加熱爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選題背景及意義(一)

1、加熱爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選題背景及意義(一)     選題背景及意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源短缺已成為制約我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重要阻礙，社會(huì)各界都對(duì)此積極關(guān)注。推鋼式加熱爐是冶金工業(yè)的主要耗能設(shè)備。如何保證被加熱后的金屬能夠在有效軋制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業(yè)控制技術(shù)研究的主要方向。近年來由于各企業(yè)重視節(jié)源效益，對(duì)加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平也相應(yīng)提高和不斷深入。目前面向節(jié)能降耗、提高軋制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量設(shè)計(jì)的加熱爐工程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。設(shè)計(jì)一套完善可行

2、的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)有其巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、環(huán)保意義。 加熱爐生產(chǎn)過程主要是個(gè)燃燒與熱交換的物理化學(xué)過程，燃燒方面有一個(gè)如何使其在各種工況下特別是在熱負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)過程中保持最佳節(jié)能燃燒的問題。另外從整個(gè)軋制生產(chǎn)線來看，加熱爐是局部環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是加熱鋼坯，使鋼坯在出爐時(shí)達(dá)到軋制所要求的溫度分布。評(píng)價(jià)加熱爐性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)是加熱爐的單位燃燒消耗、產(chǎn)量、鋼坯的加熱質(zhì)量、鋼坯的氧化燒損等。影響這些指標(biāo)的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用1。 我國(guó)的加熱爐大部分是六、七十年代的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)非常落后。相當(dāng)一部分還處于基地式儀表控制，表盤顯示的水平，軟件操作不易

3、為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進(jìn)行加熱爐監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。加熱爐的工作目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)采取最經(jīng)濟(jì)的方式把爐內(nèi)的鋼坯加熱到所要求的狀態(tài)。特別是一些目前小的鋼鐵企業(yè)，對(duì)這種投資少、見效快的技術(shù)改造更感興趣2。本文主要講述加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2  加熱爐爐溫優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國(guó)際上對(duì)加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，我國(guó)從80年代才開始對(duì)這方面進(jìn)行研究。在鋼鐵領(lǐng)域，以前人們對(duì)加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數(shù)學(xué)模型、爐溫優(yōu)化設(shè)定以及燃燒控制，近年來智能控制技術(shù)正逐步被應(yīng)用到加熱爐爐溫控制中。 目前，就我國(guó)帶鋼

4、熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)整體而言，與國(guó)外相比，相差甚遠(yuǎn)。在國(guó)外，多數(shù)帶鋼熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)己經(jīng)采用了高智能型的專家系統(tǒng)，模糊控制或兩者相結(jié)合的控制系統(tǒng)。如美國(guó)的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)對(duì)帶鋼熱連軋加熱爐進(jìn)行控制。而我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)的熱連軋加熱爐控制系統(tǒng)仍是早期的DCS控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，有的還沒有達(dá)到這個(gè)控制水平，因而為了參加國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，贏得產(chǎn)品盛譽(yù)，就必須對(duì)加熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)行換代或改造。對(duì)加熱爐控制系統(tǒng)的改造，國(guó)內(nèi)存在兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為要較好地實(shí)現(xiàn)加熱爐的控制，必須堅(jiān)持HCA (High Cost Automation)高成本高投入，大力提高自動(dòng)化

5、部分的控制水平，采用高智能型的集中控制(或集散控制，甚至智能模糊控制等。目前，一些大型企業(yè)比較傾向于此，但硬件投資也比較高，往往占到設(shè)備投資50左右，而且要相當(dāng)一批專業(yè)人員來完成;另一種為L(zhǎng)CA(Low Cost Automation)低成本自動(dòng)化。低成本不是低水平，是在低成本前提下的先進(jìn)性和適用性，LCA是簡(jiǎn)易自動(dòng)化的延伸，是全新自動(dòng)化的補(bǔ)充。它往往成為中小企業(yè)的優(yōu)先選擇1。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有帶鋼熱連軋加熱爐一千多座，由于資金、技術(shù)等力一面的原因，改造或換代為高智能型加熱爐數(shù)量很少。在這方面，由于寶鋼、鞍鋼等大型國(guó)有鋼鐵企業(yè)較重視科技在生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位，在帶鋼連軋加熱爐改造中投入的力量較大，己成為我國(guó)

6、鋼鐵行業(yè)領(lǐng)頭羊。2  加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1  加熱爐工藝 熱爐加熱是一個(gè)典型的復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)，它具有復(fù)雜系統(tǒng)的諸多特征。如：建模困難、干擾嚴(yán)重、多變量、時(shí)變、非線性、耦合大慣性兼滯后等特點(diǎn)。因此加熱爐一直是工業(yè)自動(dòng)化研究的主要課題1。通常冶金加熱爐燃料采用氣體燃料。氣體燃料即各種煤氣和天然氣。在各種燃料中，氣體燃料的燃燒最容易控制，燃燒效率也最高，是最受歡迎的一種燃料。任何一種氣體燃料的燃燒，都要經(jīng)歷三個(gè)階段：即燃料與空氣的混合、混合氣體的活化和混合氣體的燃燒。所以，如何解決這三個(gè)問題也是加熱爐工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)4。 加熱爐傳統(tǒng)的控制方法是控制

7、爐溫，由調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)節(jié)，再配以空燃比，煙道殘氧量以及燃料流量與助燃空氣流量的交叉限幅控制等輔助控制方法以提高熱效率。但一般人工設(shè)定爐溫余量偏大，在生產(chǎn)工況波動(dòng)的情況下，容易造成過度燒損，從而降低了加熱質(zhì)量，反而導(dǎo)致產(chǎn)品成材率下降，能耗增加。 根據(jù)熱效率曲線,空氣過剩系數(shù)應(yīng)在1.021.10之間,此時(shí)的空燃比為最佳。工作點(diǎn)位于效率曲線的頂端。因此燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以最佳空燃比為中心1。 圖2.1燃燒熱效率曲線2.2  燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì) 加熱爐燃燒控制由多部分組成：爐溫控制、燃料流量控制、二者比值控制、爐壓控制3。    燃燒

8、控制主要由溫度流量串級(jí)并列控制回路和雙交叉限幅器組成。由于燃燒控制是系統(tǒng)的執(zhí)行層，它不僅要快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地隨動(dòng)溫度數(shù)模的設(shè)定值，而且還要保證動(dòng)態(tài)時(shí)和靜態(tài)時(shí)有良好的空燃配比效果。根據(jù)這個(gè)要求，本系統(tǒng)采用溫度流量串級(jí)雙交叉雙向限幅控制。以溫度環(huán)作為外環(huán)，空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)作為內(nèi)環(huán)來設(shè)計(jì)4。用溫度環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出分別作為空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)的給定值與各環(huán)反饋值進(jìn)行比較，再通過限幅器對(duì)空氣流量環(huán)和燃料流量環(huán)進(jìn)行限幅。綜合系統(tǒng)中各個(gè)因素考慮，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的流程圖，如圖2.2:  圖2.2加熱段控制系統(tǒng)流程圖其中符號(hào)意義如下:H-高值選擇  L-低值選擇  TIC-

9、溫度調(diào)節(jié)器  FIC-流量調(diào)節(jié)器  LMT-流量上下限幅  DFA-安全柵  HC-手操器  -空燃比  (k1-k4)-燃料空氣設(shè)定值限幅系數(shù) 燃燒控制由溫流串級(jí)并列雙交叉雙向限幅型控制回路,爐壓,熱風(fēng)等附屬參數(shù)控制,生產(chǎn)過程的安全報(bào)警與事故處理等幾個(gè)主要部分組成。 燃燒控制采用雙交叉雙向限幅結(jié)合溫度-流量串級(jí)結(jié)構(gòu)，這一算法的主要優(yōu)點(diǎn)是它彌補(bǔ)了無交叉無限幅一般串級(jí)系統(tǒng)缺點(diǎn)，即很難保證動(dòng)態(tài)時(shí)的空燃比控制精度，只能保證靜態(tài)的空燃比控制。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的加熱爐大部分時(shí)間都處于動(dòng)態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)過程，如果動(dòng)態(tài)空燃比精度保證不了則很難達(dá)到理想的加熱效果，由此也很難保證成材率的提高和能耗的降低。雖然雙交叉限幅燃燒控制由于燃料空氣設(shè)定值的限制動(dòng)態(tài)過程可能比一般的串級(jí)系統(tǒng)稍慢，但只要合適的選取K1K4的值就可以在動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度和空燃比精度之間找到平衡點(diǎn)。K1K4限定了燃料空氣工作帶隙的寬度和位置,這兩個(gè)帶隙所在區(qū)域的空燃比就是的近似值。另外燃料空氣回路的調(diào)節(jié)參數(shù)也變得容易整定,手自動(dòng)轉(zhuǎn)換比較平穩(wěn),因?yàn)殡p向雙交叉限幅帶隙寬度不變, 不會(huì)出現(xiàn)一般的串級(jí)并列設(shè)定值那樣大起大落的情況8。積分增益高些流量環(huán)趨于強(qiáng)