PID在首秦加熱爐燃燒系統中的應用

王密

摘要：本系統以首秦軋鋼加熱爐系統為基礎介紹加熱爐燃燒智能控制系統的實現。其原理采用智能控制技術，合理優化控制，使燃氣在爐內能充分燃燒。事實證明：即比常規控制節省能源，又減少了大氣的污染、保護環境。

關鍵詞：加熱爐 煤氣 空氣 比例調節 串級調節 選擇調節 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

加熱爐是軋鋼生產企業主要的耗能設備，而我廠自動控制技術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，是純滯后、大慣性、時變的。在生產中，還受到許多因素影響，而PID控適應能力差，因此采用常規控制方法很難取得滿意的效果。最后經過無數次調試最終提出了一套關于加熱爐優化設定控制方法。通過仿真試驗證明此種控制方案可行。

1 軟硬件設置

本系統在計算機上運行WINCC通用監控系統支撐軟件，具有友好的動畫界面制作、開放的數據接口和網絡、強大的數據采集和處理能力、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。計算機設定控制參數，處理復雜的數據運算、存儲及查詢等工能，PLC內運行設定的控制邏輯程序，完成控制功能。二者完好結合實現燃燒加熱控制的整個工藝過程。

2 熱損失與過剩空氣系數的關系

各種熱損失與過剩空氣系數之間的關系。其中：過剩空氣系數是指實際空氣量與理論空氣量的比值。當過剩空氣率μ高與最佳燃燒區域時，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，且產生黑煙，污染環境。當燃燒控制在低空氣過剩率區域時，產生最佳燃燒，污染最小，空氣過剩率的數值大約在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（略可向作者索取），HS為高選功能；LS為低選功能；K1為K4為交叉限幅系數；P為燃料對空氣量程比；B為空燃比；TSP為溫度設定值；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，既無過剩燃料，又無過剩空氣，并用交叉限幅系數K1～K4，把接收的溫度信號對流量的設定值控制在最佳燃燒區，使得爐內負荷變大時（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進行，防止產生黑煙和不必要的廢氣，從而能有效地節省能源，保護環境。

根據以往傳統的控制方法，一般將溫度和煤氣做串級調節，再將煤氣和空氣做比例調節。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。在調節過程中，這顯然都會造成煤氣的不完全燃燒。因此，這兩種傳統控制方案都不能滿足實際要求。

穩定情況下，鋼坯溫度被控制在給定值。當出現擾動，溫度測量值低于給定值時，溫度調節器的輸出開始增大，通過最大值選擇模塊選擇最大值X輸出，乘上比例常數K，使空氣流量調節器的給定值增大，在調節器的作用下，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K，空氣流量信號就變為相對煤氣流量的給定值，隨著空氣流量的增大，也即增大了煤氣給定值，在煤氣調節器的作用下，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，溫度調節器的輸出開始減小，通過最小值選擇模塊選擇最小值X輸出，作為煤氣流量調節器的給定值，在調節器的作用下，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，煤氣流量信號就變為相對空氣流量的給定值，隨著煤氣流量的減小，也即減小了空氣給定值，在空氣調節器的作用下，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煤氣調節設定值

TIC溫度PID調節輸出值與的值比較其中大的值與的值比較其中小的值/100為煤氣調節設定值。

3.2助燃空氣調節設定值

TIC溫度PID調節輸出值與的值比較其中小的值與的值比較其中大的值/100為助燃空氣調節設定值。

4 控制系統的軟件功能

4.1數據采集和操作控制

加熱爐各項數據輸入PLC，參與PLC程序的運算處理和控制，實現PID閉環回路調節控制和運算、聯鎖邏輯。計算機上應用WINCC通用監控系統支撐軟件，設置形象逼真的動態畫面，以數值和曲線等方式顯示PLC的采集數據和控制效果、工藝流程，并通過設定界面調整PID設置參數和控制給定值。在實際控制中，必須調整好空氣及煤氣調節的PID參數，以便對被控量能夠及時穩定的進行調節，避免超調停爐。

4.2聯鎖控制

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，與預定的最小比例常數相比較，當該得出的比例常數小于4值時，由控制站輸出相應聯鎖信號，控制煤氣電磁閥關閉，從而關閉所有燒嘴，至此使燃燒系統關閉。當停爐時，由于煤氣流量為零，我在設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置為一個非零小數，以避免因機器除零錯誤而引起系統報警聯鎖。

5 結語

在加熱爐爐溫控制中，采用PID控制方式同時對其參數進行優化，可以取得很好的效果，并將燃燒控制系統進一步優化，對提高鋼坯加熱質量、減少有害物質排放量、節能環保都十分有益。

參考文獻

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