stability and anti-jamming capability enhanced largely.Besides the electrical control and process control share one set of PLC，so that the cost of hardware construction was saved greatly.

【Key words】ProfiBus；PLC；Process control；Fuzzy series double-crossing

0 引言

鋼坯在軋制以前都要進行熱處理，保證軋制的溫度，細化鋼坯內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)。步進式加熱爐就是滿足軋制工藝的熱處理設(shè)備。課題來源于包鋼無縫鋼管廠步進式加熱爐工程項目。包鋼無縫廠為適應(yīng)鋼管市場需求的多樣性、復(fù)雜性，對￠180機組中步進式加熱爐及再加熱與熱處理爐控制環(huán)節(jié)進行全面的改造，以提升步進式加熱爐及再加熱與熱處理工藝的科學(xué)性與合理性。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

整個控制系統(tǒng)由電氣控制和過程控制兩大部分組成。電氣控制的最終目的是保證荒管在加熱爐內(nèi)順利的傳輸，維持荒管對軋機的供應(yīng)量。這需要各種電氣設(shè)備密切配合，嚴格按照時序動作，包括輥道控制、爐門控制、步進梁控制、翻鋼機控制等，以開關(guān)量為主體；步進式加熱爐的過程控制系統(tǒng)完成控制然氣和空氣的流量來調(diào)節(jié)燃燒過程，保證爐溫穩(wěn)定在設(shè)定值，波動不超過允許的偏差，從而確保荒管能被均勻地加熱到符合工藝要求的溫度。通常的溫控系統(tǒng)是利用實際測量值與預(yù)設(shè)值的偏差量來調(diào)節(jié)燃氣管道及空氣管道的流量控制閥門，以實現(xiàn)爐膛溫度恒定。對大型加熱爐，其爐長方向可設(shè)置多個溫度可控段，大致為預(yù)熱段、加熱段、均熱段，鋼坯在向前步進的過程中，要求其加熱過程要接近于該鋼坯的理想加熱曲線，根據(jù)理想加熱曲線來確定加熱爐各段的設(shè)定溫度。

本加熱爐的燃燒介質(zhì)為煤氣和空氣，燃燒控制的目的就是通過控制煤氣與空氣的流量及其配比來控制爐膛的溫度，從而控制荒管的出爐溫度。加熱爐分為左部和右部兩個加熱段，煤氣和助燃空氣通過各自的總管被送到左部及右部加熱段的管道中，經(jīng)過燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)后再送往燒嘴燃燒，從而加熱爐膛及荒管。過程產(chǎn)生的廢氣通過煙道、煙囪排入大氣。在通過煙道時，經(jīng)換熱器把熱量傳給助燃空氣，回收部分余熱。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體方案

步進式加熱爐自動化控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個控制網(wǎng)絡(luò)分為三層：1層為傳感器（變送器）與執(zhí)行機構(gòu)組成的基礎(chǔ)自動化層；第2層為由Profibus連接起來的各遠程站I/O模塊，接收傳感器送來的信號或者向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令；第3層為上位機以及其它設(shè)備組成的操作員站、工程師站，可以向PLC發(fā)出控制指令及設(shè)定參數(shù)等，它使用MPI總線與PLC通訊，同時它還可為以后的車間級管理及公司級管理層提供接口。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的特點是電氣和過程控制共用一套PLC。對變量進行統(tǒng)計結(jié)果為：開關(guān)量輸出103點，開關(guān)量輸入140點，模擬量輸入26點，模擬量輸出10點。組建系統(tǒng)時，對輸入輸出點留有一定備用，最終選用了SM321開關(guān)量輸入模塊5塊，共計160點；SM322開關(guān)量輸出模塊4塊，共計128點；SM331模擬量輸入模塊3塊，SM332模擬量輸出模塊1塊，SM334模擬量輸入輸出模塊（4輸入2輸出）1塊，所以模擬量輸入共計28點，模擬量輸出10點。由于步進爐的各種被控設(shè)備比較分散，但是在液壓站、爐體本身、操作室、電氣室四個控制區(qū)域內(nèi)又相對集中，因此硬件系統(tǒng)采用了遠程站接收輸入和發(fā)送控制指令的方式，而遠程站與PLC的CPU則通過總線通訊方式交換數(shù)據(jù)，這種結(jié)構(gòu)大大節(jié)約了硬件建設(shè)的成本。

通過對現(xiàn)場情況及I/O點的統(tǒng)計結(jié)果進行分析，采用s7-300中型PLC即可完成任務(wù)。CPU的型號選為315-2DP，其自身帶有Profibus和MPI兩種類型的總線通訊接口，在組建控制網(wǎng)絡(luò)時不需要再插入專門的通訊模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件裝配好后，就可以在Step7中對組成系統(tǒng)的硬件進行配置，定義輸入輸出I/O的地址，完成后就可以對這些地址進行邏輯編程，按工藝的要求編制控制任務(wù)，下載到CPU中，指揮生產(chǎn)機械動作。系統(tǒng)硬件組態(tài)[2]如圖2所示。

3 系統(tǒng)控制策略

步進式加熱爐過程控制的任務(wù)是在維持爐膛溫度穩(wěn)定在設(shè)定值基礎(chǔ)上保證燃燒過程的經(jīng)濟性、環(huán)保性，操作的安全性等。

3.1 爐膛溫度控制

爐膛溫度是指爐內(nèi)加熱空間的溫度，同時也代表了爐內(nèi)煙氣的溫度，是操作加熱爐的一項關(guān)鍵性指標。根據(jù)實驗和經(jīng)驗可知這一環(huán)節(jié)為純滯后對象，加熱爐是又個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，耦合干擾因素也較多，為了提高控制品質(zhì)，設(shè)計中采用了模糊雙交叉限幅燃燒控制的方法[3-4]，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。溫度控制環(huán)為主環(huán)，是一個定值系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的粗調(diào)，采用模糊自適應(yīng)PID控制，而雙交叉限幅系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，跟隨溫度控制器的輸出，起微調(diào)作用，現(xiàn)場實際運行效果如圖4，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。

3.2 壓力控制

壓力控制分為燃氣壓力、助燃空氣壓力及爐膛壓力3個子系統(tǒng)。由于氣源壓力穩(wěn)定有利于穩(wěn)定燃燒過程，不會造成溫度的波動，因此燃氣和助燃空氣壓力控制的任務(wù)就是在供氣氣源上游壓力發(fā)生變化時，能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使氣體壓力回到設(shè)定值，設(shè)計中采用了PID控制方式；爐膛壓力控制是使爐內(nèi)保持微正壓環(huán)境，防止開啟爐門時冷風灌入爐內(nèi)或者向爐外噴火。為了消除生產(chǎn)率、爐溫、燃燒、煙氣含氧量等對爐膛壓力的干擾，爐膛壓力除了采取常規(guī)PID單環(huán)控制外，還對開關(guān)爐門這種可預(yù)見的干擾采取了附加自學(xué)習算法的方法來抑制。

4 結(jié)論

設(shè)計針對包鋼無縫廠￠180機組步進式加熱爐進行自動控制改造，構(gòu)建了基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案，并進行了具體的軟硬件設(shè)計工作，對爐膛溫度采取了模糊串級雙交叉控制策略，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，且電氣和過程控制共用一套PLC，大大節(jié)約了硬件建設(shè)的成本，有效提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

【參考文獻】

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

[2]劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004，3：56.

[3]張志強.蓄熱式連續(xù)加熱爐燃燒控制技術(shù)的應(yīng)用[J].冶金自動化，2009，5.

[4]于親波.基于智能優(yōu)化的模糊PID控制算法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2004：1-2.

[責任編輯：湯靜]

通過對現(xiàn)場情況及I/O點的統(tǒng)計結(jié)果進行分析，采用s7-300中型PLC即可完成任務(wù)。CPU的型號選為315-2DP，其自身帶有Profibus和MPI兩種類型的總線通訊接口，在組建控制網(wǎng)絡(luò)時不需要再插入專門的通訊模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件裝配好后，就可以在Step7中對組成系統(tǒng)的硬件進行配置，定義輸入輸出I/O的地址，完成后就可以對這些地址進行邏輯編程，按工藝的要求編制控制任務(wù)，下載到CPU中，指揮生產(chǎn)機械動作。系統(tǒng)硬件組態(tài)[2]如圖2所示。

3 系統(tǒng)控制策略

步進式加熱爐過程控制的任務(wù)是在維持爐膛溫度穩(wěn)定在設(shè)定值基礎(chǔ)上保證燃燒過程的經(jīng)濟性、環(huán)保性，操作的安全性等。

3.1 爐膛溫度控制

爐膛溫度是指爐內(nèi)加熱空間的溫度，同時也代表了爐內(nèi)煙氣的溫度，是操作加熱爐的一項關(guān)鍵性指標。根據(jù)實驗和經(jīng)驗可知這一環(huán)節(jié)為純滯后對象，加熱爐是又個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，耦合干擾因素也較多，為了提高控制品質(zhì)，設(shè)計中采用了模糊雙交叉限幅燃燒控制的方法[3-4]，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。溫度控制環(huán)為主環(huán)，是一個定值系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的粗調(diào)，采用模糊自適應(yīng)PID控制，而雙交叉限幅系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，跟隨溫度控制器的輸出，起微調(diào)作用，現(xiàn)場實際運行效果如圖4，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。

3.2 壓力控制

壓力控制分為燃氣壓力、助燃空氣壓力及爐膛壓力3個子系統(tǒng)。由于氣源壓力穩(wěn)定有利于穩(wěn)定燃燒過程，不會造成溫度的波動，因此燃氣和助燃空氣壓力控制的任務(wù)就是在供氣氣源上游壓力發(fā)生變化時，能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使氣體壓力回到設(shè)定值，設(shè)計中采用了PID控制方式；爐膛壓力控制是使爐內(nèi)保持微正壓環(huán)境，防止開啟爐門時冷風灌入爐內(nèi)或者向爐外噴火。為了消除生產(chǎn)率、爐溫、燃燒、煙氣含氧量等對爐膛壓力的干擾，爐膛壓力除了采取常規(guī)PID單環(huán)控制外，還對開關(guān)爐門這種可預(yù)見的干擾采取了附加自學(xué)習算法的方法來抑制。

4 結(jié)論

設(shè)計針對包鋼無縫廠￠180機組步進式加熱爐進行自動控制改造，構(gòu)建了基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案，并進行了具體的軟硬件設(shè)計工作，對爐膛溫度采取了模糊串級雙交叉控制策略，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，且電氣和過程控制共用一套PLC，大大節(jié)約了硬件建設(shè)的成本，有效提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

【參考文獻】

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[2]劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004，3：56.

[3]張志強.蓄熱式連續(xù)加熱爐燃燒控制技術(shù)的應(yīng)用[J].冶金自動化，2009，5.

[4]于親波.基于智能優(yōu)化的模糊PID控制算法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2004：1-2.

[責任編輯：湯靜]

通過對現(xiàn)場情況及I/O點的統(tǒng)計結(jié)果進行分析，采用s7-300中型PLC即可完成任務(wù)。CPU的型號選為315-2DP，其自身帶有Profibus和MPI兩種類型的總線通訊接口，在組建控制網(wǎng)絡(luò)時不需要再插入專門的通訊模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件裝配好后，就可以在Step7中對組成系統(tǒng)的硬件進行配置，定義輸入輸出I/O的地址，完成后就可以對這些地址進行邏輯編程，按工藝的要求編制控制任務(wù)，下載到CPU中，指揮生產(chǎn)機械動作。系統(tǒng)硬件組態(tài)[2]如圖2所示。

3 系統(tǒng)控制策略

步進式加熱爐過程控制的任務(wù)是在維持爐膛溫度穩(wěn)定在設(shè)定值基礎(chǔ)上保證燃燒過程的經(jīng)濟性、環(huán)保性，操作的安全性等。

3.1 爐膛溫度控制

爐膛溫度是指爐內(nèi)加熱空間的溫度，同時也代表了爐內(nèi)煙氣的溫度，是操作加熱爐的一項關(guān)鍵性指標。根據(jù)實驗和經(jīng)驗可知這一環(huán)節(jié)為純滯后對象，加熱爐是又個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，耦合干擾因素也較多，為了提高控制品質(zhì)，設(shè)計中采用了模糊雙交叉限幅燃燒控制的方法[3-4]，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。溫度控制環(huán)為主環(huán)，是一個定值系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的粗調(diào)，采用模糊自適應(yīng)PID控制，而雙交叉限幅系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，跟隨溫度控制器的輸出，起微調(diào)作用，現(xiàn)場實際運行效果如圖4，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。

3.2 壓力控制

壓力控制分為燃氣壓力、助燃空氣壓力及爐膛壓力3個子系統(tǒng)。由于氣源壓力穩(wěn)定有利于穩(wěn)定燃燒過程，不會造成溫度的波動，因此燃氣和助燃空氣壓力控制的任務(wù)就是在供氣氣源上游壓力發(fā)生變化時，能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使氣體壓力回到設(shè)定值，設(shè)計中采用了PID控制方式；爐膛壓力控制是使爐內(nèi)保持微正壓環(huán)境，防止開啟爐門時冷風灌入爐內(nèi)或者向爐外噴火。為了消除生產(chǎn)率、爐溫、燃燒、煙氣含氧量等對爐膛壓力的干擾，爐膛壓力除了采取常規(guī)PID單環(huán)控制外，還對開關(guān)爐門這種可預(yù)見的干擾采取了附加自學(xué)習算法的方法來抑制。

4 結(jié)論

設(shè)計針對包鋼無縫廠￠180機組步進式加熱爐進行自動控制改造，構(gòu)建了基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案，并進行了具體的軟硬件設(shè)計工作，對爐膛溫度采取了模糊串級雙交叉控制策略，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，且電氣和過程控制共用一套PLC，大大節(jié)約了硬件建設(shè)的成本，有效提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

【參考文獻】

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[2]劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004，3：56.

[3]張志強.蓄熱式連續(xù)加熱爐燃燒控制技術(shù)的應(yīng)用[J].冶金自動化，2009，5.

[4]于親波.基于智能優(yōu)化的模糊PID控制算法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2004：1-2.

[責任編輯：湯靜]