DCS控制系统在步进梁式加热炉上的应用

HEATS

1 引言
       安钢高速线材-轧钢加热炉是一座性能优良步进梁式-加热炉，其有效尺寸:20700×12700mm。额定加热能力为:120t/h，最大加热能力:140t/h。坯料规格:单排布料时:150×150×12000mm;双排布料时:150×150×5800mm;非定尺坯料:9000-12000 mm;最大坯重量:2190kg。燃烧介质:高焦炉混合煤气，低发热值为7536±210kJ/m3。最大用量24812m3/h。其热工控制系统是由Rockwell公司ProcessLogix DCS系统完成。步进炉内炉料步进及炉料进、出由西门子PLC控制。其中高速离散控制、过程控制和安全控制融合于一个Logix控制平台上先进控制技术，使加热炉炉温控制精度±5℃，升降50℃仅需12min;编写空燃比自动寻优器软件代替热值仪和氧气分析仪功能，实现了燃料流量和空气流量优化配比，使燃烧达最佳状态。
2 系统硬件组成
       高线加热炉使用RockwellProcessLogix DCS控制系统(编程软件为ControlBuilder和DisplayBuilder)。本系统配置了操作站、服务器、控制站3个部分。其结构如图1所示。

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图1 加热炉控制系统结构图

(1) 服务器
高效利用过程参数，本系统配置了DELL服务器，系统平台为Windows NT。配置了ProcessLogix Server 后，服务器具有了实时数据库和功能完善功能模块。用户可以用ContorlBuilder 组态和优化用户控制程序，用DisplayBulder制作HMI。同时，用户可方便用C语言编写自己特殊功能模块。同时，服务器还完成打印报表任务。操作站出现特殊情况时，服务器还要兼操作站所有功能，服务器是CONTROLNET网从控制器收集数据和向控制器发送命令，乙太网向操作站传送数据和接收命令。
(2) 操作站
操作站由研华工控机和基于Windows NT系统平台上STATION软件组成，总貌图、控制图、报警图、过程状态图、过程历史图这些丰富人机界面，操作员可以设定、查看过程参数或状态，察看故障报警明细。整个操作界面采用“向导式”结构，大大方便了操作员操作。
(3) 控制站
控制站采用PLX系统，用于完成对-加热炉热工控制和过程参数检测。该系统处理器1757PL*52A是Rockwell专用处理器，具有8MRAM，高速底板与网络融为一体，I/O模块可带电插拨，并可以任意安排。该系统中，控制站共设有1个主机架和2个扩展机架，完成了整个加热炉6段温度控制、60多点模拟量检测及20多个开关量输入和输出。系统模板采用如下:4个756 OF6CI/A模块、9个1756 IB16D/A模块、2个1756OW16I模块、4个1756IF6I/A模块、5个1756IR6I/A模块、4个1756IT6I/A模块。为提高本系统可靠量，所有AI、DI和DO均与现场进行了隔离，AI模板还选用了通道和通道间均有隔离双隔离模板。确定控制规则进行编程，加热炉工况选择使用。将现场信号采样﹑燃气流量模糊控制回路﹑空气流量模糊控制回路﹑温度模糊控制回路编成子程序，模块化，主程序中调用，以利于调试和控制功能组态。
(4) CONTROLNET网络与现场仪表
该网络属于无源高性能多元总线，5M传输速度。数据传输采用确定性传输方式，大大减少了数据传输量，现场仪表控制阀采用耐高温控制阀，执行机构采用气动执行机构，压力和差压变送器采用FISHER 3051变送器。保证了具有苛刻时间要求加热炉控制应用环境。
3 系统主要功能及策略
        -加热炉控制主要包括炉膛温度控制、燃烧介质压力控制、燃烧介质流量控制及部分设备保护控制。调整燃烧控制软件中温度模糊控制程序和流量模糊控制程序参数:采样/控制周期，偏差模糊化因子，偏差变化率模糊化因子，输出量化因子，同时对模糊控制参数表进行了初步优化。
(1) 炉温控制
炉温控制是-加热炉核心控制部分，其目是控制-燃料—煤气和助燃剂—热空气流量，使炉温动态性能指标和静态性能指标满足工艺要求。
6段炉温检测、控制(含残氧分析)，6段煤气、空气流量比例调节，6段煤气流量/累计及空气流量记录。
加热炉每段设二支热电偶测量炉温，经断偶检测器检定后送DCS系统温度控制器，温度控制器设定值由操作员设定。炉子烟道内设有氧分析仪，对烟气含氧量进行线分析，信号送DCS系统中，自动参与空燃比修正。温度控制器送出信号双交叉限幅控制、氧量反馈校正等环节后分别送给空气和燃气流量控制器，构成温度流量串级回路，调节空气和燃气流量，以达到控制炉温目。为此我们采用条件判断语句模式，温度误差大小及其变化趋势对交叉限幅模式进行优化，使流量控制器设定值准确。大大改善了温度控制效果。
克服双交叉限幅控制升降温时间较慢缺点，控制中采用二自主度型前馈调节器技术以达到快速升(降)温目。采用这些先进控制策略目是达到充分燃烧和提高加热质量，以及作为轧机延迟时温度控制，并确保燃烧自动控制稳定性。系统软件上存干扰问题，曾造成多次计算机死机、画面参数刷新缓慢等问题。优化，完全解决了存隐患，同时对空燃比自动寻优器进行了进一步优化，调整了控制表中一些具体控制参数，提高了控制精度，节约了燃料，满足了生产要求，炉温控制精度±5℃，升降50℃仅需12min。煤气压力扰动时温度曲线见图2。

图2 温度曲线(煤气压力扰动时)
(2) 炉压控制
炉压控制对保护炉膛炉壁和炉门，控制炉内合理气氛有重要意义。炉压控制采用单回路控制策略，它是调整烟道百叶窗开度，调节烟囱吸力，进而控制炉膛压力。炉压检测点位于出料端，出料炉门开闭对炉压测量有一定干扰，编制控制应用软件对其进行修正是必要。
(3) 煤气和空气压力控制
煤气和空气压力控制采用单回路控制策略，它是煤气总管调节阀和助燃风机进风中调节阀进行控制。
(4) -设备保护控制
加热炉温度高，燃料是易燃易爆高焦炉混合煤气，采取必要保护措施是必须。本系统保护措施包括换热器保护、冷却水管保护及安全联锁控制保护。
a) 换热器保护
换热器保护是烟道掺冷风、放散预热空气进行。烟道废气温度过高会烧坏换热器。测量换热器前废气温度，当其超过报警预定值时，控制系统自动打开稀释风机。混入稀释冷风，达到降低烟气温度、保护换热器目。稀释风量烟气温度，由设稀释风机出风口自动控制阀进行控制。预热空气温度过高时，控制系统自动放散热空气，达到保护换热器目。
b) 冷却水管保护
炉内每个冷却水回路上均配有温度检测开关和流量检测开关，可对炉内每个水管进行间接监视。
c) 安全联锁控制
本加热炉设有完善安全联锁装置。空气或煤气低压或断电事故发生时，控制系统可报警并安全切断煤气供应，同时对煤气总管和各段煤气实行氮气隔断保护。
4 控制系统软件设计
       该DCS是目前先进仪表过程控制系统，能完成自动化要求各种过程监视、回路控制、顺序控制、逻辑控制、还具有运算、分析，统计、管理、专用燃烧控制算法等多种功能。DCS软件主要包括控制组态软件和监控组态软件两部分，工艺要求及设备编制加热炉实时控制应用软件，主要有:6个炉段燃烧控制程序，每个炉段燃烧控制程序包括:1个主程序，温度/空气流量/煤气流量控制子程序各1个;每个温度/空气流量/煤气流量控制子程序又各包括4个自寻优子程序;画面包括:①运转准备监视，②参数修改画面，③运转状态与故障状态监视，④报警画面，⑤操作指导画面，⑥控制流程画面，⑦仪表回路画面，⑧实时趋势画面﹑历史趋势画面记录画面。
5 效果及结论
       该系统及现场仪表设计合理，控制策略及软件实施科学，致使加热炉升温和降温都比常规控制策略和PID算法快，一般每升降50℃大节约需要18分钟;炉温控制精度大大提高，一般控制±8℃范围内。钢坯断面温差10～20℃，沿长度方向上，坯两端与坯中心温度差为20～30℃，满足了美国Morgan公司引进高速轧机要求。本系统不足是氧化锆测试结果修正空燃比，效果不太理想。我们将探索和实验没有热值仪情况下真正能现场运行良好寻优算法去实现空燃比线寻优。