新型梭式窯爐燃燒控制系統

賈 華，關福彪，魏 學，郭曉陽，安 婷

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.東北大學 機械與自動化學院，沈陽 110089）

新型梭式窯爐燃燒控制系統

賈 華1，關福彪1，魏 學2，郭曉陽1，安 婷1

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.東北大學 機械與自動化學院，沈陽 110089）

0 引言

工業窯爐是燒成過程工藝必要的生產設備，而梭式窯是高耗能工業窯爐的代表，其結構特殊、運行環境惡劣、控制手段落后，所以研究梭式窯爐燃燒系統及爐溫控制系統對提高制品質量、節約能源具有重大的意義。在全面分析梭式窯爐燒成過程工藝基礎之上，充分研究燃燒系統，針對爐溫時變非線性、多耦合和純滯后等問題，將專家系統與PID控制相結合，提出了一種專家PID控制器并將其實際應用于梭式窯溫度控制系統中[1]，改善了傳統PID算法超調大、調節時間長等不足。在實現溫度控制的基礎之上，對壓力及氣氛制度進行輔助調節，上位機采用Wincc監控系統，通過Profibus-DP總線搭建自動控制系統，使溫度、壓力參數雙雙按照趨勢曲線變化，長期的實際運行結果說明此方法可行且效果極佳，具有很好的參考價值。

1 工藝要求與控制難點

在工業生產中，利用燃料燃燒產生的熱量，或者將電能轉化成熱量對工件或物料（非金屬）進行加熱的設備，稱為工業窯爐，其中燒成過程的自動化程度是衡量窯爐性能的重要指標。梭式窯的燒成工藝主要包括溫度、壓力、氣氛制度，通常應用窯爐燒成自動控制系統設定溫度、壓力曲線進行煅燒[2]，而燒成自動控制系統的好壞主要以預期的燒成曲線與實際運行曲線的擬合程度作為評價標準，具體采用什么樣的燒成曲線，取決于制品本身的質量要求，同時考慮應用性、經濟性等問題。由于梭式窯極具靈活性，所以對于不同的制品，只要知道其熱工制度，便能實施控制及生產。

對于長石質瓷制品，燒成過程一般分為三個階段：低溫階段（常溫—900℃），應用對流換熱，使窯爐溫度按一定的升溫速率到達設定燒結點，使坯體在300℃之前排出在干燥過程中殘余的水分和氣泡，固體顆粒緊密靠攏發生少量的收縮，隨后進入升溫階段，碳酸鹽分解、排除結構水、石英晶型轉，其中升溫不宜過快，若不能保證溫度分布均勻，易產生煙熏、起泡的缺陷；高溫階段（900℃—燒成溫度），氧化氣氛時低速升溫，加強煙氣流通量，提高空氣過剩系數，完成強氧化到強還原氣氛的過渡尤為重要，進入玻化成瓷期（燒結過程），完成擴散傳質、液相的高粘度化、致密化，強度、硬度增大；降溫階段（燒成溫度—常溫），保持均溫下降，且在特定溫度區間不宜降溫過快，伴隨溫度的降低，坯內液相粘度增大，瓷坯固化。總之，溫度制度在對應時間段的變化直接影響燒成質量，所以控制好溫度變化具有重要意義。

圖1 溫度與壓力控制曲線圖

圖1為某梭式窯設定的燒成溫度、壓力和排煙風機運行及助燃風曲線圖，按影響因素分六個區：Ⅰ區：氧化氣氛區（負壓）；Ⅱ區：強氧化氣氛(微負壓)；Ⅲ區：強還原氣氛（零壓）；Ⅳ區：弱還原氣氛（微正壓）；Ⅴ區：氧化氣氛(微正壓)；Ⅵ區：氧化氣氛（正壓）。

其中強氧化氣氛時，空氣過剩系數α取值1.6～2.0之間，而強還原氣氛時CO濃度在3%～7%之間，α小于1.0。滿足這些燒成工藝中的要求，制品的質量才會有保證。由于工藝的復雜性，所以對窯爐的基本結構、控制系統都是巨大的挑戰。本文在窯爐燃燒室內應用高速脈沖燒嘴燃燒天然氣，通過燃氣燃燒使窯內溫度升高，調整排煙風機、助燃風機、二次風機的供給量來改變窯內的壓力和氣氛，其中各個因素的嚴重耦合使得控制難度增大，提出應用專家系統PID算法在梭式窯中[3]，很大程度上解決了燒成過程曲線的控制。

2 系統組成

燒成過程主要設備包括窯體、臺車、燃燒系統、一二次風管道、天然氣管道、調壓系統和控制設備等組成[3]，其中對燒嘴的控制要求高，空氣、天然氣按比例混合燃燒，提高燃料的利用率。不同梭式窯控制系統設計的要求不同，本文依據某電瓷生產廠35m3燃氣梭式窯的實際情況，系統共有14個溫度檢測點、14個燒嘴火焰檢測器、7個溫區、2個壓力檢測點（部分如圖2所示）。

2.1 燃燒系統

燃燒系統作為控制重點，主要由燒嘴控制器（如圖）構成，其中包括點火控制器、復位繼電器、點火變壓器、火焰監測系統。高速脈沖燃燒控制采用的是一種間斷燃燒的方式，PLC系統對輸入溫度與傳感器檢測爐內實際溫度進行專家PID計算，得出最佳系數并通過電壓或電流信號傳遞到脈沖燃燒控制器，使用脈沖寬度調制技術，通過調節燃燒時間的占空比實現窯爐的溫度控制。在應用霍科德IFS系列高速脈沖燒嘴時與脈沖控制器配合，噴射燃燒氣體速度快，使周圍大部分時間呈現微負壓狀態，延長了煙氣與制品接觸的時間，當一個燒嘴功率達到最大時候，另一個達到最小，通過這種方式來加劇氣流流動，消除局部熱點，以此來改善窯內溫度場、氣氛場、壓力場的均勻性和穩定性，提高傳熱效率[4]。

圖2 檢測與控制流程圖

空/燃氣比例閥（FV）為彈簧機械閥，通過連接到空氣管路上的10mm紫銅管導壓管來接收空氣壓力調節信號，根據開度比例控制了進入燒嘴的燃氣量，最終調節燒嘴的功率，從而實現大小火時空氣、燃氣配比合理，燃燒充分。使用這種閥門來控制空氣和燃氣的配比，可以減少中間環節,提高系統的響應能力。考慮到工作窯爐到主控室距離遠，設計遠程控制和就地控制兩種點火方式，既可以在控制室通過上位機操作畫面點火、復位，也能通過現場就地箱控制按鈕點火。

2.2 穩壓系統

穩壓系統包括排煙風機、助燃風機、二次風機，通過控制器對變頻器設置拖動各個風機進行壓力調節，為了確保燒成生產的順利完成，務必要使窯內壓力按溫度值變化維持在所需氣壓下，既保證了窯內熱量不流失，又可阻止窯外冷空氣進入窯內，也可以減少能源浪費使窯內燒成溫度分布趨于穩定，同時提高燒成效率和質量。為了最大程度上利用爐內高溫熱風，結合窯內實際工況在煙氣的出口有換熱器進行余熱回收，給一次空氣進行預熱，實現資源有效利用。

圖3 燒嘴控制器

3 專家系統控制器的設計

專家系統控制器主要包括信息獲取與處理、數據庫與知識庫、推理機、控制與操作機構和PID控制器組成。在線獲取實時檢測到的數據與狀態[5]，經過在數據庫與知識庫中的查找和匹配，更新重要數據與知識，為推理機提供特征信息，利用推理信息獲得PID控制器的Kp、Ki、Kd參數，控制與操作機構把獲取到的PID參數信息嵌入到PID算法中，實現實時在線更新。專家控制器是電瓷梭式窯爐自動控制系統設計的核心，而其中專家系統推理規則是專家控制器的核心。

圖4 專家系統PID控制原理圖

3.1 自學習模式

R和F的具體取值：

3.2 模糊推理

專家PID控制器根據實際運行狀態在線修改Kp，Ki，Kd參數。

表1 窯爐運行統計數據

3.3 知識庫中存儲的部分規則：

Rule1：IF是弱氧化階段AND e（t）＞20℃THEN減少燃燒天然氣h(t)10.5m3并且增加二次風機鼓風量5.3m3。

Rule2：IF是弱氧化階段AND e（t）＞12℃THEN減少燃燒天然氣h(t)5.4m3并且增加二次風機鼓風量2.7m3。

Rule3：IF是弱氧化階段AND e（t）＞5℃THEN減少燃燒天然氣h(t)2.8m3并且增加二次風機鼓風量1.5m3。

Rule4：IF是弱氧化階段AND 2℃≤|e（t）|＜5℃ THEN減少燃燒天然氣h(t)0.9m3并且增加二次風機鼓風量1.0m3。

Rule5：IF是弱氧化階段AND |e（t）|＜2℃THEN減少增加燃燒天然氣h(t)0.4m3并且增加二次風機鼓風量0.6m3。

Rule10：IF是強氧化階段AND e（t）＞20℃THEN減少燃燒天然氣h(t)9.8m3并且增加二次風機鼓風量4.8m3。

Rule36：IF是弱還原階段AND e（t）＜-20℃THEN增加燃燒天然氣h(t)10.3m3并且增加二次風機鼓風量5.2m3。

4 上位機界面設計

根據梭式窯爐工藝特點，本設計采用西門子WINCC軟件設計上位機界面，界面包含數據初始化模塊、監控主界面、設置溫控曲線、壓力趨勢曲線、歷史數據生成報表、報警窗口及用戶設置等功能，如圖5所示。

圖5 上位機監控系統主程序框圖

其中數據初始化模塊主要是記憶歷史數據輸入、上下限報警數據的輸入、各類生成報表格式，可以默認設置將上次使用過的燒成制度數據作為本次燒成數據的初始化；窯爐監控主畫面應用所有燒成監控數據（各個溫區實時溫度數據、壓力數據輸出、比例閥的開度情況）動態顯示，并且帶有實時棒狀圖，提供用戶根據數據變化進行燒成操作；設置燒成曲線可以通過多種途徑，主要優點是可以根據燒成情況修改當前運行狀態下的燒成曲線，通過數據初始化模塊調出歷史數據直接輸入，亦可直接在界面直接畫出曲線，還可以在界面上輸入溫度分區、上升時間、保溫時間等；壓力趨勢曲線對比顯示設定壓力與輸出壓力曲線；歷史數據生成報表可以調出以往任何時間的實際溫度、壓力曲線、設置的燒成曲線，所有歷史數據都能生成多種格式的圖表，方便編輯、打印、修改；報警窗口不僅提供上下限的溫度值、升溫速度過快、各類開關量報警，還具有自診斷、短時斷電自復位功能。

由實際運行按照前文所述的從生產工藝出發，充分考慮性價比、預留備用等因素認真進行硬件選型，分別對上位機組態、下位機編程，現場儀表控制器實際安裝，初步上電運行并經過反復測試到后期投產，系統一直維持穩定可靠的運行，綜合誤差范圍控制在±1.8℃以內，達到預期要求。

圖6 窯爐實際運行情況

圖7 窯爐壓力歷史與趨勢曲線

5 結束語

專家PID控制系統在實際應用的結果顯示，不僅使窯爐內燒成制品質量滿足要求，而且大大的節約了能源，降低了生產成本，實現了全自動化生產，為整個工業窯爐燒成技術提供了很好的參考價值應用前景非常可觀。

[1]蔡志端,毛建華,王培良.基于模糊免疫自適應PID的工業電爐多點溫度協調控制[J].制造業自動化,2013(1):40-43.

[2]曾令可,李可,劉艷春.陶瓷窯爐實用技術[M].北京:中國建材工業出版社,2010:415-437

[3]孫優賢,褚健.工業過程控制技術[M].北京:化學工業出版社,2006:180-195.

[4]張燕連.脈沖燃燒控制技術的應用實踐[J].現代冶金,2009,37(3):4-7.

[5]張雷.梭式窯溫度控制算法及系統設計研究 [D].洛陽:河南科技大學,2012.

[6]劉增環,王利珍,何廣祥.脈沖燃燒加熱爐爐溫模糊控制策略[J].自動化與儀表,2011(04):31-33.

The new combustion control system of shuttle kiln

JIA Hua1，GUAN Fu-biao1，WEI Xue2，GUO Xiao-yang1，AN Ting1

根據某廠35m3梭式窯爐自動控制系統應用及燒成過程工藝要求，針對傳統控制方式控制精度低、調節時間長、控制不穩定等的問題，提出專家PID控制在工業窯爐溫控系統中的應用，解決了建模困難、非線性等技術難題，并對燃燒系統、爐溫自動控制進行專項研究，通過硬件組態、軟件算法程序編寫、上位機界面設計，構建了燃燒系統和爐溫控制系統一體的綜合監控系統，實現了現場信息采集和窯爐自動控制功能。實際應用證明，系統安全可靠、穩定運行，具有很好的控制效果。

專家PID控制；燃燒系統；監控系統

賈華（1963 -），男，內蒙古人，副教授，碩士，主要從事控制理論及電氣傳動研究。

TP273

A

1009-0134(2014)05(下)-0004-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).02

2014-01-21