DCS控制系統(tǒng)在步進(jìn)梁式加熱爐上的應(yīng)用

1 引言
       安鋼高速線材軋鋼加熱爐是一座性能優(yōu)良步進(jìn)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(shí):150×150×12000mm;雙排布料時(shí):150×150×5800mm;非定尺坯料:9000-12000 mm;最大坯重量:2190kg。燃燒介質(zhì):高焦?fàn)t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ProcessLogix DCS系統(tǒng)完成。步進(jìn)爐內(nèi)爐料步進(jìn)及爐料進(jìn)、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(gè)Logix控制平臺(tái)上先進(jìn)控制技術(shù)，使加熱爐爐溫控制精度±5℃，升降50℃僅需12min;編寫空燃比自動(dòng)尋優(yōu)器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀功能，實(shí)現(xiàn)了燃料流量和空氣流量優(yōu)化配比，使燃燒達(dá)最佳狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件組成
       高線加熱爐使用RockwellProcessLogix 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(wù)器、控制站3個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加熱爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 服務(wù)器
高效利用過程參數(shù)，本系統(tǒng)配置了DELL服務(wù)器，系統(tǒng)平臺(tái)為Windows NT。配置了ProcessLogix Server 后，服務(wù)器具有了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和功能完善功能模塊。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(shí)，用戶可方便用C語言編寫自己特殊功能模塊。同時(shí)，服務(wù)器還完成打印報(bào)表任務(wù)。操作站出現(xiàn)特殊情況時(shí)，服務(wù)器還要兼操作站所有功能，服務(wù)器是CONTROLNET網(wǎng)從控制器收集數(shù)據(jù)和向控制器發(fā)送命令，乙太網(wǎng)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(jī)和基于Windows NT系統(tǒng)平臺(tái)上STATION軟件組成，總貌圖、控制圖、報(bào)警圖、過程狀態(tài)圖、過程歷史圖這些豐富人機(jī)界面，操作員可以設(shè)定、查看過程參數(shù)或狀態(tài)，察看故障報(bào)警明細(xì)。整個(gè)操作界面采用“向?qū)健苯Y(jié)構(gòu)，大大方便了操作員操作。
(3) 控制站
控制站采用PLX系統(tǒng)，用于完成對加熱爐熱工控制和過程參數(shù)檢測。該系統(tǒng)處理器1757PL*52A是Rockwell專用處理器，具有8MRAM，高速底板與網(wǎng)絡(luò)融為一體，I/O模塊可帶電插撥，并可以任意安排。該系統(tǒng)中，控制站共設(shè)有1個(gè)主機(jī)架和2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，完成了整個(gè)加熱爐6段溫度控制、60多點(diǎn)模擬量檢測及20多個(gè)開關(guān)量輸入和輸出。系統(tǒng)模板采用如下:4個(gè)756 OF6CI/A模塊、9個(gè)1756 IB16D/A模塊、2個(gè)1756OW16I模塊、4個(gè)1756IF6I/A模塊、5個(gè)1756IR6I/A模塊、4個(gè)1756IT6I/A模塊。為提高本系統(tǒng)可靠量，所有AI、DI和DO均與現(xiàn)場進(jìn)行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離雙隔離模板。確定控制規(guī)則進(jìn)行編程，加熱爐工況選擇使用。將現(xiàn)場信號采樣﹑燃?xì)饬髁磕：刂苹芈珐p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，主程序中調(diào)用，以利于調(diào)試和控制功能組態(tài)。
(4) CONTROLNET網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場儀表
該網(wǎng)絡(luò)屬于無源高性能多元總線，5M傳輸速度。數(shù)據(jù)傳輸采用確定性傳輸方式，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控制閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓力和差壓變送器采用FISHER 3051變送器。保證了具有苛刻時(shí)間要求加熱爐控制應(yīng)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(zhì)壓力控制、燃燒介質(zhì)流量控制及部分設(shè)備保護(hù)控制。調(diào)整燃燒控制軟件中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(shí)對模糊控制參數(shù)表進(jìn)行了初步優(yōu)化。
(1) 爐溫控制
爐溫控制是加熱爐核心控制部分，其目是控制燃料—煤氣和助燃劑—熱空氣流量，使?fàn)t溫動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和靜態(tài)性能指標(biāo)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(diào)節(jié)，6段煤氣流量/累計(jì)及空氣流量記錄。
加熱爐每段設(shè)二支熱電偶測量爐溫，經(jīng)斷偶檢測器檢定后送DCS系統(tǒng)溫度控制器，溫度控制器設(shè)定值由操作員設(shè)定。爐子煙道內(nèi)設(shè)有氧分析儀，對煙氣含氧量進(jìn)行線分析，信號送DCS系統(tǒng)中，自動(dòng)參與空燃比修正。溫度控制器送出信號雙交叉限幅控制、氧量反饋校正等環(huán)節(jié)后分別送給空氣和燃?xì)饬髁靠刂破?，?gòu)成溫度流量串級回路，調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)饬髁浚赃_(dá)到控制爐溫目。為此我們采用條件判斷語句模式，溫度誤差大小及其變化趨勢對交叉限幅模式進(jìn)行優(yōu)化，使流量控制器設(shè)定值準(zhǔn)確。大大改善了溫度控制效果。
克服雙交叉限幅控制升降溫時(shí)間較慢缺點(diǎn)，控制中采用二自主度型前饋調(diào)節(jié)器技術(shù)以達(dá)到快速升(降)溫目。采用這些先進(jìn)控制策略目是達(dá)到充分燃燒和提高加熱質(zhì)量，以及作為軋機(jī)延遲時(shí)溫度控制，并確保燃燒自動(dòng)控制穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件上存干擾問題，曾造成多次計(jì)算機(jī)死機(jī)、畫面參數(shù)刷新緩慢等問題。優(yōu)化，完全解決了存隱患，同時(shí)對空燃比自動(dòng)尋優(yōu)器進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，調(diào)整了控制表中一些具體控制參數(shù)，提高了控制精度，節(jié)約了燃料，滿足了生產(chǎn)要求，爐溫控制精度±5℃，升降50℃僅需12min。煤氣壓力擾動(dòng)時(shí)溫度曲線見圖2。

圖2 溫度曲線(煤氣壓力擾動(dòng)時(shí))
(2) 爐壓控制
爐壓控制對保護(hù)爐膛爐壁和爐門，控制爐內(nèi)合理氣氛有重要意義。爐壓控制采用單回路控制策略，它是調(diào)整煙道百葉窗開度，調(diào)節(jié)煙囪吸力，進(jìn)而控制爐膛壓力。爐壓檢測點(diǎn)位于出料端，出料爐門開閉對爐壓測量有一定干擾，編制控制應(yīng)用軟件對其進(jìn)行修正是必要。
(3) 煤氣和空氣壓力控制
煤氣和空氣壓力控制采用單回路控制策略，它是煤氣總管調(diào)節(jié)閥和助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)中調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。
(4) 設(shè)備保護(hù)控制
加熱爐溫度高，燃料是易燃易爆高焦?fàn)t混合煤氣，采取必要保護(hù)措施是必須。本系統(tǒng)保護(hù)措施包括換熱器保護(hù)、冷卻水管保護(hù)及安全聯(lián)鎖控制保護(hù)。
a) 換熱器保護(hù)
換熱器保護(hù)是煙道摻冷風(fēng)、放散預(yù)熱空氣進(jìn)行。煙道廢氣溫度過高會(huì)燒壞換熱器。測量換熱器前廢氣溫度，當(dāng)其超過報(bào)警預(yù)定值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開稀釋風(fēng)機(jī)。混入稀釋冷風(fēng)，達(dá)到降低煙氣溫度、保護(hù)換熱器目。稀釋風(fēng)量煙氣溫度，由設(shè)稀釋風(fēng)機(jī)出風(fēng)口自動(dòng)控制閥進(jìn)行控制。預(yù)熱空氣溫度過高時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)放散熱空氣，達(dá)到保護(hù)換熱器目。
b) 冷卻水管保護(hù)
爐內(nèi)每個(gè)冷卻水回路上均配有溫度檢測開關(guān)和流量檢測開關(guān)，可對爐內(nèi)每個(gè)水管進(jìn)行間接監(jiān)視。
c) 安全聯(lián)鎖控制
本加熱爐設(shè)有完善安全聯(lián)鎖裝置?？諝饣蛎簹獾蛪夯驍嚯娛鹿拾l(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)可報(bào)警并安全切斷煤氣供應(yīng)，同時(shí)對煤氣總管和各段煤氣實(shí)行氮?dú)飧魯啾Ｗo(hù)。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
       該DCS是目前先進(jìn)儀表過程控制系統(tǒng)，能完成自動(dòng)化要求各種過程監(jiān)視、回路控制、順序控制、邏輯控制、還具有運(yùn)算、分析，統(tǒng)計(jì)、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，工藝要求及設(shè)備編制加熱爐實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件，主要有:6個(gè)爐段燃燒控制程序，每個(gè)爐段燃燒控制程序包括:1個(gè)主程序，溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序各1個(gè);每個(gè)溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序又各包括4個(gè)自尋優(yōu)子程序;畫面包括:①運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備監(jiān)視，②參數(shù)修改畫面，③運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與故障狀態(tài)監(jiān)視，④報(bào)警畫面，⑤操作指導(dǎo)畫面，⑥控制流程畫面，⑦儀表回路畫面，⑧實(shí)時(shí)趨勢畫面﹑歷史趨勢畫面記錄畫面。
5 效果及結(jié)論
       該系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)合理，控制策略及軟件實(shí)施科學(xué)，致使加熱爐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±8℃范圍內(nèi)。鋼坯斷面溫差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(jìn)高速軋機(jī)要求。本系統(tǒng)不足是氧化鋯測試結(jié)果修正空燃比，效果不太理想。我們將探索和實(shí)驗(yàn)沒有熱值儀情況下真正能現(xiàn)場運(yùn)行良好尋優(yōu)算法去實(shí)現(xiàn)空燃比線尋優(yōu)。