DCS控制系統(tǒng)在步進梁式加熱爐上的應用

1 引言
安鋼高速線材軋鋼加熱爐是一座性能優(yōu)良的步進梁式加熱爐，其有效尺寸:20700×12700mm。額定加熱能力為:120t/h，最大加熱能力:140t/h。坯料規(guī)格:單排布料時:150×150×12000mm;雙排布料時:150×150×5800mm;非定尺坯料:9000-12000 mm;最大坯重量:2190kg。燃燒介質:高焦爐混合煤氣，低發(fā)熱值為7536±210kJ/m3。最大用量24812m3/h。其熱工控制系統(tǒng)是由Rockwell公司的ProcessLogix DCS系統(tǒng)完成。步進爐內爐料步進及爐料進、出由西門子PLC控制。其中高速離散控制、過程控制和安全控制融合于一個Logix控制平臺上先進的控制技術，使加熱爐的爐溫的控制精度在±5℃，升降50℃僅需12min;編寫的空燃比自動尋優(yōu)器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀的功能，實現(xiàn)了燃料流量和空氣流量的優(yōu)化配比，從而使燃燒達最佳狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件的組成
高線加熱爐使用Rockwell的ProcessLogix DCS控制系統(tǒng)(編程軟件為ControlBuilder和DisplayBuilder)。本系統(tǒng)配置了操作站、服務器、控制站3個部分。其結構如圖1所示。

圖1 加熱爐控制系統(tǒng)結構圖

(1) 服務器
為了高效利用過程參數(shù)，本系統(tǒng)配置了DELL服務器，系統(tǒng)平臺為Windows NT。配置了ProcessLogix Server 后，服務器具有了實時數(shù)據(jù)庫和功能完善的功能模塊。用戶可以用ContorlBuilder 組態(tài)和優(yōu)化用戶控制程序，用DisplayBulder制作HMI。同時，用戶可方便地用C語言編寫自己的特殊功能模塊。同時，服務器還完成打印報表的任務。在操作站出現(xiàn)特殊情況時，服務器還要兼操作站的所有功能，服務器是通過CONTROLNET網從控制器收集數(shù)據(jù)和向控制器發(fā)送命令，通過乙太網向操作站傳送數(shù)據(jù)和接收命令。
(2) 操作站
操作站由研華工控機和基于Windows NT系統(tǒng)平臺上的STATION軟件組成，通過總貌圖、控制圖、報警圖、過程狀態(tài)圖、過程歷史圖這些豐富的人機界面，操作員可以設定、查看過程參數(shù)或狀態(tài)，察看故障報警明細。由于整個操作界面采用“向導式”的結構，從而大大方便了操作員的操作。
(3) 控制站
控制站采用PLX系統(tǒng)，用于完成對加熱爐的熱工控制和過程參數(shù)檢測。該系統(tǒng)的處理器1757PL*52A是Rockwell專用處理器，具有8MRAM，高速底板與網絡融為一體，I/O模塊可帶電插撥，并可以任意安排。在該系統(tǒng)中，控制站共設有1個主機架和2個擴展機架，完成了整個加熱爐的6段溫度控制、60多點的模擬量檢測及20多個開關量的輸入和輸出。系統(tǒng)模板采用如下:4個756 OF6CI/A模塊、9個1756 IB16D/A模塊、2個1756OW16I模塊、4個1756IF6I/A模塊、5個1756IR6I/A模塊、4個1756IT6I/A模塊。為提高本系統(tǒng)的可靠量，所有AI、DI和DO均與現(xiàn)場進行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離的雙隔離模板。按照確定的控制規(guī)則進行編程，根據(jù)加熱爐的工況選擇使用。將現(xiàn)場信號采樣﹑燃氣流量模糊控制回路﹑空氣流量模糊控制回路﹑溫度模糊控制回路編成子程序，模塊化，在主程序中調用，以利于調試和控制功能組態(tài)。
(4) CONTROLNET網絡與現(xiàn)場儀表
該網絡屬于無源的高性能多元總線，5M的傳輸速度。數(shù)據(jù)傳輸采用確定性的傳輸方式，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸量，現(xiàn)場儀表控制閥采用耐高溫的控制閥，執(zhí)行機構采用氣動執(zhí)行機構，壓力和差壓變送器采用FISHER 3051變送器。從而保證了具有苛刻時間要求的加熱爐控制應用環(huán)境。
3 系統(tǒng)主要功能及策略
加熱爐控制主要包括爐膛溫度控制、燃燒介質壓力控制、燃燒介質流量控制及部分設備保護控制。調整燃燒控制軟件中的溫度模糊控制程序和流量模糊控制程序參數(shù):采樣/控制周期，偏差模糊化因子，偏差變化率模糊化因子，輸出量化因子，同時對模糊控制參數(shù)表進行了初步優(yōu)化。
(1) 爐溫控制
爐溫控制是加熱爐的核心控制部分，其目的是通過控制燃料—煤氣和助燃劑—熱空氣的流量，使爐溫的動態(tài)性能指標和靜態(tài)性能指標滿足工藝要求。
6段爐溫檢測、控制(含殘氧分析)，6段煤氣、空氣流量比例調節(jié)，6段煤氣流量/累計及空氣流量記錄。
加熱爐每段設二支熱電偶測量爐溫，經斷偶檢測器檢定后送DCS系統(tǒng)的溫度控制器，溫度控制器的設定值由操作員設定。在爐子煙道內設有氧分析儀，對煙氣的含氧量進行在線分析，信號送DCS系統(tǒng)中，自動參與空燃比修正。溫度控制器送出的信號經過雙交叉限幅控制、氧量反饋校正等環(huán)節(jié)后分別送給空氣和燃氣流量控制器，構成溫度流量串級回路，調節(jié)空氣和燃氣的流量，以達到控制爐溫的目的。為此我們采用條件判斷語句模式，根據(jù)溫度誤差大小及其變化趨勢對交叉限幅模式進行優(yōu)化，從而使流量控制器的設定值準確。大大改善了溫度控制效果。
為了克服雙交叉限幅控制升降溫時間較慢的缺點，控制中采用二自主度型前饋調節(jié)器技術以達到快速升(降)溫的目的。采用這些先進的控制策略的目的是達到充分的燃燒和提高加熱質量，以及作為軋機延遲時溫度控制，并確保燃燒自動控制的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)軟件上存在的干擾問題，曾造成多次計算機死機、畫面參數(shù)刷新緩慢等問題。經過優(yōu)化，完全解決了存在的隱患，同時對空燃比自動尋優(yōu)器進行了進一步的優(yōu)化，調整了控制表中的一些具體控制參數(shù)，提高了控制精度，節(jié)約了燃料，滿足了生產的要求，爐溫控制精度在±5℃，升降50℃僅需12min。煤氣壓力擾動時溫度曲線見圖2。

圖2 溫度曲線(煤氣壓力擾動時)
(2) 爐壓控制
爐壓控制對保護爐膛爐壁和爐門，控制爐內合理的氣氛有重要的意義。爐壓控制采用單回路控制策略，它是通過調整煙道百葉窗的開度，從而調節(jié)煙囪的吸力，進而控制爐膛壓力。因為爐壓檢測點位于出料端，出料爐門的開閉對爐壓的測量有一定的干擾，編制控制應用軟件對其進行修正是必要的。
(3) 煤氣和空氣壓力控制
煤氣和空氣的壓力控制采用單回路控制策略，它是通過煤氣總管調節(jié)閥和助燃風機進風中的調節(jié)閥進行控制的。
(4) 設備保護控制
由于加熱爐溫度高，燃料是易燃易爆的高焦爐混合煤氣，因此采取必要的保護措施是必須的。本系統(tǒng)的保護措施包括換熱器的保護、冷卻水管保護及安全聯(lián)鎖控制保護。
a) 換熱器的保護
換熱器的保護是通過煙道摻冷風、放散預熱空氣進行的。煙道廢氣溫度過高會燒壞換熱器。通過測量換熱器前的廢氣溫度，當其超過報警預定值時，控制系統(tǒng)自動打開稀釋風機。混入稀釋冷風，達到降低煙氣溫度、保護換熱器的目的。稀釋風量根據(jù)煙氣溫度，由設在稀釋風機出風口的自動控制閥進行控制。預熱空氣溫度過高時，控制系統(tǒng)自動放散熱空氣，達到保護換熱器的目的。
b) 冷卻水管保護
爐內每個冷卻水回路上均配有溫度檢測開關和流量檢測開關，可對爐內每個水管進行間接監(jiān)視。
c) 安全聯(lián)鎖控制
本加熱爐設有完善的安全聯(lián)鎖裝置。在空氣或煤氣在低壓或斷電事故發(fā)生時，控制系統(tǒng)可報警并安全地切斷煤氣供應，同時對煤氣總管和各段煤氣實行氮氣隔斷保護。
4 控制系統(tǒng)的軟件設計
該DCS是目前先進的儀表過程控制系統(tǒng)，不但能完成自動化要求的各種過程監(jiān)視、回路控制、順序控制、邏輯控制、而且還具有運算、分析，統(tǒng)計、管理、專用燃燒控制算法等多種功能。DCS軟件主要包括控制組態(tài)軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件兩部分，根據(jù)工藝要求及設備編制加熱爐實時控制應用軟件，主要有:6個爐段的燃燒控制程序，每個爐段的燃燒控制程序包括:1個主程序，溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序各1個;每個溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序又各包括4個自尋優(yōu)子程序;畫面包括:①運轉準備監(jiān)視，②參數(shù)修改畫面，③運轉狀態(tài)與故障狀態(tài)監(jiān)視，④報警畫面，⑤操作指導畫面，⑥控制流程畫面，⑦儀表回路畫面，⑧實時趨勢畫面﹑歷史趨勢畫面記錄畫面。
5 效果及結論
由于該系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設計合理，控制策略及軟件實施科學，致使加熱爐的升溫和降溫都比常規(guī)控制策略和PID算法快，一般每升降50℃大節(jié)約需要18分鐘;爐溫控制精度大大提高，一般控制在±8℃范圍內。鋼坯斷面溫差在10～20℃，沿長度方向上，坯兩端與坯中心溫度差為20～30℃，滿足了美國Morgan公司引進的高速軋機的要求。本系統(tǒng)的不足是根據(jù)氧化鋯的測試結果修正空燃比，效果不太理想。我們將探索和實驗在沒有熱值儀的情況下真正能在現(xiàn)場運行良好的尋優(yōu)算法去實現(xiàn)空燃比在線尋優(yōu)。