轧钢蓄热式加热炉的控制
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net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
ControlEngineeringofChinaMay2004
Vol.11,No.32004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PID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;PLC;双交叉限幅;换向;PID
中图分类号:TP273 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(PLC),采用双交叉限幅并
联副串级PID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、PLC、执行
器、传感器组成。
①控制计算机采用西门子工控机、WinCC组
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计算机与计算机以及计算机与PLC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RTD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;Tem-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;Gas-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;Gas为煤
气;Air为空气;Stove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 711
JNB -001=I-itl-on
L #lmnA L610
L #
erBLD 102
—R=M 711
T #I-itlvalA L610
-001:NOP 0 JNB-002
AN #man-onL#lmn・262・控 制 工 程 第11卷
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A L610-
002:NOP0
MAN-ON:手自动转换开关INT-HOLD:积分锁定
IITL-ON:积分初值有效MAN:手动值
DEADB-W:死区宽度I-ITLVAL:积分初值
LMN:调节输出ER:偏差
上面指令表示:当手动状态时,将调节输出与
偏差的差送给积分初值;就是说,在手动状态下,
把手动值实时送给积分初值。当手动转换成自动
时,使积分初值有效,手动转换为自动瞬间的调节
输出值即是积分初值。将调节输出值送给手动
值,当将自动转换成手动时,起初的手动值与转换
前的自动值一致。
②积分分离的PID控制 引入积分环节的目
的主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的
启动、结束或大幅度增减设定值时,短时间内系统
输出有很大的偏差,会造成PID运算的积分积累,
致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范
围对应的极限控制量,最终引起系统较大的超调,
甚至引起系统振荡。引进积分分离PID控制算
法,保持积分作用,减小了超调量,使得控制性能
有了较大改善。指令如下:
A( )
L#erA(
ABSL#tempB
T#tempBL1100e+001
SET>=R
SAVE)
CLR=#int-hold
ABR
③带死区的PID控制 为了避免控制动作过
于频繁,引起系统的振荡,设置了调节死区。
2)蓄热控制原理和特点 蓄热器安装在水平烟道内,利用加热排出的高温烟气给蓄热器加
热,使其温度能从常温升高到150℃左右。通过
换向能利用高温的蓄热器对冷空气进行预热,同
时避免长期受热温度过高而损坏蓄热器。
换向是由换向装置实现的,本炉共有24组换
向装置,每组换向装置由一个换向阀和两个截止
阀组成。每组换向装置是一独立单元。换向控制
方式包括定时换向和定温换向。以定时换向为
主,定温换向为辅。
所谓定时换向,就是左右相对的两组换向装
置,按一定周期、顺序换向。所谓定温换向,是当
蓄热器达到一定温度时,为保护蓄热器所进行的
强制换向。定温换向周期较定时换向周期短。
定时换向原理是:24组换向装置分左右各12
组(其中每边上下各6组),每组两个烧嘴,共48
个烧嘴,如图2所示,图中每个方框代表一个烧
嘴。左边两个和右边两个烧嘴组成一组,交叉对
烧。即L1,L7,R1,R7组成一组,这4个烧嘴同时
燃烧换向;L2,L8,R2,R8这4个烧嘴同时燃烧换
向,在L1,L7,R1,R7烧嘴燃烧时,烧嘴L1’,L7’,
R1’,R7’处于排烟状态。同理,在L2,L8,R2,R8
烧嘴燃烧时,烧嘴L2’,L8’,R2’,R8’处于排烟状
态,以此类推。
图2 阀门换向分组图
图3 一组换向装置的阀门切换顺序图
(下转第279页)・362・第3期 兰东辉:轧钢蓄热式加热炉的控制
