采用先進技術對氣墊式連續熱處理爐燃燒及溫度控制系統設備隱患進行綜合整治

周 勇

西南鋁業集團有限責任公司壓延廠 重慶 401326

1 前言

某廠1700mm氣墊式連續熱處理爐于1989年從美國引進,超過30%的成品從該機列產出,其生產過程就是將鋁帶材進行連續的清洗、退火(淬火)、拉矯等工藝,最后產出成品。氣墊爐爐區控制系統主要有溫度、氣墊壓力、淬火水控制系統和傳動控制系統。其中最為關鍵的是每個燃燒區段的爐膛燃燒溫度控制系統,系統是否正常運行,將直接影響到鋁帶材產品的熱處理性能,經過多年的運行,目前存在以下幾方面的問題:一是溫控用PLC,運算速度慢,控制精度低。溫度控制系統可編程控制器采用三菱FX系列PLC,控制功能單一,運算速度較慢,控制精度已不能滿足生產需求。二是燃燒控制系統閥件,元件老化,故障率高。燃燒控制系統采用Honey-Well助燃空氣蝶閥執行器、天然氣薄膜式比例閥控制。經過多年的運行,關鍵控制器件老化嚴重,閥芯磨損、動作不靈,時有卡阻現象,造成空燃比嚴重失衡,燃燒效率低,爐子溫度控制精度下降,造成板材熱處理性能不穩定,現已無備件來源。三是排煙系統控制落后,控制精度低,耗能高。爐子排煙系統由排煙風門執行器和排煙風機構成,風門執行器采用德國auma公司的執行器,現已無備件來源。排煙風機電機恒速運行,通過調節排煙風門開口度來調節爐內壓力及排煙,耗能嚴重。四是系統精度測試效率低。為滿足AMS2750E標準,原氣墊爐配置了3支熱電偶,1支用于溫度控制,1支用于溫度比對,1支用于記錄[1]。比對熱電偶采用非駐留式熱電偶,在做SAT測試時(系統精度測試),需要反復拔插比對熱電偶,每次測試需耗時4小時左右,SAT測試效率較低。鑒于以上情況,為了更好地發揮氣墊爐生產線產出快、高質量、低耗能的生產優勢,以滿足工廠不斷發展的需要,對氣墊爐生產線爐子燃燒溫度控制系統進行改造是非常必要的。

2 改造范圍及內容確定

選用西門子S7-1500系列PLC作為主控PLC,取代原有PLC。遠程I/O從站選用西門子ET200模塊,各從站之間數據通訊采用工業以太網PROFINET接口進行數據交換。更換原助燃空氣蝶閥、天然氣薄膜式比例閥,助燃空氣和天然氣調節閥采用國內一線品牌的對夾式調節閥,配套選用相應進口電動執行機構。新增助燃空氣和天然氣流量孔板、流量檢測,流量檢測選用先進的測量傳感器、變送器。取消原有排氣風門執行器,選用交流變頻器直接對爐膛排煙風機進行控制。溫度傳感器按照AMS2750E標準,各區控溫熱電偶采用雙偶進入PLC,1支控溫,1支比對,根據溫度測量范圍及精度,選用相應分度號的熱電偶,

3 控制系統改造方案設計及實施

燃燒及溫度控制系統通過PLC控制,使用溫度PID,調節助燃空氣、天然氣流量,實現燃氣雙交叉限幅控制,達到溫度的精確控制。

3.1 溫度控制系統 本系統改造主PLC采用西門子S7-1500系列,通過Profinet接口下接多個西門子ET200 MP遠程I/O從站,組成相應的集散控制系統[2]。可編程控制器S7-1500特點:超高速的運算處理速度,S7-1500采用當前最快的背板總線和高效的傳輸協定,保證了快速信號處理,點到點的反應時間不到500us[3],模件用軟件采用組態軟件直接組態完成,可通過模塊內部組態來實現與現場傳感器的連接與參數匹配,使系統具有更強的通用性及可移植性,可方便地采用插接式結構,系統的擴展特別方便。對溫度控制程序進行重新設計編程,主程序模塊結構圖見圖1:

圖1 主程序模塊結構圖

3.2 燃燒控制系統 為提高流量調節精度,天然氣調節閥閥體采用活塞閥結構,電動執行機構采用韓國科斯米進口產品,隔爆型。助燃空氣調節閥閥體采用翻板碟閥結構,電動執行機構采用德國KROM進口產品。流量傳感器選用高精度性能穩定的主流產品。為了達到更高的溫度控制精度,實現最佳空燃比,在保證原有每區燃燒功率的情況下,重新設計天然氣和助燃空氣流量孔板。標準孔板的測量流量原理是依據著名的伯努力流體力學原理。

本系統采用天然氣和助燃空氣供氣量的自動連續PID控制,雙交叉限幅控制原理。雙交叉限幅控制原理:雙交叉就是天然氣折算流量Ig和助燃空氣折算流量Ia通過一些環節,各自送入對方的主調節系統。天然氣流量Ig直接送入第二重比例積分(PI1)調節運算單元中去,作為天然氣流量的被調參數;此Ig還通過增量單元K4或K2,與空氣量調節的第三重比例積分(PI2)運算單元聯系起來,這就叫天然氣流量與空氣調節回路的交叉。同樣,空氣折算流量Ia直接與空氣回路的主調節器PI2相連,作為它的被調參數;此Ia的另一路,通過與空燃比運算Ia/β=I'a,再連接于增量單元K3或K1后,與然氣回路主調節器PI1聯系起來,這叫空氣流量與天燃氣調節回路的交叉。限幅就是通過增量單元,使閥門開度每一次的變化量限制在某一值范圍內,目的是使爐溫較平緩的變化。圖中,K3、K1與K4或K2,就是增量值。高值選擇與低值選擇。進入高值選擇單元的兩參數,只允許大的參數值通過,小參數值不能通過。進入低值選擇單元的兩參數,只允許小參數通過,而大參數不能通過。其原理圖見圖2:

圖2 雙交叉限幅控制原理圖

程序調試過程:如上圖所示,控制系統采用雙閉環控制系統,天然氣和助燃空氣PID調節器為內環,溫度PID調節器為外環。引用多環控制直流調速系統控制原理,按照調試步驟,先調試內環,然后調試外環控制。首先對天然氣和助燃空氣PID調節器進行調整,為了精準控制天然氣和助燃空氣流量及配比,調節閥閥位不能動作過快,否則將造成系統振蕩,于是減少P參數,增加I參數,將內環調試穩定,然后調試溫度PID調節器。

3.3 排煙系統控制使用PID控制器,通過改變風機轉速,達到控制爐內壓力的目的,通過現場調試,實際爐壓波動控制在±1.5毫米水柱內(原±3毫米水柱),提高了爐壓控制精度,節能效果明顯,排煙風機電機節能30%以上。

3.4 比對電偶由于采用了駐留式比對熱電偶,現場SAT測試時間只需要1小時左右。

4 改造后效果

改造后對氣墊爐進行系統控溫精度和爐溫均勻性進行測試,采用溫度標準校驗儀對系統控溫精度測量,采用3點掃描法對爐子溫度均勻性測量,控溫精度±1.5℃(原±2℃),爐溫均勻度±2℃。滿足了原氣墊爐設計參數爐溫均勻度±3℃,并有所提高,成功解決了爐子燃燒系統無備件更換問題這一設備隱患,設備原始性能得到提升,拓寬了工藝適應性。