馮展國(guó)

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900）

節(jié)能型保溫爐的控制方法及解析

馮展國(guó)

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900）

介紹了一種鋼鐵廠板坯保溫爐的生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。此系統(tǒng)能夠?qū)Ρ丶訜釥t各區(qū)的溫度、煤氣和空氣的流量等進(jìn)行自動(dòng)控制、顯示和超限報(bào)警，并通過保溫爐蓋開閉控制做到有效減少熱量散失。

保溫爐；加熱爐；風(fēng)機(jī)節(jié)能控制；板坯庫(kù)調(diào)度；雙交叉限幅控制；爐蓋傳動(dòng)控制

寶鋼集團(tuán)不銹鋼分公司1780熱軋主產(chǎn)線兼顧普碳鋼和不銹鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)，不銹鋼的生產(chǎn)由于各種原因，不可能做到連續(xù)生產(chǎn)，必然會(huì)集中料坯后軋制，須進(jìn)保溫爐保溫的坯料量經(jīng)常會(huì)超過48塊的存放量，顯然保溫爐將成為超純鐵素體不銹鋼生產(chǎn)的一個(gè)必要條件。筆者以該廠保溫爐為例探討一種保溫爐控制方法。

1　保溫爐的技術(shù)參數(shù)及對(duì)控制系統(tǒng)的要求

保溫爐數(shù)量及規(guī)格：一座兩坑

每個(gè)保溫坑凈空尺寸：13 000 mm×7 000 mm× 3 000 mm

最大裝料量：1 440 t（共4垛位，每個(gè)垛位12塊坯）

最高出坯溫度：400℃，進(jìn)爐最低溫度：180℃

出爐最高溫度：400℃，出爐平均溫度：300℃

保溫爐以通常煤氣（或天然氣）為燃料，空氣為助燃?xì)怏w?？刂颇Ｐ桶褷t內(nèi)溫度作為控制對(duì)象，控制煤氣燃燒釋放熱量的多少作為控制手段。為了控制板坯溫度，使得保溫爐內(nèi)的溫度在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，且坯料的保溫溫度從整個(gè)斷面看要均勻一致。監(jiān)控系統(tǒng)主要任務(wù)是對(duì)保溫爐的燃燒制度進(jìn)行自動(dòng)控制，具備重要狀態(tài)量的顯示和超限報(bào)警。為防止熱量流失，保溫爐上方設(shè)有高低兩個(gè)爐蓋進(jìn)行封閉；行車系統(tǒng)取放板坯時(shí)，爐蓋要打開，但要盡量縮短打開爐蓋的時(shí)間，減少熱量散失，這就需要同行車控制系統(tǒng)配合，制定合理爐蓋開關(guān)策略，從而為板坯庫(kù)區(qū)域未來實(shí)現(xiàn)行車無人化駕駛創(chuàng)造條件。

2　系統(tǒng)控制策略解析

按照控制對(duì)象來分，保溫爐控制主要由燃燒控制、爐蓋控制及風(fēng)機(jī)控制三部分組成。

2.1基于雙交叉限幅控制理論的燃燒控制

雙交叉限幅控制是鋼鐵廠工業(yè)爐的燃燒控制、爐溫控制具有比較成熟控制手段［1-3］，近年來科技工程人員相繼提出若干針對(duì)特定控制對(duì)象的優(yōu)化控制手段［4-7］?？紤]到保溫爐的工藝要求，可以采用雙交叉限幅PID控制，并預(yù)留控制模型接口的方式［8-9］。爐區(qū)的測(cè)溫?zé)犭娮璨杉臏囟刃盘?hào)為溫度測(cè)量值（稱為PV）。PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出為A。PID溫度調(diào)節(jié)器的溫度設(shè)定值（稱為SP）由計(jì)算機(jī)（HMI）人工手動(dòng)設(shè)定，控制流程如圖1所示。

圖1　雙交叉限幅控制的邏輯流程圖

在平衡狀態(tài)下，煤氣和空氣的流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值均由PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出A決定。但是在非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程中的煤氣和空氣的流量調(diào)節(jié)器設(shè)定值不完全由A確定。升溫時(shí)，煤氣和空氣同時(shí)取上限限幅值。隨著溫度的升高，A值將逐漸變小。當(dāng)溫度上升到PV=SP時(shí)或者非常接近時(shí)，雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程進(jìn)人平衡狀態(tài)。降溫時(shí)，煤氣和空氣同時(shí)取下限限幅值。隨著溫度的降低，A值逐漸增大，當(dāng)溫度下降到PV=SP時(shí)或者非常接近時(shí)，雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程進(jìn)人平衡狀態(tài)。作為空氣煤氣控制回路的設(shè)定值，偏差系數(shù)k1-k4的選擇很關(guān)鍵。一方面可以在過渡過程中起到限幅作用，使得煤氣流量的變化速度始終不超過空氣流量的變化速度，另一方面能避免因?yàn)槊簹膺^量和空氣過量互相干擾引起的波動(dòng)，保證燃燒過程在最佳燃燒段進(jìn)行。

偏差系數(shù)k1，k2，k3，k4的選取經(jīng)驗(yàn)：先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，在調(diào)試及運(yùn)行的過程中不斷修正，通過一段時(shí)間的運(yùn)行最終確認(rèn)。取k4＞k1可以保證升溫時(shí)空氣先行，在增加煤氣時(shí)，可以多增加些空氣量，不至于出現(xiàn)燃料過剩而冒黑煙。取k3＜k2，可以保證降溫時(shí)煤氣先行，在減少煤氣時(shí)，把煤氣減少的多一點(diǎn)，使煤氣變化的速度始終不超過空氣。當(dāng)煤氣的熱值變化較大時(shí)，需要配置熱值儀，將燃料熱值引人空燃比a的修正環(huán)節(jié)。當(dāng)熱值波動(dòng)時(shí)，空燃比a也隨之調(diào)整，自動(dòng)進(jìn)行空氣、燃?xì)獾呐浔?，提高調(diào)節(jié)精度。

2.2基于L2（板坯庫(kù)管理系統(tǒng)）的爐蓋開閉控制策略

板坯庫(kù)管理系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和板坯庫(kù)存情況，依靠數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，總體調(diào)度整個(gè)車間的板坯物流。保溫爐爐內(nèi)的堆垛板坯信息屬于板坯庫(kù)管理系統(tǒng)管理內(nèi)容的一部分，在板坯庫(kù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中有映像數(shù)據(jù)。行車控制系統(tǒng)與板坯庫(kù)管理系統(tǒng)直接通訊。保溫爐控制系統(tǒng)PLC/DCS通過L2和板坯庫(kù)管理系統(tǒng)建立通訊。板坯庫(kù)管理系統(tǒng)調(diào)度保溫爐進(jìn)行板坯存儲(chǔ)時(shí)，會(huì)把通訊電文發(fā)送給保溫爐PLC/ DCS，同時(shí)發(fā)送給行車系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)行車和保溫爐爐蓋的動(dòng)作一致性，在行車到達(dá)時(shí)，打開爐蓋，行車吊裝板坯完畢后關(guān)閉爐蓋。爐蓋采用變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在自動(dòng)狀態(tài)下根據(jù)板坯庫(kù)管理系統(tǒng)下發(fā)的開關(guān)指令動(dòng)作來使?fàn)t蓋水平平穩(wěn)的升、降速運(yùn)行，并能精確定位。老式保溫爐爐蓋需要通過行車吊走才能放人板坯，需要蓋上爐蓋時(shí)還要?jiǎng)佑眯熊?，?jié)奏較慢，而且造成熱量散失，且占用行車作業(yè)時(shí)間。

未來行車無人化駕駛改造后，無需對(duì)保溫爐爐蓋控制進(jìn)行大的修改，只需要將爐蓋控制模式設(shè)置為遠(yuǎn)程控制，把權(quán)限設(shè)置由L2系統(tǒng)指令控制即可。

2.3基于VVVF變頻控制和風(fēng)管開口度PID控制的風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行

為滿足保溫爐正常運(yùn)行所需要的風(fēng)量要求，舊式加熱/保溫爐助燃風(fēng)機(jī)通過啟停不同數(shù)量的風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)其進(jìn)口風(fēng)門開度，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的本質(zhì)是改變風(fēng)的阻力大小來改變風(fēng)量，在保證風(fēng)壓穩(wěn)定的同時(shí)來滿足加熱爐對(duì)風(fēng)量的需求。由于大部分時(shí)間段保溫爐對(duì)風(fēng)量的需求遠(yuǎn)小于所設(shè)置的多臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量，造成很大浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)采用變頻助燃風(fēng)機(jī)，通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，配合燒嘴之路風(fēng)管開度調(diào)節(jié)，不僅做到風(fēng)量穩(wěn)定可調(diào)，還做到風(fēng)壓穩(wěn)定可調(diào)，同時(shí)減少多余風(fēng)機(jī)設(shè)備的投人。本設(shè)計(jì)一臺(tái)風(fēng)機(jī)即可滿足爐體運(yùn)行要求，運(yùn)行時(shí)可完全由變頻電機(jī)調(diào)節(jié)總風(fēng)量，再用開度調(diào)節(jié)微調(diào)每個(gè)燒嘴的進(jìn)氣量。

根據(jù)風(fēng)機(jī)性能的相似定律，得出風(fēng)量需求減少時(shí)，通過變頻調(diào)速，實(shí)際功率會(huì)大大降低，節(jié)省電能［10-11］。

3　系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由PLC/DCS控制系統(tǒng)、二級(jí)計(jì)算機(jī)、行車控制系統(tǒng)、人機(jī)界面HMI系統(tǒng)（工程師站W(wǎng)S，操作員站OS）、加熱控制模型、變頻VVVF系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集（遠(yuǎn)程I/O）組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　保溫爐系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

HMI采用服務(wù)器/客戶端（C/S）結(jié)構(gòu)，采用一臺(tái)服務(wù)器同DCS/PLC的控制器CPU通訊，兩臺(tái)客戶端同服務(wù)器通訊并用于操作，工程師站用于工程組態(tài)，編程調(diào)試。系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控，使操作員能隨時(shí)了解保溫爐各部位的參數(shù)；對(duì)報(bào)警可隨時(shí)打??；對(duì)主要數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)一年以上，方便查詢。除此之外，WS/OS還完成參數(shù)的設(shè)定（包括控制參數(shù)、報(bào)警參數(shù)及調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定）功能。DCS/PLC完成對(duì)加熱爐燃燒的控制?？紤]到系統(tǒng)模擬量處理、PID及復(fù)雜控制回路較多、為滿足正常生產(chǎn)需要提高系統(tǒng)的相應(yīng)性能等因素，所有儀表信號(hào)經(jīng)過儀表柜接人PLC模塊。儀表柜內(nèi)的隔離器、變送器將各類儀表模擬量信號(hào)源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)。對(duì)于流量信號(hào)給出計(jì)算公式，由控制系統(tǒng)計(jì)算得出真實(shí)的流量并接人能源計(jì)量系統(tǒng)［12-13］。

4　實(shí)施方法及效果

4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前在鋼鐵行業(yè)中，存在多種廠家的控制系統(tǒng)，其中西門子S7系列控制器以其功能強(qiáng)大且普及性較高，且易于工程人員掌握，應(yīng)用廣泛［14-16］。我們?cè)诓讳P鋼分公司1780熱軋廠保溫爐工程項(xiàng)目中，采用西門子S7-315-2DP CPU，作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器，通過CP343以太網(wǎng)卡連接WINCC HMI，HMI系統(tǒng)有4臺(tái)工控機(jī)。一臺(tái)為服務(wù)器，放置在加熱爐低壓配電室，另外3臺(tái)客戶機(jī)分別放置在加熱爐操作室、加熱爐低壓配電室和板坯庫(kù)操作室。4臺(tái)均可操作畫面，操作畫面采用WINCC組態(tài)，展示保溫爐全貌及重要的溫度、流量、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)。以及各個(gè)設(shè)備的操作索引。還有一臺(tái)工程師站放置在加熱爐低壓配電室，安裝有Step7。HMI、工程師站、PLC、SYC計(jì)算機(jī)均通過工業(yè)以太網(wǎng)連接和通訊，未來如需要增加保溫爐控制二級(jí)模型計(jì)算機(jī)，進(jìn)行擴(kuò)展即可。控制系統(tǒng)實(shí)施方案見圖3。HMI監(jiān)控及操作畫面見圖4。

4.2行車定位系統(tǒng)與L2系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

熱軋廠新增保溫爐后需要對(duì)原有行車定位系統(tǒng)進(jìn)行改造。新增保溫爐后所涉及到的行車定位系統(tǒng)改造需要與新增保溫爐L2系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。首先由行車定位系統(tǒng)發(fā)“打開爐蓋（指定爐蓋號(hào)）”指令給L2系統(tǒng)，L2系統(tǒng)收到指令后將執(zhí)行結(jié)果“指定爐蓋是否打開（開到位或者沒開到位）”返回給行車定位系統(tǒng)，行車定位系統(tǒng)收到“指定爐蓋開到位”指令后發(fā)指令給行車，行車進(jìn)行相關(guān)操作即吊料或放料，行車操作完畢后行車定位系統(tǒng)將“行車操作完畢信號(hào)（吊料完畢或放料完畢）”返回給L2系統(tǒng)，L2在爐蓋關(guān)閉后將“爐蓋關(guān)閉”狀態(tài)返回給行車定位系統(tǒng)。保溫坑L2設(shè)定電文如表1所示，L1反饋電文如表2所示。

表1　爐蓋板動(dòng)作信息（SYC→PLC）

表2　L1爐蓋到位信號(hào)（PLC→SYC）

5　結(jié)語

本設(shè)計(jì)在工程中投產(chǎn)后，操作方便，控制穩(wěn)定可靠。2009年實(shí)施該改造后，極大滿足了生產(chǎn)要求，效果良好，2010年又按照該方式再新增一座保溫爐。兩座保溫爐運(yùn)行6年多以來，平穩(wěn)高效，故障率極低，不但滿足了普碳鋼和不銹鋼共線生產(chǎn)的工藝需求，而且通過爐蓋改造和風(fēng)機(jī)變頻改造達(dá)到了節(jié)能減排的要求，板坯保溫效果良好。爐蓋改為變頻控制后，不但減少了爐蓋運(yùn)行終了對(duì)檔鐵的碰撞，且可實(shí)現(xiàn)精確的定位控制，確保爐蓋對(duì)爐內(nèi)熱氣的密封效果，達(dá)到了較好的保溫和節(jié)能效果。為寶鋼集團(tuán)不銹鋼公司1780熱軋廠朝綠色制造轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要保障。

圖3　控制系統(tǒng)實(shí)施方案圖

圖4　HMI監(jiān)控及操作畫面

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Control Method and Resolution of Energy-Saving Type Holding Furnace

FENG Zhanguo
（Baosteel Engineering&Technology Group Co.，Ltd，Shanghai 201900，China）

A design plan of real time supervisory control system for temperature holding oven in sized steel plants is introduced.The temperature in each section，gas feeding rate and air flow feeding rate，limit alarms，can be automatically controlled，displayed and over-limit alarmed by the system.Through the open and close control of the holding furnace cover，the heat loss is effectively reduced.

holding furnace；heating furnace；fan energy-saving control；slate allocate strategy；dual cross-over limit control；oven cover drive control

TP273

B

1001-6988（2016）03-0039-04

2016-02-23

馮展國(guó)（1979—），男，高級(jí)工程師，主要從事工廠電氣及自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作.