基于PLC的步進式鋼管淬火爐燃燒控制系統(tǒng)的設計和應用

摘 要：淬火爐燃燒控制一般采用基于PID的串級并行控制方法。該方法對實際的空氣過剩率并沒有有力的控制能力。鞍山鋼鐵公司無縫鋼管廠管加工二車間步進式鋼管淬火爐控制系統(tǒng)解決了這個問題，將爐溫穩(wěn)定控制在€？度，為同類淬火爐燃燒控制技術的設計和應用提供了借鑒。

關鍵詞：淬火爐 燃燒控制系統(tǒng) PLC 雙交叉限幅控制

一、引言

鞍山鋼鐵公司無縫鋼管廠管加工二車間生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)直徑為€%O60.32～194.46mm，壁厚為5.0～16.0 mm，長度≤12.5m的熱處理無縫鋼管10萬噸，主要生產(chǎn)API 5CT、 API 5L 、A106、A53、GB5310等標準規(guī)定的油套管、管線管、高壓鍋爐管等所有產(chǎn)品。主要燃料為高、轉、焦混合煤氣，熱處理方式為正火、淬火+回火、正火+回火。

淬火爐做為熱處理生產(chǎn)線的關鍵設備，完成對鋼管的正火、淬火的處理。淬火爐生產(chǎn)工藝是利用燒嘴將煤氣與空氣合理配比，噴入爐內燃燒，對爐內鋼管加熱至要求的溫度和時間后，將鋼管出爐送至淬火機（水站）。爐內溫度是淬火爐最重要的工藝參數(shù)，因此燃燒控制系統(tǒng)的好壞直接影響鋼管的產(chǎn)品質量。

二、燃燒控制工藝過程

淬火爐配有大調節(jié)比的煤氣燒嘴，沿爐長方向分為預熱段、加熱段和均熱段，由于鋼管長度范圍較大，在爐寬方向上加熱段和均熱段又分為左、中、右三個區(qū)進行燃燒和溫度控制，保證爐寬和鋼管長度上的溫度均勻。整個爐子共分為6個供熱和溫度控制區(qū)，每個區(qū)設4-5個燒嘴，總計30個燒嘴，爐膛最高溫度為1020℃。淬火爐加熱時間平均約為30分鐘，其中保溫時間約為10分鐘。

三、系統(tǒng)組成

步進式鋼管淬火爐燃燒控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場裝置與PLC控制系統(tǒng)組成，現(xiàn)場裝置包括熱電偶、內陀螺式流量計、氣動端面密封蝶閥、氣動快速切斷閥、火焰監(jiān)測器等，主要負責燃燒控制運行過程中工藝參數(shù)的采集，并根據(jù)PLC的控制信號對過程設備進行自動操作。PLC系統(tǒng)負責通過空氣、煤氣流量的實時調節(jié)，實現(xiàn)對爐溫的自動控制。硬件占用單獨機柜，柜內有機架2個，采用西門子S7-300系列，軟件采用WinCC及Step7，人機接口HMI采用研華610H系列工控機。

四、燃燒控制系統(tǒng)控制功能分析

熱處理爐控制系統(tǒng)中最關鍵的部分是爐溫及燃燒控制。它對于溫度控制的準確，鋼管加熱溫度的均勻，合理地進行燃燒，防止冒黑煙，節(jié)約燃料，減少有害氣體對環(huán)境的污染，都具有重要意義。

（一）溫度信號的選擇

淬火爐在每個溫度分區(qū)均設置兩根熱電偶，同時工作，數(shù)據(jù)同時出送至PLC系統(tǒng)，PLC中對兩個溫度數(shù)據(jù)同時運算。上位機WinCC運行畫面中可選擇以溫度平均值或任意一個溫度值為溫度過程信號。一旦一只熱電偶損壞，另外熱電偶在PLC系統(tǒng)中可無擾切換為運行數(shù)據(jù)熱電偶。

（二）雙交叉限幅燃燒控制

雙交叉限幅燃燒控制是采用煤氣流量和空氣流量的實測值來分別對副回路控制器的空氣流量和煤氣流量的設定值進行限幅，通過相互制約防止負荷變化很快時出現(xiàn)煤氣或空氣的過渡過剩。

所謂雙交叉就是煤氣折算流量Ig和空氣折算流量Ia通過一些環(huán)節(jié)，各自送入對方的主調節(jié)系統(tǒng)。煤氣流量Ig直接送入第二重比例積分（PI1）調節(jié)運算單元中去，作為煤氣流量的被調參數(shù)；此Ig還通過增量單元+K4或-K2，與空氣量調節(jié)的第三重比例積分（PI2）運算單元聯(lián)系起來，這就叫煤氣流量與空氣調節(jié)回路的交叉。空氣流量與煤氣調節(jié)回路的交叉同理。所謂限幅就是通過增量單元，使閥門開度每一次的變化量限制在某一值范圍內，目的是使爐溫較平緩的變化。所謂高值選擇與低值選擇就是進入高值選擇單元的兩參數(shù)，只允許大的參數(shù)值通過，小參數(shù)值不能通過。進入低值選擇單元的兩參數(shù)同理。

五、控制結果

圖1是淬火爐均熱段一區(qū)在一個工作班次即8小時內的溫度控制結果曲線圖，由上位監(jiān)控軟件WinCC記錄。圖中紅藍兩條曲線為該溫區(qū)熱電偶TE-101、TE-102實時值，黑色為爐溫設定值，綠色為兩只熱電偶的平均值。由圖中更可以看到，在穩(wěn)定生產(chǎn)階段，溫度的平均值與設定值間的溫差僅為€？度，控制效果非常理想。

圖1 爐溫控制結果曲線圖

六、結束語

鞍山鋼鐵公司無縫鋼管廠管加工二車間淬火爐自投產(chǎn)運行以來，溫度控制的各項指標均到達了國內先進水平，在PID爐溫控制的基礎上增加了雙交叉限幅控制是該燃燒控制系統(tǒng)的主要特點，展示出穩(wěn)定優(yōu)秀的控制性能，為生產(chǎn)的順利進行提供了保證，也為國內熱處理爐的提供了借鑒與示范作用。

（作者單位：中冶東方工程技術有限公司秦皇島研究設計院自動化所）

參考文獻：

[1]袁善華. 高線步進梁加熱爐控制系統(tǒng)設計與應用[D]. 南昌：南昌大學碩士論文，2009：12-28.

[2]左為恒，李昌春，鄧力. 型鋼燃氣加熱爐燃燒機理及控制方式研究[J]. 自動化技術與應用，2008（1）：21-23.