環形加熱爐爐溫控制系統的研究與設計

宋玉潔 任彥

摘要：環形加熱爐作為軋鋼生產線的關鍵能耗設備，爐溫控制水平直接影響能耗、燒損率、廢鋼率、產量、質量等指標。其燃燒控制系統是通過控制煤氣和空氣的流動來調節燃燒過程，以確保爐內溫度穩定在設定值，并且波動不超過允許偏差，以確保管被均勻加熱到滿足要求的溫度。本設計是對環形加熱爐爐溫的控制，通過制采用串級雙交叉限幅控制方式實現。串級雙交叉限幅控制系統中，燃料、空氣流量值相互設定，從而保證了空燃比最優，達到了爐溫恒定的目的。在串級雙交叉限幅控制系統基礎上，加入PLC及PID控制算法，可基本實現對加熱爐爐溫的平穩控制，同時依靠組態界面實現對加熱爐實時監控。本設計采用串級雙交叉限幅控制系統實現對加熱爐爐溫的控制。在串級雙交叉限幅控制系統中，燃料、空氣流量值相互設定，從而保證了空燃比最優，添加模糊控制，提高溫控速度，達到了爐溫恒定的目的。

關鍵詞：環形加熱爐；PLC；模糊PID控制

1 環形加熱爐爐溫控制簡介

本文的主要研究對象是包鋼鋼管公司Φ460作業區環形加熱爐為研究對象，此環形加熱爐用于將連鑄鋼坯從室溫加熱到 1280°C，進行軋制無縫管。本環形爐主要是頂部加熱以及側加熱的方式，加熱區共分為六個。每個加熱區都是通過提供不同的燃料供應量，充分利用熱能使鋼坯加熱到工藝要求溫度。本系統是通過助燃空氣預熱器預熱助燃空氣并回收煙氣的熱量。

對于爐溫控制系統來說，控制的主要目的是讓爐溫在允許的范圍內波動，并達到充分燃燒。而本文采取的串級雙交叉限幅控制系統，利用的就是無論是在環形爐溫度上升或下降時，空氣流量可以隨時跟蹤煤氣流量值的增減的原理，煤氣流量也是同理，從而將空燃比控制在所設定值的誤差范圍內，同時空氣和煤氣流量并不能無限加入，需要受到過量燃料和空氣過剩界限的限制，使燃料和空氣都達到充分燃燒。如果爐內溫度低，管坯不能達到工藝要求的溫度，這將給下一道工序帶來困難，影響產品質量。如果爐內溫度高，則會浪費燃料，降低爐齡，增加燒損，甚至造成管坯燒毀和報廢。

本環形加熱爐爐溫控制系統中各部分的溫度分別控制，各部分的溫度設定由操作者在人機界面上輸入，溫度的設定值由PLC中自帶的標準溫度PID控制塊來輸出，該段實際溫度作為反饋值由K型熱電偶所采集到的，標準溫度PID控制塊輸出空氣和煤氣流量的初始值。輸出的限幅值經由雙交叉控制功能塊轉換而來，作為空氣與煤氣流量設定值。

2 串級雙交叉限幅控制系統

串級雙交叉限幅控制系統可視為一個雙閉環的串級控制系統，此系統的主回路是爐溫調節回路，而次級回路則由煤氣流量和空氣流量的調節回路所組成。在實際系統中，溫度會隨著燃料的消耗而不斷產生變化，這時系統的參數就會將反饋量與給定值進行比較，從而跟隨調整，此時所檢測到的空氣流量將會使煤氣產生一個上限值和下限值，這個值會根據實測值執行空氣流量的上限和下限。而當負荷出現增減變化時，燃料流量和空氣流量也會會根據變化進行調控，及時做到控制對方相應流量的增減。通過此種方式，使得系統即使在動態條件下，也能使空燃比得到最優控制。串級控制回路系統的優勢在于其二次回路的增加能夠快速克服擾動的影響，系統的動態性能性能因此被提高了。當有擾動出現時，次回路中的控制變量可以及時檢測擾動，并通過二次回路的固定值及時調整操縱變量，從而將受控變量返回到設定值。由煤氣流量和空氣流量調節與爐溫的調節共同構成的串級控制系統中，在兩個流量調節的回路中都各有一個高選擇器及低選擇器，以及許多個操作單元用以便用于交替控制對方的流量。

3 空燃比模糊控制

模糊PID控制器原理是找出偏差E和偏差率ΔE與PID的三個參數之間的模糊關系，然后利用模糊規則，在系統控制過程中不斷地對偏差進行實時檢測并求出偏差率，以此作為依據對三個參數進行及時校對。模糊控制就是通過這種方式來實現對不同控制要求的系統進行獨立控制，保證控制對象的動態和靜態性能良好。

在相同的空燃比下，燃氣熱值變化往往會對燃燒的效果有較大的影響。但是由于生產廠商的原因，工業氣體的熱值會實時發生變化。而對于爐溫控制系統來說，要保證燃料的充分燃燒，就要隨時根據檢測到的氣體熱值的變化及時將空氣和煤氣的流量比例進行調節。這就需要用到模糊PID控制方式了。首先將廠商提供的煤氣的熱值作為系統的輸入值，而經過了模糊控制器輸出就是我們所需要的空燃比了，在這種情況下的模糊控制系統即為單輸入單輸出系統。

作為模糊PID控制方法的第一步，我們先要設定一個論域。在此我們假設理想熱值與實際熱值之間的差值所在論語為，[3，7]一共為9檔。分檔后，一個對應的模糊子集便會形成。然后將這個子集里的變化量大致分成七個等級，每個等級就會對應一個所謂的模糊變量，而每個變量便會附上一個相應的隸屬函數或模糊子集，如{很小，小，較小，正常，較大，大，很大}等。模糊控制就是利用這個模糊子集來完成的。

作為模糊控制方式的第一步，選擇輸入論域尤為重要。在此我們假設理想熱值與實際熱值之間的差值所在論語為，[3，7]一共為9檔。就可得到一個模糊子集。再把這個子集里的變化量分成七個級別，每個級別擁有一個模糊變量，就會對應于一個隸屬函數或模糊子集，如{很小，小，較小，正常，較大，大，很大}。通過這個模糊子進行模糊控制。

4 結語

通過采用串級雙交叉限幅控制與模糊PID算法的結合，可基本實現對環形爐爐溫的優化控制，減少燒損，節約能源。

參考文獻：

[1]黃彰和.現代環形加熱爐的技術特點與節能措施天津冶金[J].1994（4）.

[2]陳永，張衛軍，陳海耿.爐子優化控制中真實目標函數的研究[J].節能，1997（6）.

[3]梁軍.自適應控制系統的魯棒性研究及應用，浙江大學博士論文[D].1993.

[4]何用梅.現代連續加熱爐[M].第一版，北京：冶金工業出版社，198112.