步進式加熱爐自動控制系統設計

解韶峰 崔桂梅 李愛蓮

（內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭014010）

0 引言

鋼坯在軋制以前都要進行熱處理，保證軋制的溫度，細化鋼坯內部的晶粒結構。 步進式加熱爐就是滿足軋制工藝的熱處理設備。 課題來源于包鋼無縫鋼管廠步進式加熱爐工程項目。包鋼無縫廠為適應鋼管市場需求的多樣性、復雜性，對￠180 機組中步進式加熱爐及再加熱與熱處理爐控制環節進行全面的改造，以提升步進式加熱爐及再加熱與熱處理工藝的科學性與合理性。

1 系統組成與工作原理

整個控制系統由電氣控制和過程控制兩大部分組成。電氣控制的最終目的是保證荒管在加熱爐內順利的傳輸，維持荒管對軋機的供應量。 這需要各種電氣設備密切配合，嚴格按照時序動作，包括輥道控制、爐門控制、步進梁控制、翻鋼機控制等，以開關量為主體；步進式加熱爐的過程控制系統完成控制然氣和空氣的流量來調節燃燒過程，保證爐溫穩定在設定值，波動不超過允許的偏差，從而確保荒管能被均勻地加熱到符合工藝要求的溫度。通常的溫控系統是利用實際測量值與預設值的偏差量來調節燃氣管道及空氣管道的流量控制閥門，以實現爐膛溫度恒定。對大型加熱爐，其爐長方向可設置多個溫度可控段，大致為預熱段、加熱段、均熱段，鋼坯在向前步進的過程中，要求其加熱過程要接近于該鋼坯的理想加熱曲線，根據理想加熱曲線來確定加熱爐各段的設定溫度。

本加熱爐的燃燒介質為煤氣和空氣，燃燒控制的目的就是通過控制煤氣與空氣的流量及其配比來控制爐膛的溫度，從而控制荒管的出爐溫度。 加熱爐分為左部和右部兩個加熱段，煤氣和助燃空氣通過各自的總管被送到左部及右部加熱段的管道中，經過燃燒調節系統后再送往燒嘴燃燒，從而加熱爐膛及荒管。過程產生的廢氣通過煙道、煙囪排入大氣。在通過煙道時，經換熱器把熱量傳給助燃空氣，回收部分余熱。

2 系統設計方案

2.1 系統總體方案

步進式加熱爐自動化控制系統采用基于現場總線的網絡化系統方案[1]，系統結構如圖1 所示。

整個控制網絡分為三層：1 層為傳感器(變送器)與執行機構組成的基礎自動化層；第2 層為由Profibus 連接起來的各遠程站I/O 模塊，接收傳感器送來的信號或者向執行機構發出指令；第3 層為上位機以及其它設備組成的操作員站、工程師站，可以向PLC 發出控制指令及設定參數等，它使用MPI 總線與PLC 通訊，同時它還可為以后的車間級管理及公司級管理層提供接口。

圖1 系統結構圖

2.2 系統硬件設計

本控制系統的特點是電氣和過程控制共用一套PLC。對變量進行統計結果為：開關量輸出103 點，開關量輸入140 點，模擬量輸入26點，模擬量輸出10 點。組建系統時，對輸入輸出點留有一定備用，最終選用了SM321 開關量輸入模塊5 塊，共計160 點；SM322 開關量輸出模塊 4 塊，共計 128 點；SM331 模擬量輸入模塊 3 塊，SM332 模擬量輸出模塊1 塊，SM334 模擬量輸入輸出模塊(4 輸入2 輸出)1 塊，所以模擬量輸入共計28 點，模擬量輸出10 點。 由于步進爐的各種被控設備比較分散，但是在液壓站、爐體本身、操作室、電氣室四個控制區域內又相對集中，因此硬件系統采用了遠程站接收輸入和發送控制指令的方式，而遠程站與PLC 的CPU 則通過總線通訊方式交換數據，這種結構大大節約了硬件建設的成本。

通過對現場情況及I/O 點的統計結果進行分析， 采用s7-300 中型 PLC 即可完成任務。 CPU 的型號選為 315-2DP， 其自身帶有Profibus 和MPI 兩種類型的總線通訊接口，在組建控制網絡時不需要再插入專門的通訊模塊。

2.3 系統軟件設計

在硬件裝配好后， 就可以在Step7 中對組成系統的硬件進行配置，定義輸入輸出I/O 的地址，完成后就可以對這些地址進行邏輯編程，按工藝的要求編制控制任務，下載到CPU 中，指揮生產機械動作。系統硬件組態[2]如圖2 所示。

圖2 硬件組態圖

3 系統控制策略

步進式加熱爐過程控制的任務是在維持爐膛溫度穩定在設定值基礎上保證燃燒過程的經濟性、環保性，操作的安全性等。

3.1 爐膛溫度控制

爐膛溫度是指爐內加熱空間的溫度，同時也代表了爐內煙氣的溫度，是操作加熱爐的一項關鍵性指標。 根據實驗和經驗可知這一環節為純滯后對象，加熱爐是又個綜合復雜的系統，耦合干擾因素也較多，為了提高控制品質，設計中采用了模糊雙交叉限幅燃燒控制的方法[3-4]，系統控制結構如圖3 所示。溫度控制環為主環，是一個定值系統，作為系統的粗調，采用模糊自適應PID 控制，而雙交叉限幅系統是一個隨動系統，跟隨溫度控制器的輸出，起微調作用，現場實際運行效果如圖4，增強了系統的穩定性和抗干擾的能力。

圖3 模糊雙交叉限幅控制框圖

圖4 模糊雙交叉限幅爐溫運行曲線

3.2 壓力控制

壓力控制分為燃氣壓力、 助燃空氣壓力及爐膛壓力3 個子系統。由于氣源壓力穩定有利于穩定燃燒過程，不會造成溫度的波動，因此燃氣和助燃空氣壓力控制的任務就是在供氣氣源上游壓力發生變化時，能產生調節作用，使氣體壓力回到設定值，設計中采用了PID 控制方式；爐膛壓力控制是使爐內保持微正壓環境，防止開啟爐門時冷風灌入爐內或者向爐外噴火。 為了消除生產率、爐溫、燃燒、煙氣含氧量等對爐膛壓力的干擾，爐膛壓力除了采取常規PID 單環控制外，還對開關爐門這種可預見的干擾采取了附加自學習算法的方法來抑制。

4 結論

設計針對包鋼無縫廠￠180 機組步進式加熱爐進行自動控制改造，構建了基于現場總線的網絡化系統方案，并進行了具體的軟硬件設計工作，對爐膛溫度采取了模糊串級雙交叉控制策略，增強了系統的穩定性和抗干擾的能力，且電氣和過程控制共用一套PLC，大大節約了硬件建設的成本，有效提高了企業的經濟效益。

［1］曹世海.加熱爐燃燒控制系統幾項改進措施[J].冶金自動化,2002,4.

［2］劉鍇,周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004,3：56.

［3］張志強.蓄熱式連續加熱爐燃燒控制技術的應用[J].冶金自動化,2009,5.

［4］于親波.基于智能優化的模糊 PID 控制算法研究[D].北京：華北電力大學,2004:1-2.