加熱爐爐溫智能控制系統設計與實現

吳瑋瑋

(陜西國防工業職業技術學院,陜西 西安 710300)

改革開放以來,我國經濟發展迅速。科學技術的進步更是使得大多數的制造業簡單生產活動逐漸被工業技術所替代。隨著行業競爭的逐漸激烈、企業規模的逐漸壯大,能源在生產中的利用和消耗問題更為嚴重。鋼鐵行業作為我國的基礎性行業之一,是開展基礎設施建設、助推我國現代化發展的重要保障。加熱爐是鋼鐵加工的重要設備,在行業發展中扮演著重要的角色。加熱爐的能耗占鋼鐵生產能耗的近1/4,而能耗利用率卻遠低于1/2。除此之外,加熱爐與其他加熱元器件具有相同的非線性、慣性大等特點,容易受爐內外多種因素的影響,發生爐溫的波動,極大地干擾了爐溫控制的準確性。因此采取有效的手段提升加熱爐爐溫控制的效果勢在必行。本文綜合分析加熱爐的運行工作原理,探究加熱爐爐溫控制的重點,以望能夠提升加熱爐爐溫控制的穩定性,使其更為符合爐溫調控的需求。

1 加熱爐構成及工作原理

1.1 加熱爐構成

加熱爐在鋼鐵、冶金行業有重要的應用,其主要作用是將材料加熱至其特定溫度。它通常由一組發熱體、隔熱材料、爐體和控制器組成。加熱爐的工作原理主要是通過將電能或燃料能轉化為熱能,通過加熱體實現熱傳導,完成加熱流程。

加熱爐一般包括以下部分:

1)發熱體

發熱體是產生熱能的關鍵組件,通常是由金屬、陶瓷等導電材料制成的,根據工作原理不同可以分為電熱發熱體和燃氣發熱體。電熱發熱體主要由電阻絲、電爐管、電熱棒等構成;燃氣發熱體主要有燃燒器和燃油噴嘴,可使用各種燃料包括天然氣、液化石油氣、柴油等[1]。

2)隔熱材料

隔熱材料是用于隔離爐體和發熱體的部分,常用的隔熱材料有氧化鋁、硅酸鹽、石墨等。隔熱材料的作用是防止熱能的散失,提高能效。

3)爐體

爐體是加熱爐的主體,通常由金屬制成,其大小和形狀會根據加熱材料和生產需求而不同。爐體的作用是容納和保護被加熱材料并將發熱體和隔熱材料固定在一起,以確保加熱過程的穩定和安全[2]。

4)控制器

控制器是加熱爐的重要部分,其作用是確保加熱過程的穩定性和安全性。通過控制器可以調整發熱體的溫度和加熱時間,使加熱爐能夠快速、準確地達到所需的加熱溫度。

1.2 加熱爐工作原理

以蓄熱式加熱爐為例,蓄熱式加熱爐主要包括爐體、傳感器、裝鋼系統、換向閥等組成。其中爐體是加熱的主要載體,換向閥用于實現加熱爐內的冷、熱煙氣交換,傳感器用于采集爐內的溫度情況,裝鋼系統用于將帶加熱的材料(如鋼坯等)送入爐內[3]。其工作原理如圖1所示。

圖1 蓄熱式加熱爐工作流程

如圖1所示,蓄熱式加熱爐的燒嘴A、B成對安放于爐體的兩側,冷空氣經由換向閥進入蓄熱室B中進行升溫,加熱至1 000 ℃后與燃料經過燒嘴B進入爐膛內,在爐溫1 200 ℃情況下進行混合彌散式燃燒。然后熱煙氣在風機的作用下經過燒嘴A排出爐膛。

相較于傳統的加熱爐,蓄熱式加熱爐選用高溫空氣燃燒設計工藝,能夠實現熱量的截留,減少燃料的消耗,同時其排放出的熱煙氣能夠進行余熱回收提升了加熱的效率。但其在加熱過程中需要換向閥的輔助進行頻繁的煙氣交換以及換氣燃燒,影響爐內的氣壓穩定性以及溫度穩定性,容易出現加熱物料的質量。

2 加熱爐爐溫控制重點分析

加熱爐爐溫控制是加熱爐智能控制系統中的一個重要組成部分,它可以自動監測和調節加熱爐內部溫度,以提高加熱爐的工作效率和生產質量,同時減少能源浪費和環境污染。但是,要實現這種智能控制系統,需要面對一些重要的難點和挑戰[4]。

2.1 傳感器的選擇和位置

傳感器是加熱爐爐溫控制系統的重要組成部分,它們用于收集加熱爐內部的溫度數據。在選擇傳感器時,需要考慮許多因素,例如傳感器的精度、響應時間、穩定性、成本等。此外,傳感器的位置影響加熱爐內部溫度的測量精度[5]。因此傳感器位置要具有多樣性以便全面了解加熱爐內部的溫度分布情況。

2.2 控制策略的開發

控制策略的目標是根據傳感器收集到的溫度數據,調節執行器的操作,以控制加熱爐內部的溫度。控制策略的開發需要考慮許多因素,例如控制算法的選擇和優化、控制參數的確定等。控制算法的選擇應基于加熱爐的工作原理和溫度控制方法,以確保控制策略的有效性和穩定性[6]。控制參數的確定需要考慮傳感器的響應時間和穩定性等因素,以確保控制策略的準確性和可靠性。

2.3 系統測試及優化

加熱爐爐溫控制系統需要在復雜的工業環境中運行。為了確保系統的可靠性和穩定性,需要進行大量的實驗和測試,以便發現和解決系統中的問題和缺陷。系統的優化是加熱爐爐溫控制系統的一個重要目標[7]。系統的優化可以提高加熱爐的工作效率和生產質量,同時減少能源浪費和環境污染。系統的優化應該考慮許多因素,例如系統的反應時間、控制精度、能源利用率等。通過對系統的優化,可以提高系統的性能,使其更加適用于不同的工業生產環境。

3 加熱爐爐溫智能控制系統設計

傳統的加熱爐爐溫調控通常采用PID算法,極易造成爐溫調控出現波動以及間接震蕩問題。因此選擇BP神經網絡算法作為加熱爐爐溫智能調控的方式,并就加熱爐爐溫的硬件設計、軟件平臺以及算法做出如下介紹。

3.1 硬件設計及選型

1)溫度傳感模塊

對加熱爐爐溫進行準確的測量是實現爐溫智能化控制的重要前提。常用的溫度傳感設備包括接觸式以及非接觸式兩種。非接觸式測量方式通過對流輻射方式進行溫度測量存在較大的誤差。接觸時測量時測溫元件與介質接觸更具準確性[8]。本系統選擇K型熱電偶作為溫度檢測設備。這一設備不僅能夠實時感知爐溫,更具有成本低、高靈敏度的優勢。

2)控制及通信模塊

加熱爐所處工業現場環境惡劣,因此控制設備需要有較強的適應能力。選擇東田酷睿8代工控機作為主要控制設備,其內部配有數字信號處理器(DSP)等實時控制芯片能夠實現控制算法的高速計算[9]。同時該設備能夠安裝Matlab軟件實現算法的開發等,附帶OPC工具箱,有助于加熱爐智能系統的平穩運行。工控機與加熱爐之間采用串口、以太網等接口進行連接,通信協議為PROFIBUS-BP,以實現加熱爐的遠程監控和控制。

3)電源及驅動模塊

系統設計投入使用前充分考量系統使用時所需的電壓極值,避免出現多模塊供電不穩出現負載以及電壓不穩的問題導致系統崩潰。安裝電壓調控器進行電壓信號的轉換減輕對加熱爐運行的影響。系統整體使用繼電器以及晶閘管參照工控機輸出的信號對其進行驅動。

4)顯示及操作模塊

顯示與操作采用液晶屏作為人機交互界面,圖形化顯示系統的各模塊,提升界面的清晰度,簡化操作流程。通過按鍵初始化配置加熱物料的種類、爐溫控制區間、煙氣排放等,實時刷新爐溫變化,并自動生成變化曲線,為加熱爐操作人員提供借鑒[10]。

3.2 軟件平臺設計

軟件平臺開發結構如圖2所示。

圖2 加熱爐軟件平臺開發

如圖2所示,加熱爐的軟件平臺設計包含三部分,輸入接口、算法內核以及輸出接口。在輸入接口部分導入加熱爐的數據以及設備運行歷史文件,為下一步的處理奠定基礎。算法內核選用Matlab平臺進行混合編程,建立平臺模型,實現對數據的預處理、模型辨識以及控制系統的設計和分析。最后經由輸出接口生成實時控制代碼,對加熱爐爐溫控制過程進行仿真。

3.3 BP神經網絡算法

BP神經網絡適用于各種復雜的數據分類和回歸問題。在加熱爐爐溫控制中,BP神經網絡可以應用于爐溫控制預測和調節。首先,需要采集加熱爐內的爐溫數據,包括時間、爐溫等參數。將這些數據作為訓練數據,通過BP神經網絡進行訓練,建立爐溫預測模型。訓練時需要設置合適的網絡結構、學習率和迭代次數等參數,使得模型能夠準確地預測爐溫變化趨勢[11]。在實時調節中,通過將當前爐溫作為輸入,傳入已經訓練好的神經網絡中,得到預測的下一時刻的爐溫。根據預測結果,采取相應的控制策略進行調節,如加熱、降溫等。

4 結 語

采用智能控制系統可以自動調節加熱爐的加熱功率和保持溫度,避免了人工干預造成的誤差和浪費。系統可以通過傳感器實時監測加熱爐內部的溫度、壓力等參數,根據預設的溫度曲線或工藝要求自動控制加熱功率,從而提高了工作效率和產品質量,同時也減少了過度加熱和能源消耗。同時采用智能控制系統能夠實現對加熱爐的遠程監控和管理,減輕工作人員的工作負擔。