PLC及特殊功能模塊在加熱爐自控中的應用

1 引言
萊鋼軋鋼廠中小型車間加熱爐為步進爐，用來對連鑄坯進行加熱。使用燃料為高爐和焦爐混合煤氣，鋼坯需要經五段加熱區加熱到適當溫度后出爐。加熱爐燃燒介質各參數的穩定運行非常重要，它直接影響到燒坯的質量,并涉及著安全生產等重大問題。在生產過程中對加熱爐爐壓和溫度的穩定有嚴格的要求，比如燃氣的流量和溫度等等。要想實現這些參數的穩定，并且達到較好地配比有不同的方法可以實現。爐區儀控的熱工檢測控制量共573點，其中模擬量輸入98點，模擬量輸出24點，開關量輸入261點，開關量輸出190點。調節回路16套，分別對加熱爐的煤氣、空氣的流量、壓力，爐內溫度，換熱器的保護等進行控制。

隨著微電子技術的發展，PLC產品在其功能和性能指標上都大大地豐富和完善，因此，我們就應用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參數進行自動控制，包括前面提到的各種參數、以及通過PLC和變頻器的通訊實現對變頻器輸出頻率的控制。

2 系統構成
本系統上選用一臺上位機MASTER VIEW,一臺監控站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、運行可靠、功能較強的特點。本系統大致可以分為三個部分;
(1) 儀控系統以及PID調節部分;
(2) 雙交叉限幅燃燒系統;
(3) PLC和變頻器的通訊部分。
系統構成框圖如圖1所示。

圖1 系統配置圖

3 儀控系統組成及控制功能
現儀控系統16套自動調節回路中，均采用PID調節，操作方式分為自動、手動方式，執行機構有14套電動方式、2套液動方式。操作站實行對爐子的狀態監控、意外事件報警等功能。

3.1 儀控系統的檢測
入爐煤氣、空氣的流量檢測由管路孔板檢測差壓，經差壓變送器轉換成標準信號(4~20mA)進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，經差壓變送器轉換成標準信號進PLC。爐子的爐溫(S型)、換熱器處溫度(K型)由熱電偶檢測進PLC。所有信號經PLC分別計算轉換后，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定、使爐內燃燒順利進行，煤氣和空氣的壓力必須進行控制。加熱爐爐內壓力過高，過低都不恰當，過高會使爐門噴火并損傷爐子設備，過低會使加熱爐吸入冷空氣，影響加熱爐燃燒質量及效果，爐內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。助燃空氣壓力調節是PID調節。如果設定值與反饋值存在偏差，PID調節開始進行，盡可能在短時間內使偏差最小。當反饋值大于設定值，經PID運算后向閥門輸出控制信號，使閥門關小，于是壓力下降，當反饋值小于設定值，經PID運算向閥門輸出信號，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作用，煤氣和空氣若是出現低壓，將會出現事故。所以在煤氣和空氣主管道上，分別裝有兩個低壓開關，在換熱器前后也各裝有一個。任意一個低壓開關動作，將會使煤氣主關斷閥都會自動關閉，停爐，保護加熱爐。
(3) 加熱爐爐內壓力控制
爐內壓力一般要求保持微正壓控制。爐壓滯后大，時間常數小，因此采用前饋—負反饋調節。系統調節方塊圖如圖2所示。

圖2 系統調節方塊圖

3.3 換熱器保護
常溫的煤氣、空氣通過換熱器后以300-4000C進入爐內燃燒。換熱器的溫度不能過高，也不能過低。過高損壞設備，過低會使煤氣結露，生成弱酸腐蝕換熱器。

3.4 PlD調節
PID調節部分共16路,包括預熱段、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，實現了高速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系統;
(3) 多種輸出規格可供選擇;
(4) 八組數據設置;
八個數值(如設定點(SP)和報警設置值)可以預置在八個數據組中;
(5) 可以用數據設定器輸入和顯示當前值;
(6) 可以用PLC程序輸入和檢索數據。
同時我們通過PLC的程序實現加熱爐的雙交叉限幅燃燒系統控制，從而實現了加熱爐的穩定運行。
PID控制可以分為本地控制和遠程控制兩種模式，遠程控制即通過PLC實現的控制，又有自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進行全自動控制，不需要進行人工干預。手動控制即在上位機上給定一個閥位輸出值，通過PLC對閥位進行控制。在正常情況下都是在遠程控制模式下的自動狀態進行，并且每個PID控制回路的SV值、PV值、OUT值都可以在上位機上用棒圖顯示出來，非常直觀。
同時在上位機上可以很方便地修改各燃燒介質溫度、壓力以及每個控制回路的PID參數，如設定值(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
加熱爐所用空氣、煤氣流量波動頻繁，同時煤氣的熱值等因素也會影響燃燒效果。對這些不利因素，所用燃燒控制系統由溫度控制和流量控制組成，在控制系統中設計了高、低選擇器、系統運算單元和一些平衡換算單元，并輔有流量的溫壓補償，加熱區上下段的主副控制。
4.1 溫壓補償
在氣體流量控制中,由于氣體所處的溫度、壓力不同，需進行溫壓補償。在本加熱爐燃燒控制中，空氣流量溫壓補償設為K1計算公式如下:


按式(1)計算出的數值K1放在AOC149中，各空氣流量變送器測的實際數值乘以此穩壓補償，在參與計算與控制。
煤氣流量溫壓補償設為K2,

按式(2)計算出的數值K2放在AOC150中，各煤氣流量變送器測的實際數值乘以此穩壓補償，在參與計算與控制。

4.2 雙交叉限幅燃燒控制與實現
爐內分預熱段、上加熱段、下加熱段、上均熱段、下均熱段。煤氣、空氣流量調節系統共有十路，由于控制原理基本相同，現僅以均熱上段的燃燒控制為例進行說明。
(1) 燃燒控制系統原理
在煤氣流量調節回路中，爐溫PID的輸出A1與根據實測空氣流量折算成需的煤氣流量之后，分別乘以一個偏置系數K3，得到信號A2，乘以一個偏置系數K4得到信號A3，A1、A2、A3三者經過高低選擇器比較，選中者作為煤氣流量PID的設定值?？諝饬髁空{節回路中，爐溫PID的輸出B1，與根據實測煤氣流量折算成所須空氣流量之后，分別乘上一個偏置系數K1得到信號B2，乘上偏置系數K2得到信號B3，B1、B2、B3三者經高低選擇器比較，選中者乘上流量補償系數，送到空氣PID作為設定值。
其系統組成原理圖如圖3所示。

圖3 雙交叉限幅燃燒控制原理

(2) 系統調節過程及特點
在系統穩定狀態時，溫度PID的輸出以A1送到煤氣 流量調節回路PID作為設定值，以B1送到空氣流量調節回路PID作為設定值。
在負荷劇增(溫測<溫給)時,溫度PID的輸出劇增.對于空氣流量調節回路,隨著B1開始增加時,B1<B2,低選器選中B1,空氣流量增加,當B1正跳變到B1>B2時,低選器選中B2,B1被中斷,同時B3<B2,高選器選B2,B2作為該回路PID的設定值,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B2增加到B2>B1時,低選器又選中B1,B1又作為該回路PID設定值,交叉限制作用結束,系統穩定。對于煤氣流量調節回路,隨著煤氣流量的增加,高選器選A1,而低選器中,開始時選A1作為該回路PID的設定值,煤氣流量增加,A1>A2時,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A2增加到A2>A1時,低選器又選A1,此時A1>A3,使交叉限制作用結束,系統恢復穩定。負荷劇減時相反。
可見負荷增加過程中，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，不產生黑煙。負荷減少時，先關煤氣后關空氣，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。在運行時再根據爐子結構，煤氣熱值加以修正。

5 結束語
該系統應用加熱爐后運行穩定，也降低操作者的勞動強度，受到生產廠家的好評;該系統的操作也非常方便，凡是需要修改的參數都可以在上位機或者監控站上直接輸入，如變頻器的起/停、基準頻率、每個PID控制回路的參數值等;另外，該系統價格低，投資少，降低了產品成本，效益顯著。