PID在首秦加熱爐燃燒系統(tǒng)中的應用

王密

摘要：本系統(tǒng)以首秦軋鋼加熱爐系統(tǒng)為基礎(chǔ)介紹加熱爐燃燒智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。其原理采用智能控制技術(shù)，合理優(yōu)化控制，使燃氣在爐內(nèi)能充分燃燒。事實證明：即比常規(guī)控制節(jié)省能源，又減少了大氣的污染、保護環(huán)境。

關(guān)鍵詞：加熱爐 煤氣 空氣 比例調(diào)節(jié) 串級調(diào)節(jié) 選擇調(diào)節(jié) 充分燃燒

中圖分類號：TK22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0085-01

加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)主要的耗能設(shè)備，而我廠自動控制技術(shù)研究課題是怎樣在保證被加熱后的鋼坯能夠進行有效軋制的前提下，降低加熱爐的能耗，加熱爐被控對象是一個非線性系統(tǒng)，是純滯后、大慣性、時變的。在生產(chǎn)中，還受到許多因素影響，而PID控適應能力差，因此采用常規(guī)控制方法很難取得滿意的效果。最后經(jīng)過無數(shù)次調(diào)試最終提出了一套關(guān)于加熱爐優(yōu)化設(shè)定控制方法。通過仿真試驗證明此種控制方案可行。

1 軟硬件設(shè)置

本系統(tǒng)在計算機上運行WINCC通用監(jiān)控系統(tǒng)支撐軟件，具有友好的動畫界面制作、開放的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡、強大的數(shù)據(jù)采集和處理能力、完善的事件和報警處理機制等工能。硬件采用西門子PLC，可靠性高、實時性強、體積小且堅固耐用。計算機設(shè)定控制參數(shù)，處理復雜的數(shù)據(jù)運算、存儲及查詢等工能，PLC內(nèi)運行設(shè)定的控制邏輯程序，完成控制功能。二者完好結(jié)合實現(xiàn)燃燒加熱控制的整個工藝過程。

2 熱損失與過?？諝庀禂?shù)的關(guān)系

各種熱損失與過?？諝庀禂?shù)之間的關(guān)系。其中：過?？諝庀禂?shù)是指實際空氣量與理論空氣量的比值。當過?？諝饴师谈吲c最佳燃燒區(qū)域時，熱效率下降（是原因是煙氣熱損耗增加），反之，μ值過低時，由于燃燒不完全而引起熱損失增加，且產(chǎn)生黑煙，污染環(huán)境。當燃燒控制在低空氣過剩率區(qū)域時，產(chǎn)生最佳燃燒，污染最小，空氣過剩率的數(shù)值大約在μ＝1.10附近。

2.1燃燒控制的方式

加熱爐燃燒系統(tǒng)是采用溫度流量雙交叉限幅并列串級控制的方式，溫度流量雙交叉限幅并列串級控制系統(tǒng)（略可向作者索?。?，HS為高選功能；LS為低選功能；K1為K4為交叉限幅系數(shù)；P為燃料對空氣量程比；B為空燃比；TSP為溫度設(shè)定值；TPV為爐溫檢測值；PVF、PVA分別為實測的燃料和空氣流量；F為燃料；A為空氣，L為加熱爐。

燃料流量回路：

空氣流量回路：

式中（１）～（４）分別由控制系統(tǒng)中燃料和空氣流量PID控制回路的特殊功能程序完成計算。是采用溫度流量雙交叉限幅并列串級控制的方式，使燃料和空氣分別由對方測量值PV求出自己流量的上、下限幅，在這個范圍內(nèi)，既無過剩燃料，又無過剩空氣，并用交叉限幅系數(shù)K1～K4，把接收的溫度信號對流量的設(shè)定值控制在最佳燃燒區(qū)，使得爐內(nèi)負荷變大時（升溫），空氣先行，負荷減小時（降溫），燃料先行，使燃燒過程在熱效率最高的低過剩燃燒區(qū)進行，防止產(chǎn)生黑煙和不必要的廢氣，從而能有效地節(jié)省能源，保護環(huán)境。

根據(jù)以往傳統(tǒng)的控制方法，一般將溫度和煤氣做串級調(diào)節(jié)，再將煤氣和空氣做比例調(diào)節(jié)。我最初分別試用了兩大方案，其控制原理如下。這兩種控制方案雖然實現(xiàn)了控制鋼坯溫度和煤氣、空氣配比進爐燃燒的要求，但第一種方案當鋼坯溫度小于設(shè)定值時，空氣流量增加在煤氣之后，第二種方案當鋼坯溫度大于給定值時，空氣流量減小在煤氣之前。在調(diào)節(jié)過程中，這顯然都會造成煤氣的不完全燃燒。因此，這兩種傳統(tǒng)控制方案都不能滿足實際要求。

穩(wěn)定情況下，鋼坯溫度被控制在給定值。當出現(xiàn)擾動，溫度測量值低于給定值時，溫度調(diào)節(jié)器的輸出開始增大，通過最大值選擇模塊選擇最大值X輸出，乘上比例常數(shù)K，使空氣流量調(diào)節(jié)器的給定值增大，在調(diào)節(jié)器的作用下，空氣流量就開始增大，同時，在最小值選擇模塊的作用下選擇X1輸出，除以比例常數(shù)K，空氣流量信號就變?yōu)橄鄬γ簹饬髁康慕o定值，隨著空氣流量的增大，也即增大了煤氣給定值，在煤氣調(diào)節(jié)器的作用下，使煤氣流量承受著空氣流量增大之后增大，直到三量均衡，測量值回到給定值。而當溫度測量值高于給定值時，溫度調(diào)節(jié)器的輸出開始減小，通過最小值選擇模塊選擇最小值X輸出，作為煤氣流量調(diào)節(jié)器的給定值，在調(diào)節(jié)器的作用下，煤氣流量就先開始減小，同時，在最大值選擇模塊的作用下選擇最大值X1輸出，煤氣流量信號就變?yōu)橄鄬諝饬髁康慕o定值，隨著煤氣流量的減小，也即減小了空氣給定值，在空氣調(diào)節(jié)器的作用下，使空氣流量隨著煤氣流量減小之后減小，直到三量均衡，測量值回到給定值。

3 交叉限幅控制

3.1煤氣調(diào)節(jié)設(shè)定值

TIC溫度PID調(diào)節(jié)輸出值與的值比較其中大的值與的值比較其中小的值/100為煤氣調(diào)節(jié)設(shè)定值。

3.2助燃空氣調(diào)節(jié)設(shè)定值

TIC溫度PID調(diào)節(jié)輸出值與的值比較其中小的值與的值比較其中大的值/100為助燃空氣調(diào)節(jié)設(shè)定值。

4 控制系統(tǒng)的軟件功能

4.1數(shù)據(jù)采集和操作控制

加熱爐各項數(shù)據(jù)輸入PLC，參與PLC程序的運算處理和控制，實現(xiàn)PID閉環(huán)回路調(diào)節(jié)控制和運算、聯(lián)鎖邏輯。計算機上應用WINCC通用監(jiān)控系統(tǒng)支撐軟件，設(shè)置形象逼真的動態(tài)畫面，以數(shù)值和曲線等方式顯示PLC的采集數(shù)據(jù)和控制效果、工藝流程，并通過設(shè)定界面調(diào)整PID設(shè)置參數(shù)和控制給定值。在實際控制中，必須調(diào)整好空氣及煤氣調(diào)節(jié)的PID參數(shù)，以便對被控量能夠及時穩(wěn)定的進行調(diào)節(jié)，避免超調(diào)停爐。

4.2聯(lián)鎖控制

當不利情況引起空氣不足時，應使爐子自動滅火，在設(shè)計中增加了兩個運算模塊，將測量的空氣流量和煤氣流量做除法得出比例常數(shù)，與預定的最小比例常數(shù)相比較，當該得出的比例常數(shù)小于4值時，由控制站輸出相應聯(lián)鎖信號，控制煤氣電磁閥關(guān)閉，從而關(guān)閉所有燒嘴，至此使燃燒系統(tǒng)關(guān)閉。當停爐時，由于煤氣流量為零，我在設(shè)計中空氣流量除以煤氣流量就會引起算機除零錯誤，通過把煤氣測量的量程下限設(shè)置為一個非零小數(shù)，以避免因機器除零錯誤而引起系統(tǒng)報警聯(lián)鎖。

5 結(jié)語

在加熱爐爐溫控制中，采用PID控制方式同時對其參數(shù)進行優(yōu)化，可以取得很好的效果，并將燃燒控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化，對提高鋼坯加熱質(zhì)量、減少有害物質(zhì)排放量、節(jié)能環(huán)保都十分有益。

參考文獻

[1] 馬峰，張曉友.加熱爐煤氣熱值測量及燃燒控制系統(tǒng)[J].自動化儀表，2001（2）：41－42.

[2] 童朝獻，張宏偉.冶金生產(chǎn)過程計算機控制[M].冶金工業(yè)出版社，1993.

[3] 徐世許.可編程序控制器原理應用網(wǎng)絡[M].中國科學技術(shù)大學出版社，2000.

[4] 汪小澄，張峰.PLC控制網(wǎng)絡的組建與監(jiān)控[J].計算機應用，2002，22（4）：34.