轧钢蓄热式加热炉的控制

收稿日期:2003208219;收修定稿日期:2003210213

作者简介:兰东辉(19672),男,辽宁铁岭人工程师,大学本科,主要从事自动化系统集成和程序设计等方面的工作。

控制工程C ontrol Engineering of China May 2004V ol.11,N o.3

2004年5月第11卷第3期

文章编号:167127848(2004)0320261204

轧钢蓄热式加热炉的控制

兰东辉

(沈阳鹭岛电气工程有限责任公司自动化工程部,辽宁沈阳　110004

)

摘 要:针对轧钢加热炉现状,介绍一种新型加热炉-蓄热式加热炉的控制方法。这种控制方法的基本原理是对加热炉内的温度采用双交叉限幅串联PI D 控制;对加热炉的关键部件—蓄热器采用定时定温换向法控制。它能达到炉内温度稳定,蓄热效果明显,既节能降耗又提高产品质量的目的。该方法适用于新建以及改造的蓄热式加热炉的控制。关　键　词:蓄热式加热炉;P LC ;双交叉限幅;换向;PI D 中图分类号:TP 273 文献标识码:A

1　引　言

蓄热式加热炉是一个具有大惯性、纯滞后和分布参数的非线性系统,其加热方式有连续式和

批量式等多种形式。炉内的热状态、钢坯温度分布等许多重要参数难以直接在线监测,炉型结构和工艺参数也各不相同。这些因素一直阻碍着炉窑过程控制技术的进一步发展。

通常的加热炉控制系统采用串级比值调节,温度调节器的输出直接作为空气流量调节的给定,空气流量实际值除以空燃比作为煤气流量调节器的给定。在稳态时,煤气流量可按一定的空燃比跟随空气实际流量而动,但在动态时,如升温、降温等变化时,这种常规系统就无法保证煤气流量仍按一定的空燃比随空气流量变化而变化。近年来,随着计算机技术革命性的进步,一种以控制理论和计算机技术相结合的新型控制技术—双交叉限幅控制方式的出现,为控制界解决传统难题带来了生机。双交叉限幅控制方式可以保证无论在动态还是稳态时,都能满足一定的空燃配比性能。这一技术的出现为解决钢铁领域内的控制难题,为钢铁企业在21世纪谋求发展提供了新的途径。

2　轧钢蓄热式加热炉简介

一般加热炉生产效率低,主要表现在:产出钢

坯受热不均匀,影响轧出产品质量;炉中燃料燃烧时而过剩、时而不足,浪费燃料、污染环境,造成钢坯过渡氧化。为解决这一问题,蓄热式加热炉应运而生了。为充分发挥蓄热式加热炉的优点,配套了可编程序控制器(P LC ),采用双交叉限幅并联副串级PI D 和燃烧换向控制方法。

根据工艺要求,要将钢坯循序渐进地、均匀地加热到所有要求的温度,才能送到轧钢工序去轧制。为实现上述目的,对钢坯分3个梯度温度段进行加热。结构上加热炉分3段。

钢坯第一步进入加热1段进行预热;达到一定温度后,到加热2段继续升温,在加热2段达到要求温度进入加热3段(均热段),均热段温度略低于加热2段,以便钢坯整体温度均匀。

采用双交叉限幅并联副串级控制的方法控制3个加热段的温度,虽然算法相对复杂,但控制效

果好。

为了提高炉子的燃烧效率,对燃料和助燃气体控制阀采取定时定温换向的方法,利用燃烧所产生的烟气热量对助燃的空气进行预热,提高助燃空气的温度,即燃烧换向控制。

3　系统构成

加热炉控制系统由控制计算机、P LC 、执行器、传感器组成。

①控制计算机采用西门子工控机、WinCC 组

态软件,以冗余的配置方式对加热炉进行监控。计算机与计算机以及计算机与P LC 之间通过MPI 网络通信。

②可编程控制器采用西门子公司S72300(CPU315),包括AI ,AO ,DI ,DO 及分布式I/O 。

③执行器为带有定位器的电动调节阀、变频器控制的鼓风机和引风机等。

④高温检测传感器(测炉温)采用S 型热电偶,中低温检测传感器采用RT D 热电阻,流量测量采用孔板(环室取压)和压力变送器。

4　控制系统的基本原理和特点

本系统完全采用计算机控制,从形式上看包括计算机手动(

软手动)和计算机自动控制。手动

和自动间无扰动切换。当处于手动状态时,可操

作单个设备;当处于自动状态时,按照设定好的参数自动运行。

本系统控制功能包括炉温控制(双交叉限幅控制)和蓄热控制(燃烧换向控制)两大部分。

1)炉温控制原理和特点　本炉的热量来源于煤气燃烧,一方面要使煤气能充分燃烧,另一方面空气又不能过剩。这就要求参与燃烧的空气和煤气要有一个适当的比例,即空燃比。

用简单的控制方法很难使空燃比稳定,也就很难保持炉温的稳定。在本系统中,采用了比较复杂的双交叉限幅并联副串级调节控制方式,其基本原理如图1所示。

其中,T -set 为炉顶温度设定值;T -mea 为炉顶温度测量值;T em -PID 为炉顶温度调节器;Acco -T 为炉顶温度调节值;β为空燃比;H -air 为空气流量高限;L -air 为空气流量低限;Air -PID 为空气流量调节器;Mea -air 为空气流量测量值;Acco -air 为空气流量调节值;1+k 为高选器;1-k 为低选器;H -gas 为煤气流量高限;L -gas 为煤气流量低限;G as -PID 为煤气流量调节器;Acco -gas 为煤气流量调节值;Mea -gas 为煤气流量测量值;G as 为煤气;Air 为空气;S tove 为加热炉

图1　双交叉限幅控制原理图

双交叉限幅并联副串级调节控制方式的基本

原理是:以炉膛温度调节器作为主调节,煤气和空气调节器作为副调节,煤气流量调节和空气流量调节并联再与炉膛温度调节组成串级调节回路。在温度调节器的输出端加高、低限幅器,防止系统超调等不稳定现象发生。温度调节器的调节输出,经过处理后分别作为煤气流量调节器和空气流量调节器的流量设定值。即将空气流量的实测值与空燃比1/β相乘,再乘以高低选限幅系数(1±k ),作为煤气流量设定值的允许范围,调节煤气流量;将煤气流量的实测值与空燃比β相乘,再乘以高低选限幅系数(1±k ),作为空气流量设定值的允许范围,调节空气流量。

采用这种方法,既保证了空气和煤气流量的合理配比,又能使空气和煤气流量根据配比互相跟随,保证了煤气流量和空气流量控制稳定,提高了抗干扰能力。

①系统可在手动和自动状态间无扰动切换　程序指令如下:

A #man -on AN M 711JN

B -001=I -itl -on L #lmn A L 610L #er

BLD 102—R

=M 711T #I -itlval

A L 610

-

001:NOP 0　JNB -

002AN #man -on L #lmn

・262・控　制　工　程 第11卷