DCS控制系統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，低發熱值為7536±210kJ/m3。最大用量24812m3/h。其熱工控制系統是由Rockwell公司的ProcessLogix DCS系統完成。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器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀的功能，實現了燃料流量和空氣流量的優化配比，從而使燃燒達最佳狀態。
2 系統硬件的組成
高線加熱爐使用Rockwell的ProcessLogix DCS控制系統(編程軟件為ControlBuilder和DisplayBuilder)。本系統配置了操作站、服務器、控制站3個部分。其結構如圖1所示。

圖1 加熱爐控制系統結構圖

(1) 服務器
為了高效利用過程參數，本系統配置了DELL服務器，系統平臺為Windows NT。配置了ProcessLogix Server 后，服務器具有了實時數據庫和功能完善的功能模塊。用戶可以用ContorlBuilder 組態和優化用戶控制程序，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網從控制器收集數據和向控制器發送命令，通過乙太網向操作站傳送數據和接收命令。
(2) 操作站
操作站由研華工控機和基于Windows NT系統平臺上的STATION軟件組成，通過總貌圖、控制圖、報警圖、過程狀態圖、過程歷史圖這些豐富的人機界面，操作員可以設定、查看過程參數或狀態，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，用于完成對加熱爐的熱工控制和過程參數檢測。該系統的處理器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。為提高本系統的可靠量，所有AI、DI和DO均與現場進行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離的雙隔離模板。按照確定的控制規則進行編程，根據加熱爐的工況選擇使用。將現場信號采樣﹑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。
(4) CONTROLNET網絡與現場儀表
該網絡屬于無源的高性能多元總線，5M的傳輸速度。數據傳輸采用確定性的傳輸方式，大大減少了數據傳輸量，現場儀表控制閥采用耐高溫的控制閥，執行機構采用氣動執行機構，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境。
3 系統主要功能及策略
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: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表進行了初步優化。
(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，使爐溫的動態性能指標和靜態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，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、氧量反饋校正等環節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，根據溫度誤差大小及其變化趨勢對交叉限幅模式進行優化，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定性。由于系統軟件上存在的干擾問題，曾造成多次計算機死機、畫面參數刷新緩慢等問題。經過優化，完全解決了存在的隱患，同時對空燃比自動尋優器進行了進一步的優化，調整了控制表中的一些具體控制參數，提高了控制精度，節約了燃料，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閥和助燃風機進風中的調節閥進行控制的。
(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。本系統的保護措施包括換熱器的保護、冷卻水管保護及安全聯鎖控制保護。
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，控制系統自動打開稀釋風機?；烊胂♂尷滹L，達到降低煙氣溫度、保護換熱器的目的。稀釋風量根據煙氣溫度，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視。
c) 安全聯鎖控制
本加熱爐設有完善的安全聯鎖裝置。在空氣或煤氣在低壓或斷電事故發生時，控制系統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 控制系統的軟件設計
該DCS是目前先進的儀表過程控制系統，不但能完成自動化要求的各種過程監視、回路控制、順序控制、邏輯控制、而且還具有運算、分析，統計、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軟件和監控組態軟件兩部分，根據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個自尋優子程序;畫面包括:①運轉準備監視，②參數修改畫面，③運轉狀態與故障狀態監視，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
由于該系統及現場儀表設計合理，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控制策略和PID算法快，一般每升降50℃大節約需要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。本系統的不足是根據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場運行良好的尋優算法去實現空燃比在線尋優。