PLC及特殊功能模塊在加熱爐自控中的應(yīng)用

1 引言
萊鋼軋鋼廠中小型車間加熱爐為步進(jìn)爐，用來對連鑄坯進(jìn)行加熱。使用燃料為高爐和焦?fàn)t混合煤氣，鋼坯需要經(jīng)五段加熱區(qū)加熱到適當(dāng)溫度后出爐。加熱爐燃燒介質(zhì)各參數(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，它直接影響到燒坯的質(zhì)量,并涉及著安全生產(chǎn)等重大問題。在生產(chǎn)過程中對加熱爐爐壓和溫度的穩(wěn)定有嚴(yán)格的要求，比如燃?xì)獾牧髁亢蜏囟鹊鹊取Ｒ雽?shí)現(xiàn)這些參數(shù)的穩(wěn)定，并且達(dá)到較好地配比有不同的方法可以實(shí)現(xiàn)。爐區(qū)儀控的熱工檢測控制量共573點(diǎn)，其中模擬量輸入98點(diǎn)，模擬量輸出24點(diǎn)，開關(guān)量輸入261點(diǎn)，開關(guān)量輸出190點(diǎn)。調(diào)節(jié)回路16套，分別對加熱爐的煤氣、空氣的流量、壓力，爐內(nèi)溫度，換熱器的保護(hù)等進(jìn)行控制。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品在其功能和性能指標(biāo)上都大大地豐富和完善，因此，我們就應(yīng)用PLC的一些特殊功能模塊和一些普通的I/O模塊對加熱爐的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動控制，包括前面提到的各種參數(shù)、以及通過PLC和變頻器的通訊實(shí)現(xiàn)對變頻器輸出頻率的控制。

2 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)上選用一臺上位機(jī)MASTER VIEW,一臺監(jiān)控站Operate Station520配以ABB ADVANT BUILD軟件包，PLC部分選用ABB MASTER PIECE200/1，它具有成本低、運(yùn)行可靠、功能較強(qiáng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)大致可以分為三個(gè)部分;
(1) 儀控系統(tǒng)以及PID調(diào)節(jié)部分;
(2) 雙交叉限幅燃燒系統(tǒng);
(3) PLC和變頻器的通訊部分。
系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置圖

3 儀控系統(tǒng)組成及控制功能
現(xiàn)儀控系統(tǒng)16套自動調(diào)節(jié)回路中，均采用PID調(diào)節(jié)，操作方式分為自動、手動方式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有14套電動方式、2套液動方式。操作站實(shí)行對爐子的狀態(tài)監(jiān)控、意外事件報(bào)警等功能。

3.1 儀控系統(tǒng)的檢測
入爐煤氣、空氣的流量檢測由管路孔板檢測差壓，經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(4~20mA)進(jìn)PLC。入爐煤氣、空氣的壓力從管路出壓口取煤氣壓力與大氣壓力比較所得差壓信號，經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)PLC。爐子的爐溫(S型)、換熱器處溫度(K型)由熱電偶檢測進(jìn)PLC。所有信號經(jīng)PLC分別計(jì)算轉(zhuǎn)換后，參與控制，并可在操作站顯示。
3.2 加熱爐壓力控制
為保證助燃空氣與煤氣壓力保持穩(wěn)定、使?fàn)t內(nèi)燃燒順利進(jìn)行，煤氣和空氣的壓力必須進(jìn)行控制。加熱爐爐內(nèi)壓力過高，過低都不恰當(dāng)，過高會使?fàn)t門噴火并損傷爐子設(shè)備，過低會使加熱爐吸入冷空氣，影響加熱爐燃燒質(zhì)量及效果，爐內(nèi)壓力的控制也很重要。
(1) 助燃空氣壓力控制
助燃空氣壓力的大小，是保證噴嘴正常工作的重要條件。助燃空氣壓力調(diào)節(jié)是PID調(diào)節(jié)。如果設(shè)定值與反饋值存在偏差，PID調(diào)節(jié)開始進(jìn)行，盡可能在短時(shí)間內(nèi)使偏差最小。當(dāng)反饋值大于設(shè)定值，經(jīng)PID運(yùn)算后向閥門輸出控制信號，使閥門關(guān)小，于是壓力下降，當(dāng)反饋值小于設(shè)定值，經(jīng)PID運(yùn)算向閥門輸出信號，使閥門開大，壓力升高。
(2) 煤氣壓力控制
煤氣壓力控制閥主要起安全保護(hù)作用，煤氣和空氣若是出現(xiàn)低壓，將會出現(xiàn)事故。所以在煤氣和空氣主管道上，分別裝有兩個(gè)低壓開關(guān)，在換熱器前后也各裝有一個(gè)。任意一個(gè)低壓開關(guān)動作，將會使煤氣主關(guān)斷閥都會自動關(guān)閉，停爐，保護(hù)加熱爐。
(3) 加熱爐爐內(nèi)壓力控制
爐內(nèi)壓力一般要求保持微正壓控制。爐壓滯后大，時(shí)間常數(shù)小，因此采用前饋—負(fù)反饋調(diào)節(jié)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)方塊圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)方塊圖

3.3 換熱器保護(hù)
常溫的煤氣、空氣通過換熱器后以300-4000C進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。換熱器的溫度不能過高，也不能過低。過高損壞設(shè)備，過低會使煤氣結(jié)露，生成弱酸腐蝕換熱器。

3.4 PlD調(diào)節(jié)
PID調(diào)節(jié)部分共16路,包括預(yù)熱段、加熱上段、加熱下段、均熱上段、均熱下段煤氣、空氣的溫度、流量等參數(shù)的控制。PID控制主要通過PID控制單元，該單元主要有以下特性:
(1) l00ms高速采樣周期，實(shí)現(xiàn)了高速PID控制;
(2) 輸入信號的抗干擾
濾波器衰減輸入噪音，控制輸入意外干擾，使PID控制成為有效的快速響應(yīng)系統(tǒng);
(3) 多種輸出規(guī)格可供選擇;
(4) 八組數(shù)據(jù)設(shè)置;
八個(gè)數(shù)值(如設(shè)定點(diǎn)(SP)和報(bào)警設(shè)置值)可以預(yù)置在八個(gè)數(shù)據(jù)組中;
(5) 可以用數(shù)據(jù)設(shè)定器輸入和顯示當(dāng)前值;
(6) 可以用PLC程序輸入和檢索數(shù)據(jù)。
同時(shí)我們通過PLC的程序?qū)崿F(xiàn)加熱爐的雙交叉限幅燃燒系統(tǒng)控制，從而實(shí)現(xiàn)了加熱爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
PID控制可以分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式，遠(yuǎn)程控制即通過PLC實(shí)現(xiàn)的控制，又有自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進(jìn)行全自動控制，不需要進(jìn)行人工干預(yù)。手動控制即在上位機(jī)上給定一個(gè)閥位輸出值，通過PLC對閥位進(jìn)行控制。在正常情況下都是在遠(yuǎn)程控制模式下的自動狀態(tài)進(jìn)行，并且每個(gè)PID控制回路的SV值、PV值、OUT值都可以在上位機(jī)上用棒圖顯示出來，非常直觀。
同時(shí)在上位機(jī)上可以很方便地修改各燃燒介質(zhì)溫度、壓力以及每個(gè)控制回路的PID參數(shù)，如設(shè)定值(SV)、“P”值、“I”值、“D”值，并且操作界面非常友好，操作方便。

4 雙交叉限幅燃燒系統(tǒng)
加熱爐所用空氣、煤氣流量波動頻繁，同時(shí)煤氣的熱值等因素也會影響燃燒效果。對這些不利因素，所用燃燒控制系統(tǒng)由溫度控制和流量控制組成，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了高、低選擇器、系統(tǒng)運(yùn)算單元和一些平衡換算單元，并輔有流量的溫壓補(bǔ)償，加熱區(qū)上下段的主副控制。
4.1 溫壓補(bǔ)償
在氣體流量控制中,由于氣體所處的溫度、壓力不同，需進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。在本加熱爐燃燒控制中，空氣流量溫壓補(bǔ)償設(shè)為K1計(jì)算公式如下:


按式(1)計(jì)算出的數(shù)值K1放在AOC149中，各空氣流量變送器測的實(shí)際數(shù)值乘以此穩(wěn)壓補(bǔ)償，在參與計(jì)算與控制。
煤氣流量溫壓補(bǔ)償設(shè)為K2,

按式(2)計(jì)算出的數(shù)值K2放在AOC150中，各煤氣流量變送器測的實(shí)際數(shù)值乘以此穩(wěn)壓補(bǔ)償，在參與計(jì)算與控制。

4.2 雙交叉限幅燃燒控制與實(shí)現(xiàn)
爐內(nèi)分預(yù)熱段、上加熱段、下加熱段、上均熱段、下均熱段。煤氣、空氣流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)共有十路，由于控制原理基本相同，現(xiàn)僅以均熱上段的燃燒控制為例進(jìn)行說明。
(1) 燃燒控制系統(tǒng)原理
在煤氣流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫PID的輸出A1與根據(jù)實(shí)測空氣流量折算成需的煤氣流量之后，分別乘以一個(gè)偏置系數(shù)K3，得到信號A2，乘以一個(gè)偏置系數(shù)K4得到信號A3，A1、A2、A3三者經(jīng)過高低選擇器比較，選中者作為煤氣流量PID的設(shè)定值。空氣流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫PID的輸出B1，與根據(jù)實(shí)測煤氣流量折算成所須空氣流量之后，分別乘上一個(gè)偏置系數(shù)K1得到信號B2，乘上偏置系數(shù)K2得到信號B3，B1、B2、B3三者經(jīng)高低選擇器比較，選中者乘上流量補(bǔ)償系數(shù)，送到空氣PID作為設(shè)定值。
其系統(tǒng)組成原理圖如圖3所示。

圖3 雙交叉限幅燃燒控制原理

(2) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程及特點(diǎn)
在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度PID的輸出以A1送到煤氣 流量調(diào)節(jié)回路PID作為設(shè)定值，以B1送到空氣流量調(diào)節(jié)回路PID作為設(shè)定值。
在負(fù)荷劇增(溫測<溫給)時(shí),溫度PID的輸出劇增.對于空氣流量調(diào)節(jié)回路,隨著B1開始增加時(shí),B1<B2,低選器選中B1,空氣流量增加,當(dāng)B1正跳變到B1>B2時(shí),低選器選中B2,B1被中斷,同時(shí)B3<B2,高選器選B2,B2作為該回路PID的設(shè)定值,使空氣流量隨著煤氣流量的增加而增加,交叉限制作用開始,當(dāng)B2增加到B2>B1時(shí),低選器又選中B1,B1又作為該回路PID設(shè)定值,交叉限制作用結(jié)束,系統(tǒng)穩(wěn)定。對于煤氣流量調(diào)節(jié)回路,隨著煤氣流量的增加,高選器選A1,而低選器中,開始時(shí)選A1作為該回路PID的設(shè)定值,煤氣流量增加,A1>A2時(shí),低選氣選A2,A1被中斷,煤氣流量隨著空氣流量增加而增加,交叉限制作用開始,當(dāng)A2增加到A2>A1時(shí),低選器又選A1,此時(shí)A1>A3,使交叉限制作用結(jié)束,系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。負(fù)荷劇減時(shí)相反。
可見負(fù)荷增加過程中，先開空氣后開煤氣，煤氣和空氣交替逐漸增加，從而保證充分燃燒，不產(chǎn)生黑煙。負(fù)荷減少時(shí)，先關(guān)煤氣后關(guān)空氣，空氣和煤氣交替逐漸減少，保證合理燃燒，不會空氣過剩，帶走熱量。
一般取:K1/K3=0.9,K2/K4=1.1。在運(yùn)行時(shí)再根據(jù)爐子結(jié)構(gòu)，煤氣熱值加以修正。

5 結(jié)束語
該系統(tǒng)應(yīng)用加熱爐后運(yùn)行穩(wěn)定，也降低操作者的勞動強(qiáng)度，受到生產(chǎn)廠家的好評;該系統(tǒng)的操作也非常方便，凡是需要修改的參數(shù)都可以在上位機(jī)或者監(jiān)控站上直接輸入，如變頻器的起/停、基準(zhǔn)頻率、每個(gè)PID控制回路的參數(shù)值等;另外，該系統(tǒng)價(jià)格低，投資少，降低了產(chǎn)品成本，效益顯著。