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【摘 要】本文介绍宝钢股份特钢事业部条钢厂线材分厂步进式加热炉燃烧控制温度自动控制原理。我厂使用的步进式加热炉,其自动控制系统主要由Siemens PLC 、操作站（上位机）、工程师站、西门子阀门定位器、调节阀组成。针对加热炉生产规格多，每炉钢坯目标温度值差别较大，存在超调或调节速度慢的状况，把基于经验和运行技术的人工智能引入控制系统中，能很好地完成温度自动控制。
【关键词】加热炉；燃烧控制系统；西门子PLC；阀门定位器
０．概述
加热炉是轧钢生产企业中的主要耗能设备，尽量提高燃料利用率，是节能降耗需解决的主要问题。我厂步进梁式加热炉于2003年新建投产，用于钢坯轧制前加热，生产能力70—90t/h，炉子燃料选用天然气，分八段控温。加热炉加热钢种包括不锈钢、阀门钢、合结钢、轴承钢等，钢坯规格标准坯为160 mm×160 mm×10000 mm。钢坯加热温度为950～1250℃，最高炉温为1350℃。相对于其他类型加热炉而言，本加热炉生产品种规格多，并且每炉钢坯目标温度值差别较大，需要的天然气流量和空气流量变化幅度较大。采用传统的PID控制很难实现找到合理的最佳空燃比，无法满足加热炉温度大范围变化的要求。经过多次调试，把基于经验和运行技术的人工智能引入PID控制系统中，能很好地完成温度自动控制。
1.加热炉燃烧控制系统的构成
为保证炉温的均匀性、多段燃烧的合理性， DCS主站包括两台操作员站，一台工程师，都是采用工业型PC(CPU:Intel Pentium 2.7GHZ ,2GRAM,320G硬盘，24倍速) 来实现对过程数据的显示和监控、历史趋势的记录、控制器的状态监控、控制回路的自动和手动操作、打印报表功能、控制参数、报警参数和调节器参数等设定。人机交互软件采用Intouch 9.5组态软件，完成数据实时显示、监控、历史数据存取、报警记录及参数设定。
PLC主站采用SIEMENS公司的S7-414H热后备冗余功能PLC，配置CP443工业以太网模板， 从站选用ET200M作为远程从站，从站配有远程I/O模块。根据实际需要，本项目共设有4处ET200M从站。八区燃气和空气流量调节阀以及炉压、燃气总管等共21处阀门定位器采用SIEMENS的全智能产品。整个PLC主从站采用PROFIBUS-DP及DP/PA 现场总线结构，既保证了过程信号适时性，又减少大量的施工配线。
整个控制系统具有完善的开放型网络，采用工业以太网通讯协议主站与PLC之间及主站与L2系统都是通过IP/TCP协议进行系统通讯。该系统配置图如图1所示。
图1 燃烧控制系统配置图
2.新型温度控制方式的提出
本加热炉被分成一二上下加热、上下左右均热共8个温度控制区。每区温度单独采用一个温度控制器进行控制。一加热上、二加热上、均热段上各在相应炉顶分布着三支S型热电偶用于测上加热段温度，一加下、二加下、均热下各左右分布一支S型测温热电偶，测量下加热段温度。
传统的加热炉控制大多采用PID串级并联双交叉控制方式，它具有其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，但是加热炉温度控制系统是一个大惯性系统，加上我厂加热炉又有本身的特点：炉号较小、空步多、不同钢种在同一炉内加热。生产过程中要进行多次升、降温，尽管对P、I等控制参数进行过多次优化修改，仍然无法满足要求。在这种特定条件下，不适合单独使用PID策略进行温度自动控制。
为适应实际的生产需要，加热炉的温度控制必须具有升温、降温响应速度快，温度波动相对较小的特点。通过查阅相关资料和平时数据的积累，设计了一种新型的温度自动控制方式，通过执行程序，根据目标值和实际值的差值的大小，来确定相应的温度提升或下降的步距，逐次逼近目标值，当实际值进入设置的温度值死区，调节阀的控制方式切换至手动模式，保证在死区内，空气和燃气调阀门不动作，流量稳定在一定的数值上。温度值偏离死区外，调节阀再进行调整。
3.新型温度控制方式的实现
3.1升温
当实际值低于设定值，允许升温条件成立，“允许升温”逻辑值置“1”；当实际值－设定值<-5，开始升温，“升温开始”逻辑值置“1”。升温时，空气流量先增加，然后燃气流量按空燃比再增加。空气流量的增量值是由温差大小决定的，称为“升温步距”。在程序中，“升温步距”设定为5档，其功能通过定义的功能块实现的。升温步距选择见表1.
表1 升温步距表
过程：设定一个二加热上温度，数据存入DB15.DB38中，当实际温度小于设定温度，内存变量M45.4置“1”表示准备升温，M47.2置“1”表示快速升温允许。实际温度低于设定温度5度，M47.3置“1”表示快速升温开始。二加上空气流量的理论最大值是9000，一般它的85%认为已经接近实际的最大流量，约7700，所以升温前先判断空气流量设定值DBD6.DB38中的数据是否小于7700。如果小于7700，DBD6.DB38中的流量设定值送到内存变量MD604中，MD604中的数据加上二加上升温步距，增加后的值再送到DBD6.DB38中，作为新的空气流量设定值。空气流量增加后，经过3秒钟的延时，将空气流量实际值除以空燃比，存放到内存变量MD600中，然后送到DBD6.DB42中作为燃气设定值。考虑到温度的大惯性，在流量增加的过程中，设定一个30秒的时间脉冲，用于控制升温节奏。
当温度升至比设定值低5度时，空气调节阀和燃气调节阀停止动作，进入保温状态。升温跟踪曲线图见图4（1050℃升至1100℃）
图2 二加热段上15分钟升温跟踪曲线图（1050℃升至1100℃）
3.2降温
当实际值>设定值，允许降温条件成立，“允许降温”逻辑值置“1”；当实际值－设定值>3，开始降温，“降温开始”逻辑值置“1”。降温时，燃气流量先减少，然后空气流量按空燃比再减少。燃气流量的减少值是由温差大小决定的，称为“降温步距”。在程序中，“降温步距”设定为5档，其功能通过定义功能块实现的。降温步距选择见表2.
表2 降温步距表
过程：设定一个二加热上温度，数据存入DB15.DB38中，当实际温度大于设定温度，内存变量M45.5置“1”表示准备降温，M47.2置“1”表示快速降温允许。实际温度大于设定温度3度，M47.1置“1”表示快速降温开始。由于调节阀的特性关系，当二加热段的燃气流量小于110时，测量值极不稳定，没有参考意义，因此，先判断燃气流量是否大于110。当燃气流量大于110，燃气流量设定值DB6.DB42送到内存变量MD600中，MD600中的数据减去二加上降温步距，减少后的值再送到DB6.DB42中，作为新的燃气流量设定值。经过3秒钟的延时，空气流量开始减少，将燃气流量实际值乘以空燃比，存放到内存变量MD604中，然后送到DBD6.DB38中作为空气流量设定值。为了保证空气需有一定的流量，在空气流量减少前，先判断空气流量是否大于1900（流量变送器的最小有效值），大于空气流量按步距减少，否则不减少，停止降温。降温跟踪曲线图见图5（1190℃降至1100℃）
图3 二加热段上15分钟降温跟踪曲线图（1190℃降至1100℃）
和升温一样，考虑到温度的大惯性在流量减少的过程中，设定一个30秒的时间脉冲，用于控制降温节奏。
4.新型温度控制稳定运行的保障
为了使这套温控系统能够稳定运行，必须采取一些硬件和软件措施能使系统的稳定运行得到保障。
4.1硬件方面
4.1.1温度控制基于测量设备的完好，因此，应定期检查校验流量变送器，压力变送器，确保正常工作。
4.1.2定期检查上位机与下位机调节阀开度，观察是否一致。如果存在一定偏差，就要检查执行机构与阀的连接是否有松动，及时紧固，阀门定位器重新做整定。
4.1.3燃气调节阀采用球阀，因此，要求备件质量较好，发现有卡阻现象应及时更换。
4.1.4定期检查气动执行机构的气源，保证有4.5～6公斤的气源压力。检查气路，不能有明显漏气点。
4.1.5阀门定位器气路保持通畅，出气虑芯要保持清洁，定期清扫。
4.1.6定期检查测温回路，保证温度检测真实有效。
4.2软件方面
4.2.1为了防止空气或燃气突然波动，给检测带来干扰，在程序中加入了抗干扰滤波和限幅功能。
4.2.2保证温度控制正常进行，要求空气、燃气流量计量有效，对调节阀的最低开度有一个限度，增加了阀位低报警功能。
4.2.3对空气、燃气最低流量设置限定值，保证在低值时，调节阀停止动作，防止调节阀窜动。
4.2.4在HMI画面上显示每一段的空燃比，用来观察每一时刻的空燃比，以求达到较佳的空燃比。
5.结束语
加热炉采用步进式的控制思想在越来越多的轧钢生产线中得到应用, 其燃烧控制系统也日趋成熟。现代燃烧控制系统中出现了许多控制方式, 但不管以哪种控制方式, 控制系统都应作到响应过程短、炉温控制精度高, 以提高加热质量为目的。
【参考文献】
［１］廖常初主编．S7-300/400 PLC应用技术．
［２］编写组编．调节阀与阀门定位器．石油化工仪表自动培训教材．
［３］武平丽主编．过程控制及自动化仪表．
［４］杨庆柏编著．现场总线仪表．
［５］向晓汉主编．西门子PLC高级应用实例精解．
［６］崔坚主编．西门子工业网络通信指南．
［７］马正午，周德兴编著．过程可视化组态软件InTouch应用技术．
［８］普小洋．编著．西门子PLC与InTouch综合应用．
【关键词】加热炉；燃烧控制系统；西门子PLC；阀门定位器
０．概述
加热炉是轧钢生产企业中的主要耗能设备，尽量提高燃料利用率，是节能降耗需解决的主要问题。我厂步进梁式加热炉于2003年新建投产，用于钢坯轧制前加热，生产能力70—90t/h，炉子燃料选用天然气，分八段控温。加热炉加热钢种包括不锈钢、阀门钢、合结钢、轴承钢等，钢坯规格标准坯为160 mm×160 mm×10000 mm。钢坯加热温度为950～1250℃，最高炉温为1350℃。相对于其他类型加热炉而言，本加热炉生产品种规格多，并且每炉钢坯目标温度值差别较大，需要的天然气流量和空气流量变化幅度较大。采用传统的PID控制很难实现找到合理的最佳空燃比，无法满足加热炉温度大范围变化的要求。经过多次调试，把基于经验和运行技术的人工智能引入PID控制系统中，能很好地完成温度自动控制。
1.加热炉燃烧控制系统的构成
为保证炉温的均匀性、多段燃烧的合理性， DCS主站包括两台操作员站，一台工程师，都是采用工业型PC(CPU:Intel Pentium 2.7GHZ ,2GRAM,320G硬盘，24倍速) 来实现对过程数据的显示和监控、历史趋势的记录、控制器的状态监控、控制回路的自动和手动操作、打印报表功能、控制参数、报警参数和调节器参数等设定。人机交互软件采用Intouch 9.5组态软件，完成数据实时显示、监控、历史数据存取、报警记录及参数设定。
PLC主站采用SIEMENS公司的S7-414H热后备冗余功能PLC，配置CP443工业以太网模板， 从站选用ET200M作为远程从站，从站配有远程I/O模块。根据实际需要，本项目共设有4处ET200M从站。八区燃气和空气流量调节阀以及炉压、燃气总管等共21处阀门定位器采用SIEMENS的全智能产品。整个PLC主从站采用PROFIBUS-DP及DP/PA 现场总线结构，既保证了过程信号适时性，又减少大量的施工配线。
整个控制系统具有完善的开放型网络，采用工业以太网通讯协议主站与PLC之间及主站与L2系统都是通过IP/TCP协议进行系统通讯。该系统配置图如图1所示。
图1 燃烧控制系统配置图
2.新型温度控制方式的提出
本加热炉被分成一二上下加热、上下左右均热共8个温度控制区。每区温度单独采用一个温度控制器进行控制。一加热上、二加热上、均热段上各在相应炉顶分布着三支S型热电偶用于测上加热段温度，一加下、二加下、均热下各左右分布一支S型测温热电偶，测量下加热段温度。
传统的加热炉控制大多采用PID串级并联双交叉控制方式，它具有其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，但是加热炉温度控制系统是一个大惯性系统，加上我厂加热炉又有本身的特点：炉号较小、空步多、不同钢种在同一炉内加热。生产过程中要进行多次升、降温，尽管对P、I等控制参数进行过多次优化修改，仍然无法满足要求。在这种特定条件下，不适合单独使用PID策略进行温度自动控制。
为适应实际的生产需要，加热炉的温度控制必须具有升温、降温响应速度快，温度波动相对较小的特点。通过查阅相关资料和平时数据的积累，设计了一种新型的温度自动控制方式，通过执行程序，根据目标值和实际值的差值的大小，来确定相应的温度提升或下降的步距，逐次逼近目标值，当实际值进入设置的温度值死区，调节阀的控制方式切换至手动模式，保证在死区内，空气和燃气调阀门不动作，流量稳定在一定的数值上。温度值偏离死区外，调节阀再进行调整。
3.新型温度控制方式的实现
3.1升温
当实际值低于设定值，允许升温条件成立，“允许升温”逻辑值置“1”；当实际值－设定值<-5，开始升温，“升温开始”逻辑值置“1”。升温时，空气流量先增加，然后燃气流量按空燃比再增加。空气流量的增量值是由温差大小决定的，称为“升温步距”。在程序中，“升温步距”设定为5档，其功能通过定义的功能块实现的。升温步距选择见表1.
表1 升温步距表
过程：设定一个二加热上温度，数据存入DB15.DB38中，当实际温度小于设定温度，内存变量M45.4置“1”表示准备升温，M47.2置“1”表示快速升温允许。实际温度低于设定温度5度，M47.3置“1”表示快速升温开始。二加上空气流量的理论最大值是9000，一般它的85%认为已经接近实际的最大流量，约7700，所以升温前先判断空气流量设定值DBD6.DB38中的数据是否小于7700。如果小于7700，DBD6.DB38中的流量设定值送到内存变量MD604中，MD604中的数据加上二加上升温步距，增加后的值再送到DBD6.DB38中，作为新的空气流量设定值。空气流量增加后，经过3秒钟的延时，将空气流量实际值除以空燃比，存放到内存变量MD600中，然后送到DBD6.DB42中作为燃气设定值。考虑到温度的大惯性，在流量增加的过程中，设定一个30秒的时间脉冲，用于控制升温节奏。
当温度升至比设定值低5度时，空气调节阀和燃气调节阀停止动作，进入保温状态。升温跟踪曲线图见图4（1050℃升至1100℃）
图2 二加热段上15分钟升温跟踪曲线图（1050℃升至1100℃）
3.2降温
当实际值>设定值，允许降温条件成立，“允许降温”逻辑值置“1”；当实际值－设定值>3，开始降温，“降温开始”逻辑值置“1”。降温时，燃气流量先减少，然后空气流量按空燃比再减少。燃气流量的减少值是由温差大小决定的，称为“降温步距”。在程序中，“降温步距”设定为5档，其功能通过定义功能块实现的。降温步距选择见表2.
表2 降温步距表
过程：设定一个二加热上温度，数据存入DB15.DB38中，当实际温度大于设定温度，内存变量M45.5置“1”表示准备降温，M47.2置“1”表示快速降温允许。实际温度大于设定温度3度，M47.1置“1”表示快速降温开始。由于调节阀的特性关系，当二加热段的燃气流量小于110时，测量值极不稳定，没有参考意义，因此，先判断燃气流量是否大于110。当燃气流量大于110，燃气流量设定值DB6.DB42送到内存变量MD600中，MD600中的数据减去二加上降温步距，减少后的值再送到DB6.DB42中，作为新的燃气流量设定值。经过3秒钟的延时，空气流量开始减少，将燃气流量实际值乘以空燃比，存放到内存变量MD604中，然后送到DBD6.DB38中作为空气流量设定值。为了保证空气需有一定的流量，在空气流量减少前，先判断空气流量是否大于1900（流量变送器的最小有效值），大于空气流量按步距减少，否则不减少，停止降温。降温跟踪曲线图见图5（1190℃降至1100℃）
图3 二加热段上15分钟降温跟踪曲线图（1190℃降至1100℃）
和升温一样，考虑到温度的大惯性在流量减少的过程中，设定一个30秒的时间脉冲，用于控制降温节奏。
4.新型温度控制稳定运行的保障
为了使这套温控系统能够稳定运行，必须采取一些硬件和软件措施能使系统的稳定运行得到保障。
4.1硬件方面
4.1.1温度控制基于测量设备的完好，因此，应定期检查校验流量变送器，压力变送器，确保正常工作。
4.1.2定期检查上位机与下位机调节阀开度，观察是否一致。如果存在一定偏差，就要检查执行机构与阀的连接是否有松动，及时紧固，阀门定位器重新做整定。
4.1.3燃气调节阀采用球阀，因此，要求备件质量较好，发现有卡阻现象应及时更换。
4.1.4定期检查气动执行机构的气源，保证有4.5～6公斤的气源压力。检查气路，不能有明显漏气点。
4.1.5阀门定位器气路保持通畅，出气虑芯要保持清洁，定期清扫。
4.1.6定期检查测温回路，保证温度检测真实有效。
4.2软件方面
4.2.1为了防止空气或燃气突然波动，给检测带来干扰，在程序中加入了抗干扰滤波和限幅功能。
4.2.2保证温度控制正常进行，要求空气、燃气流量计量有效，对调节阀的最低开度有一个限度，增加了阀位低报警功能。
4.2.3对空气、燃气最低流量设置限定值，保证在低值时，调节阀停止动作，防止调节阀窜动。
4.2.4在HMI画面上显示每一段的空燃比，用来观察每一时刻的空燃比，以求达到较佳的空燃比。
5.结束语
加热炉采用步进式的控制思想在越来越多的轧钢生产线中得到应用, 其燃烧控制系统也日趋成熟。现代燃烧控制系统中出现了许多控制方式, 但不管以哪种控制方式, 控制系统都应作到响应过程短、炉温控制精度高, 以提高加热质量为目的。
【参考文献】
［１］廖常初主编．S7-300/400 PLC应用技术．
［２］编写组编．调节阀与阀门定位器．石油化工仪表自动培训教材．
［３］武平丽主编．过程控制及自动化仪表．
［４］杨庆柏编著．现场总线仪表．
［５］向晓汉主编．西门子PLC高级应用实例精解．
［６］崔坚主编．西门子工业网络通信指南．
［７］马正午，周德兴编著．过程可视化组态软件InTouch应用技术．
［８］普小洋．编著．西门子PLC与InTouch综合应用．