加熱爐爐溫智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳瑋瑋

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

改革開放以來,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步更是使得大多數(shù)的制造業(yè)簡單生產(chǎn)活動(dòng)逐漸被工業(yè)技術(shù)所替代。隨著行業(yè)競爭的逐漸激烈、企業(yè)規(guī)模的逐漸壯大,能源在生產(chǎn)中的利用和消耗問題更為嚴(yán)重。鋼鐵行業(yè)作為我國的基礎(chǔ)性行業(yè)之一,是開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、助推我國現(xiàn)代化發(fā)展的重要保障。加熱爐是鋼鐵加工的重要設(shè)備,在行業(yè)發(fā)展中扮演著重要的角色。加熱爐的能耗占鋼鐵生產(chǎn)能耗的近1/4,而能耗利用率卻遠(yuǎn)低于1/2。除此之外,加熱爐與其他加熱元器件具有相同的非線性、慣性大等特點(diǎn),容易受爐內(nèi)外多種因素的影響,發(fā)生爐溫的波動(dòng),極大地干擾了爐溫控制的準(zhǔn)確性。因此采取有效的手段提升加熱爐爐溫控制的效果勢在必行。本文綜合分析加熱爐的運(yùn)行工作原理,探究加熱爐爐溫控制的重點(diǎn),以望能夠提升加熱爐爐溫控制的穩(wěn)定性,使其更為符合爐溫調(diào)控的需求。

1 加熱爐構(gòu)成及工作原理

1.1 加熱爐構(gòu)成

加熱爐在鋼鐵、冶金行業(yè)有重要的應(yīng)用,其主要作用是將材料加熱至其特定溫度。它通常由一組發(fā)熱體、隔熱材料、爐體和控制器組成。加熱爐的工作原理主要是通過將電能或燃料能轉(zhuǎn)化為熱能,通過加熱體實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo),完成加熱流程。

加熱爐一般包括以下部分:

1)發(fā)熱體

發(fā)熱體是產(chǎn)生熱能的關(guān)鍵組件,通常是由金屬、陶瓷等導(dǎo)電材料制成的,根據(jù)工作原理不同可以分為電熱發(fā)熱體和燃?xì)獍l(fā)熱體。電熱發(fā)熱體主要由電阻絲、電爐管、電熱棒等構(gòu)成;燃?xì)獍l(fā)熱體主要有燃燒器和燃油噴嘴,可使用各種燃料包括天然氣、液化石油氣、柴油等[1]。

2)隔熱材料

隔熱材料是用于隔離爐體和發(fā)熱體的部分,常用的隔熱材料有氧化鋁、硅酸鹽、石墨等。隔熱材料的作用是防止熱能的散失,提高能效。

3)爐體

爐體是加熱爐的主體,通常由金屬制成,其大小和形狀會(huì)根據(jù)加熱材料和生產(chǎn)需求而不同。爐體的作用是容納和保護(hù)被加熱材料并將發(fā)熱體和隔熱材料固定在一起,以確保加熱過程的穩(wěn)定和安全[2]。

4)控制器

控制器是加熱爐的重要部分,其作用是確保加熱過程的穩(wěn)定性和安全性。通過控制器可以調(diào)整發(fā)熱體的溫度和加熱時(shí)間,使加熱爐能夠快速、準(zhǔn)確地達(dá)到所需的加熱溫度。

1.2 加熱爐工作原理

以蓄熱式加熱爐為例,蓄熱式加熱爐主要包括爐體、傳感器、裝鋼系統(tǒng)、換向閥等組成。其中爐體是加熱的主要載體,換向閥用于實(shí)現(xiàn)加熱爐內(nèi)的冷、熱煙氣交換,傳感器用于采集爐內(nèi)的溫度情況,裝鋼系統(tǒng)用于將帶加熱的材料(如鋼坯等)送入爐內(nèi)[3]。其工作原理如圖1所示。

圖1 蓄熱式加熱爐工作流程

如圖1所示,蓄熱式加熱爐的燒嘴A、B成對(duì)安放于爐體的兩側(cè),冷空氣經(jīng)由換向閥進(jìn)入蓄熱室B中進(jìn)行升溫,加熱至1 000 ℃后與燃料經(jīng)過燒嘴B進(jìn)入爐膛內(nèi),在爐溫1 200 ℃情況下進(jìn)行混合彌散式燃燒。然后熱煙氣在風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)過燒嘴A排出爐膛。

相較于傳統(tǒng)的加熱爐,蓄熱式加熱爐選用高溫空氣燃燒設(shè)計(jì)工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的截留,減少燃料的消耗,同時(shí)其排放出的熱煙氣能夠進(jìn)行余熱回收提升了加熱的效率。但其在加熱過程中需要換向閥的輔助進(jìn)行頻繁的煙氣交換以及換氣燃燒,影響爐內(nèi)的氣壓穩(wěn)定性以及溫度穩(wěn)定性,容易出現(xiàn)加熱物料的質(zhì)量。

2 加熱爐爐溫控制重點(diǎn)分析

加熱爐爐溫控制是加熱爐智能控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,它可以自動(dòng)監(jiān)測和調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)部溫度,以提高加熱爐的工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量,同時(shí)減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。但是,要實(shí)現(xiàn)這種智能控制系統(tǒng),需要面對(duì)一些重要的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[4]。

2.1 傳感器的選擇和位置

傳感器是加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的重要組成部分,它們用于收集加熱爐內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。在選擇傳感器時(shí),需要考慮許多因素,例如傳感器的精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、成本等。此外,傳感器的位置影響加熱爐內(nèi)部溫度的測量精度[5]。因此傳感器位置要具有多樣性以便全面了解加熱爐內(nèi)部的溫度分布情況。

2.2 控制策略的開發(fā)

控制策略的目標(biāo)是根據(jù)傳感器收集到的溫度數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)執(zhí)行器的操作,以控制加熱爐內(nèi)部的溫度。控制策略的開發(fā)需要考慮許多因素,例如控制算法的選擇和優(yōu)化、控制參數(shù)的確定等。控制算法的選擇應(yīng)基于加熱爐的工作原理和溫度控制方法,以確保控制策略的有效性和穩(wěn)定性[6]。控制參數(shù)的確定需要考慮傳感器的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等因素,以確保控制策略的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.3 系統(tǒng)測試及優(yōu)化

加熱爐爐溫控制系統(tǒng)需要在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和測試,以便發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)中的問題和缺陷。系統(tǒng)的優(yōu)化是加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的一個(gè)重要目標(biāo)[7]。系統(tǒng)的優(yōu)化可以提高加熱爐的工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量,同時(shí)減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該考慮許多因素,例如系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間、控制精度、能源利用率等。通過對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化,可以提高系統(tǒng)的性能,使其更加適用于不同的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

3 加熱爐爐溫智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的加熱爐爐溫調(diào)控通常采用PID算法,極易造成爐溫調(diào)控出現(xiàn)波動(dòng)以及間接震蕩問題。因此選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為加熱爐爐溫智能調(diào)控的方式,并就加熱爐爐溫的硬件設(shè)計(jì)、軟件平臺(tái)以及算法做出如下介紹。

3.1 硬件設(shè)計(jì)及選型

1)溫度傳感模塊

對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行準(zhǔn)確的測量是實(shí)現(xiàn)爐溫智能化控制的重要前提。常用的溫度傳感設(shè)備包括接觸式以及非接觸式兩種。非接觸式測量方式通過對(duì)流輻射方式進(jìn)行溫度測量存在較大的誤差。接觸時(shí)測量時(shí)測溫元件與介質(zhì)接觸更具準(zhǔn)確性[8]。本系統(tǒng)選擇K型熱電偶作為溫度檢測設(shè)備。這一設(shè)備不僅能夠?qū)崟r(shí)感知爐溫,更具有成本低、高靈敏度的優(yōu)勢。

2)控制及通信模塊

加熱爐所處工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,因此控制設(shè)備需要有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。選擇東田酷睿8代工控機(jī)作為主要控制設(shè)備,其內(nèi)部配有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等實(shí)時(shí)控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)控制算法的高速計(jì)算[9]。同時(shí)該設(shè)備能夠安裝Matlab軟件實(shí)現(xiàn)算法的開發(fā)等,附帶OPC工具箱,有助于加熱爐智能系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。工控機(jī)與加熱爐之間采用串口、以太網(wǎng)等接口進(jìn)行連接,通信協(xié)議為PROFIBUS-BP,以實(shí)現(xiàn)加熱爐的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

3)電源及驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)投入使用前充分考量系統(tǒng)使用時(shí)所需的電壓極值,避免出現(xiàn)多模塊供電不穩(wěn)出現(xiàn)負(fù)載以及電壓不穩(wěn)的問題導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。安裝電壓調(diào)控器進(jìn)行電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換減輕對(duì)加熱爐運(yùn)行的影響。系統(tǒng)整體使用繼電器以及晶閘管參照工控機(jī)輸出的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4)顯示及操作模塊

顯示與操作采用液晶屏作為人機(jī)交互界面,圖形化顯示系統(tǒng)的各模塊,提升界面的清晰度,簡化操作流程。通過按鍵初始化配置加熱物料的種類、爐溫控制區(qū)間、煙氣排放等,實(shí)時(shí)刷新爐溫變化,并自動(dòng)生成變化曲線,為加熱爐操作人員提供借鑒[10]。

3.2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)開發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加熱爐軟件平臺(tái)開發(fā)

如圖2所示,加熱爐的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)包含三部分,輸入接口、算法內(nèi)核以及輸出接口。在輸入接口部分導(dǎo)入加熱爐的數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行歷史文件,為下一步的處理奠定基礎(chǔ)。算法內(nèi)核選用Matlab平臺(tái)進(jìn)行混合編程,建立平臺(tái)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、模型辨識(shí)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。最后經(jīng)由輸出接口生成實(shí)時(shí)控制代碼,對(duì)加熱爐爐溫控制過程進(jìn)行仿真。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)分類和回歸問題。在加熱爐爐溫控制中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于爐溫控制預(yù)測和調(diào)節(jié)。首先,需要采集加熱爐內(nèi)的爐溫?cái)?shù)據(jù),包括時(shí)間、爐溫等參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,建立爐溫預(yù)測模型。訓(xùn)練時(shí)需要設(shè)置合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)等參數(shù),使得模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測爐溫變化趨勢[11]。在實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中,通過將當(dāng)前爐溫作為輸入,傳入已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,得到預(yù)測的下一時(shí)刻的爐溫。根據(jù)預(yù)測結(jié)果,采取相應(yīng)的控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié),如加熱、降溫等。

4 結(jié) 語

采用智能控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率和保持溫度,避免了人工干預(yù)造成的誤差和浪費(fèi)。系統(tǒng)可以通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測加熱爐內(nèi)部的溫度、壓力等參數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度曲線或工藝要求自動(dòng)控制加熱功率,從而提高了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)也減少了過度加熱和能源消耗。同時(shí)采用智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加熱爐的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)。