臺車式退火爐PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

胡玲艷 唐 鍇

(大連大學(xué)信息工程學(xué)院1，遼寧 大連 116622;大連萬通工業(yè)裝備有限公司2，遼寧 大連 116023)

0 引言

臺車式退火爐作為冶金及機械行業(yè)常用的熱處理設(shè)備，主要用來完成最后的熱處理工序，其基本過程是根據(jù)控制工藝曲線，提供準(zhǔn)確的升溫、保溫和降溫操作，同時保證爐內(nèi)各處的溫度均勻。該熱處理工序控制的好壞將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。基于PLC控制技術(shù)，對臺車爐熱處理過程進行設(shè)計是目前冶金領(lǐng)域采用較多的方法，程序控制使臺車爐控制系統(tǒng)更易于優(yōu)化，控制過程更易于調(diào)節(jié);通過對算法的優(yōu)化設(shè)計，可使控溫精度更高，爐溫均勻性更好。本文以包鋼集團某分廠設(shè)計調(diào)試的一燃?xì)馀_車式退火爐為研究背景，分析其各級控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計過程。

1 設(shè)備工藝特點

臺車爐有效面積為35 m2，最大裝爐量為55 t，最高爐溫為700℃，控制點溫度為680℃，控制上爐溫偏差要求小于±5 K，升溫速度為100～150℃/h。爐子的控制策略和操作參數(shù)將決定爐子的熱處理效果，進而影響爐子的生產(chǎn)指標(biāo)。對于結(jié)構(gòu)特性一定的爐子，算法控制形式及優(yōu)化方式是影響爐子性能指標(biāo)的最大因素。因此，所設(shè)計的控制系統(tǒng)要能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地優(yōu)化各控制環(huán)節(jié)及參數(shù)，以獲得最優(yōu)化的生產(chǎn)指標(biāo)，使設(shè)備可靠、高效地運行[1]。

2 控制系統(tǒng)組成

針對該退火爐的工藝特性及控制要求，設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、爐壓控制系統(tǒng)和低壓電氣連鎖控制系統(tǒng)等幾部分。

2.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵參數(shù)，為保證控溫的均勻性，系統(tǒng)針對爐體采取分區(qū)控制，將臺車爐沿縱向分為3個控溫區(qū)。對于每個控溫區(qū)，為保證控溫精度，均采用西門子STEP7環(huán)境下的PID算法模塊對其進行優(yōu)化設(shè)計。

設(shè)計中，采用具有專家思想的PID限幅控制，即通過比較設(shè)定值與實際溫度，計算偏差D;然后根據(jù)偏差D的不同，對PID輸出設(shè)置不同的最大限幅值Max和最小限幅值Min[2]。當(dāng)偏差D大于15 K時，將PID輸出最大限幅值設(shè)為20%;當(dāng)偏差D大于10 K且小于15 K時，將PID輸出最大限幅值設(shè)為50%;當(dāng)偏差D大于－5 K小于10 K時，將PID輸出最大限幅值設(shè)為80%;將其他情況下的PID輸出最大限幅值設(shè)為100%。該系統(tǒng)的PID輸出最小限幅值始終設(shè)為20%，而偏差分度根據(jù)工藝可以在程序中加以調(diào)整。

實踐證明，該控制方式在很大程度上抑制了系統(tǒng)的超調(diào);同時配合不同加熱模式下的程控脈沖分頻技術(shù)，可實現(xiàn)爐溫的精確控制，并確保溫度的均勻性[3－4]。當(dāng)煤氣壓力產(chǎn)生波動時，PLC 程序可以加入前饋控制，以確保燒嘴供應(yīng)熱能的平穩(wěn)性和均勻性。此外，溫度控制分別設(shè)有自動和手動模式，自動模式完全通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)，手動模式則通過手動方式干預(yù)燒嘴工作狀態(tài)，從而達(dá)到在特殊情況下調(diào)節(jié)和控制爐溫的目的[5－6]。

算法控制流程如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flowchart of temperature control system

2.2 燃燒控制系統(tǒng)

系統(tǒng)分為爐前、爐中和爐后3個控制區(qū)，每個控制區(qū)控制4個燒嘴，并配有一套相應(yīng)的燃燒設(shè)備，構(gòu)成相互獨立的PLC閉環(huán)溫度控制子系統(tǒng)。燃燒控制過程采用專門設(shè)計的燒嘴點火控制器，即可配合上位機監(jiān)控系統(tǒng)很好地實現(xiàn)燒嘴的安全啟動、運行指示、故障報警等功能[7－8]。

燃燒控制系統(tǒng)設(shè)有自動火焰監(jiān)控和斷電關(guān)閥保護功能，一旦燒嘴熄火，控制系統(tǒng)會立即切斷煤氣電磁閥并報警。同時，在氣源壓力充足的條件下，所有閥門具有掉電自復(fù)位功能，一旦停電即自動切斷閥門，以防止安全事故的發(fā)生。

燃燒控制過程啟動流程如圖2所示。

圖2 燃燒控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flowchart of combustion control system

在燃燒控制方式上，為提高溫度控制精度，利用STEP7編程語句自主開發(fā)了脈沖燃燒控制程序。脈沖燃燒控制是目前比較先進的燃燒控制方式。在脈沖燃燒控制中，燒嘴只在開/關(guān)2種狀態(tài)下工作，用戶可根據(jù)對燒嘴的功率、混合比、噴出速度等要求，將燒嘴一次性調(diào)整到最佳狀態(tài)。這樣每次啟動燒嘴時，燒嘴都處于最佳工作狀態(tài)，對于提高燃燒效率和降低排放物污染水平都將產(chǎn)生明顯效果。通過多個燒嘴配合工作產(chǎn)生的熱氣流也可在爐內(nèi)產(chǎn)生分布均勻的溫度場，從而提高被處理工件的質(zhì)量[9－10]。

在程序控制中，通過熱電偶采集爐溫信號并發(fā)送到PLC，再經(jīng)與設(shè)定工藝曲線溫度相比較和PID運算后輸出控制值。根據(jù)輸出值大小判斷是加熱還是冷卻，同時計算出用于分頻控制的操作值。在設(shè)計過程中，首先，根據(jù)燒嘴個數(shù)，設(shè)置一組定時器，并設(shè)定其工作時間，定時器工作時間即脈沖寬度，該值可通過上位機監(jiān)控界面根據(jù)系統(tǒng)表現(xiàn)實時輸入和調(diào)整;然后，根據(jù)操作值計算各燒嘴的延時啟動時間，并設(shè)置另外一組延時啟動定時器，以控制各燒嘴的啟動時序。

各定時器最終控制燒嘴的循環(huán)有序工作，其程序流程如圖3所示。

圖3 脈沖程序流程圖Fig.3 Flowchart of the impulse program

2.3 壓力控制系統(tǒng)

該爐分別設(shè)有爐膛壓力自控系統(tǒng)、煤氣高低壓報警以及超低壓緊急切斷系統(tǒng)、助燃風(fēng)壓力自控系統(tǒng)和壓縮空氣壓力超限報警系統(tǒng)。所有的壓力點均通過PLC程序監(jiān)控，可保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，防止危險狀況的發(fā)生。

爐膛壓力自控系統(tǒng)由壓力變送器、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電動蝶閥組成。臺車爐安裝有微差壓變送器檢測爐膛壓力，在換熱器煙氣出口安裝排煙調(diào)節(jié)蝶閥，通過調(diào)節(jié)排煙量控制爐壓。在煤氣管道上安裝高低壓壓力開關(guān)，實時檢測煤氣壓力;當(dāng)出現(xiàn)欠壓時，由PLC發(fā)出聲光報警信號;當(dāng)煤氣壓力低于最低允許值時，系統(tǒng)會緊急停車。在助燃風(fēng)機出口的管道上安裝有低壓壓力開關(guān)，可實時檢測助燃風(fēng)壓力。助燃風(fēng)和煤氣的壓力信號則作為主管道上的切斷閥開啟信號和燒嘴工作的啟動信號。

3 上位機管理系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機選用研華工業(yè)控制計算機，并配備專用通信控制卡、打印機和UPS不間斷電源。上位機監(jiān)控軟件采用WinCC運行平臺。

系統(tǒng)存儲量大、速度快、抗干擾性強、可靠性高。其中，參數(shù)顯示界面可直觀地顯示整個系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)和各主要參數(shù)(各區(qū)溫度、壓力等)的測控值;過程曲線界面能實時顯示各個檢測點溫度和時間的變化，并具有局部放大功能。這些曲線作為歷史記錄，能隨時調(diào)用、顯示。所有實測值具有定時存盤和打印功能，定時的時間(最小間隔時間5 min)可任意設(shè)定。這樣以動態(tài)圖形、數(shù)據(jù)表格、過程曲線實時顯示各設(shè)備運行狀況，可使人機交互過程更簡單、直觀、方便。

4 應(yīng)用效果

系統(tǒng)于2009年1月開始施工，2009年5月調(diào)試完畢后進入穩(wěn)定運行階段。截止目前，系統(tǒng)運行良好、故障率低、控溫精度高。系統(tǒng)運行過程中某時間段的控制曲線如圖4所示。

圖4 實際運行畫面Fig.4 Graphics of practical operation

圖4中，共有4條曲線，分別為設(shè)定曲線及根據(jù)工藝劃分的3個溫度控制區(qū)的運行曲線。

由圖4可知，爐前、爐中、爐后3條溫度曲線在進入加熱段后，很快地跟蹤了設(shè)定曲線，各控制點溫度一致性較好。這就表明爐內(nèi)溫度分布較均勻，尤其在保溫階段，爐膛溫度較好地控制在(680±5)℃，很好地滿足了工藝要求。冷卻階段采用自然冷卻方式，無需加以控制。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)基于PLC技術(shù)，對臺車式退火爐控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了控溫過程基于專家思想的算法設(shè)計，完成了燃燒控制過程的燒嘴自動點火監(jiān)控及脈沖分頻程序設(shè)計，并完善了上位機監(jiān)管系統(tǒng)的功能。整個系統(tǒng)操作靈活、操作成本、熱處理質(zhì)量高。自主研發(fā)的程控脈沖分頻程序具有較強的實用價值。脈沖燃燒技術(shù)也正在我國逐步推廣應(yīng)用，該技術(shù)對降低能耗、減少污染、提高產(chǎn)品質(zhì)量將發(fā)揮重要作用。

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