節能型保溫爐的控制方法及解析

馮展國

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900）

節能型保溫爐的控制方法及解析

馮展國

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900）

介紹了一種鋼鐵廠板坯保溫爐的生產過程實時監控系統的設計方案。此系統能夠對保溫加熱爐各區的溫度、煤氣和空氣的流量等進行自動控制、顯示和超限報警，并通過保溫爐蓋開閉控制做到有效減少熱量散失。

保溫爐；加熱爐；風機節能控制；板坯庫調度；雙交叉限幅控制；爐蓋傳動控制

寶鋼集團不銹鋼分公司1780熱軋主產線兼顧普碳鋼和不銹鋼產品的生產，不銹鋼的生產由于各種原因，不可能做到連續生產，必然會集中料坯后軋制，須進保溫爐保溫的坯料量經常會超過48塊的存放量，顯然保溫爐將成為超純鐵素體不銹鋼生產的一個必要條件。筆者以該廠保溫爐為例探討一種保溫爐控制方法。

1　保溫爐的技術參數及對控制系統的要求

保溫爐數量及規格：一座兩坑

每個保溫坑凈空尺寸：13 000 mm×7 000 mm× 3 000 mm

最大裝料量：1 440 t（共4垛位，每個垛位12塊坯）

最高出坯溫度：400℃，進爐最低溫度：180℃

出爐最高溫度：400℃，出爐平均溫度：300℃

保溫爐以通常煤氣（或天然氣）為燃料，空氣為助燃氣體?？刂颇Ｐ桶褷t內溫度作為控制對象，控制煤氣燃燒釋放熱量的多少作為控制手段。為了控制板坯溫度，使得保溫爐內的溫度在規定的溫度范圍內，且坯料的保溫溫度從整個斷面看要均勻一致。監控系統主要任務是對保溫爐的燃燒制度進行自動控制，具備重要狀態量的顯示和超限報警。為防止熱量流失，保溫爐上方設有高低兩個爐蓋進行封閉；行車系統取放板坯時，爐蓋要打開，但要盡量縮短打開爐蓋的時間，減少熱量散失，這就需要同行車控制系統配合，制定合理爐蓋開關策略，從而為板坯庫區域未來實現行車無人化駕駛創造條件。

2　系統控制策略解析

按照控制對象來分，保溫爐控制主要由燃燒控制、爐蓋控制及風機控制三部分組成。

2.1基于雙交叉限幅控制理論的燃燒控制

雙交叉限幅控制是鋼鐵廠工業爐的燃燒控制、爐溫控制具有比較成熟控制手段［1-3］，近年來科技工程人員相繼提出若干針對特定控制對象的優化控制手段［4-7］?？紤]到保溫爐的工藝要求，可以采用雙交叉限幅PID控制，并預留控制模型接口的方式［8-9］。爐區的測溫熱電阻采集的溫度信號為溫度測量值（稱為PV）。PID溫度調節器的輸出為A。PID溫度調節器的溫度設定值（稱為SP）由計算機（HMI）人工手動設定，控制流程如圖1所示。

圖1　雙交叉限幅控制的邏輯流程圖

在平衡狀態下，煤氣和空氣的流量調節器的設定值均由PID溫度調節器的輸出A決定。但是在非平衡狀態下進行的雙交叉限幅調節過程中的煤氣和空氣的流量調節器設定值不完全由A確定。升溫時，煤氣和空氣同時取上限限幅值。隨著溫度的升高，A值將逐漸變小。當溫度上升到PV=SP時或者非常接近時，雙交叉限幅調節過程進人平衡狀態。降溫時，煤氣和空氣同時取下限限幅值。隨著溫度的降低，A值逐漸增大，當溫度下降到PV=SP時或者非常接近時，雙交叉限幅調節過程進人平衡狀態。作為空氣煤氣控制回路的設定值，偏差系數k1-k4的選擇很關鍵。一方面可以在過渡過程中起到限幅作用，使得煤氣流量的變化速度始終不超過空氣流量的變化速度，另一方面能避免因為煤氣過量和空氣過量互相干擾引起的波動，保證燃燒過程在最佳燃燒段進行。

偏差系數k1，k2，k3，k4的選取經驗：先依據經驗設定一個經驗值，在調試及運行的過程中不斷修正，通過一段時間的運行最終確認。取k4＞k1可以保證升溫時空氣先行，在增加煤氣時，可以多增加些空氣量，不至于出現燃料過剩而冒黑煙。取k3＜k2，可以保證降溫時煤氣先行，在減少煤氣時，把煤氣減少的多一點，使煤氣變化的速度始終不超過空氣。當煤氣的熱值變化較大時，需要配置熱值儀，將燃料熱值引人空燃比a的修正環節。當熱值波動時，空燃比a也隨之調整，自動進行空氣、燃氣的配比，提高調節精度。

2.2基于L2（板坯庫管理系統）的爐蓋開閉控制策略

板坯庫管理系統根據生產計劃和板坯庫存情況，依靠數據庫技術，總體調度整個車間的板坯物流。保溫爐爐內的堆垛板坯信息屬于板坯庫管理系統管理內容的一部分，在板坯庫管理系統的數據庫中有映像數據。行車控制系統與板坯庫管理系統直接通訊。保溫爐控制系統PLC/DCS通過L2和板坯庫管理系統建立通訊。板坯庫管理系統調度保溫爐進行板坯存儲時，會把通訊電文發送給保溫爐PLC/ DCS，同時發送給行車系統，并協調行車和保溫爐爐蓋的動作一致性，在行車到達時，打開爐蓋，行車吊裝板坯完畢后關閉爐蓋。爐蓋采用變頻馬達驅動，在自動狀態下根據板坯庫管理系統下發的開關指令動作來使爐蓋水平平穩的升、降速運行，并能精確定位。老式保溫爐爐蓋需要通過行車吊走才能放人板坯，需要蓋上爐蓋時還要動用行車，節奏較慢，而且造成熱量散失，且占用行車作業時間。

未來行車無人化駕駛改造后，無需對保溫爐爐蓋控制進行大的修改，只需要將爐蓋控制模式設置為遠程控制，把權限設置由L2系統指令控制即可。

2.3基于VVVF變頻控制和風管開口度PID控制的風機節能運行

為滿足保溫爐正常運行所需要的風量要求，舊式加熱/保溫爐助燃風機通過啟停不同數量的風機和調節其進口風門開度，調節風門開度的本質是改變風的阻力大小來改變風量，在保證風壓穩定的同時來滿足加熱爐對風量的需求。由于大部分時間段保溫爐對風量的需求遠小于所設置的多臺助燃風機的額定風量，造成很大浪費。本設計采用變頻助燃風機，通過改變風機的轉速，配合燒嘴之路風管開度調節，不僅做到風量穩定可調，還做到風壓穩定可調，同時減少多余風機設備的投人。本設計一臺風機即可滿足爐體運行要求，運行時可完全由變頻電機調節總風量，再用開度調節微調每個燒嘴的進氣量。

根據風機性能的相似定律，得出風量需求減少時，通過變頻調速，實際功率會大大降低，節省電能［10-11］。

3　系統構架設計

系統由PLC/DCS控制系統、二級計算機、行車控制系統、人機界面HMI系統（工程師站WS，操作員站OS）、加熱控制模型、變頻VVVF系統、現場信號采集（遠程I/O）組成，系統架構如圖2所示。

圖2　保溫爐系統架構示意圖

HMI采用服務器/客戶端（C/S）結構，采用一臺服務器同DCS/PLC的控制器CPU通訊，兩臺客戶端同服務器通訊并用于操作，工程師站用于工程組態，編程調試。系統對采集的數據實時顯示、監控，使操作員能隨時了解保溫爐各部位的參數；對報警可隨時打??；對主要數據可存儲一年以上，方便查詢。除此之外，WS/OS還完成參數的設定（包括控制參數、報警參數及調節器參數的設定）功能。DCS/PLC完成對加熱爐燃燒的控制?？紤]到系統模擬量處理、PID及復雜控制回路較多、為滿足正常生產需要提高系統的相應性能等因素，所有儀表信號經過儀表柜接人PLC模塊。儀表柜內的隔離器、變送器將各類儀表模擬量信號源轉換為標準的4～20 mA信號。對于流量信號給出計算公式，由控制系統計算得出真實的流量并接人能源計量系統［12-13］。

4　實施方法及效果

4.1控制系統設計

目前在鋼鐵行業中，存在多種廠家的控制系統，其中西門子S7系列控制器以其功能強大且普及性較高，且易于工程人員掌握，應用廣泛［14-16］。我們在不銹鋼分公司1780熱軋廠保溫爐工程項目中，采用西門子S7-315-2DP CPU，作為現場設備控制器，通過CP343以太網卡連接WINCC HMI，HMI系統有4臺工控機。一臺為服務器，放置在加熱爐低壓配電室，另外3臺客戶機分別放置在加熱爐操作室、加熱爐低壓配電室和板坯庫操作室。4臺均可操作畫面，操作畫面采用WINCC組態，展示保溫爐全貌及重要的溫度、流量、設備狀態等參數。以及各個設備的操作索引。還有一臺工程師站放置在加熱爐低壓配電室，安裝有Step7。HMI、工程師站、PLC、SYC計算機均通過工業以太網連接和通訊，未來如需要增加保溫爐控制二級模型計算機，進行擴展即可?？刂葡到y實施方案見圖3。HMI監控及操作畫面見圖4。

4.2行車定位系統與L2系統的數據通信

熱軋廠新增保溫爐后需要對原有行車定位系統進行改造。新增保溫爐后所涉及到的行車定位系統改造需要與新增保溫爐L2系統之間進行數據通信。首先由行車定位系統發“打開爐蓋（指定爐蓋號）”指令給L2系統，L2系統收到指令后將執行結果“指定爐蓋是否打開（開到位或者沒開到位）”返回給行車定位系統，行車定位系統收到“指定爐蓋開到位”指令后發指令給行車，行車進行相關操作即吊料或放料，行車操作完畢后行車定位系統將“行車操作完畢信號（吊料完畢或放料完畢）”返回給L2系統，L2在爐蓋關閉后將“爐蓋關閉”狀態返回給行車定位系統。保溫坑L2設定電文如表1所示，L1反饋電文如表2所示。

表1　爐蓋板動作信息（SYC→PLC）

表2　L1爐蓋到位信號（PLC→SYC）

5　結語

本設計在工程中投產后，操作方便，控制穩定可靠。2009年實施該改造后，極大滿足了生產要求，效果良好，2010年又按照該方式再新增一座保溫爐。兩座保溫爐運行6年多以來，平穩高效，故障率極低，不但滿足了普碳鋼和不銹鋼共線生產的工藝需求，而且通過爐蓋改造和風機變頻改造達到了節能減排的要求，板坯保溫效果良好。爐蓋改為變頻控制后，不但減少了爐蓋運行終了對檔鐵的碰撞，且可實現精確的定位控制，確保爐蓋對爐內熱氣的密封效果，達到了較好的保溫和節能效果。為寶鋼集團不銹鋼公司1780熱軋廠朝綠色制造轉型升級提供了重要保障。

圖3　控制系統實施方案圖

圖4　HMI監控及操作畫面

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Control Method and Resolution of Energy-Saving Type Holding Furnace

FENG Zhanguo
（Baosteel Engineering&Technology Group Co.，Ltd，Shanghai 201900，China）

A design plan of real time supervisory control system for temperature holding oven in sized steel plants is introduced.The temperature in each section，gas feeding rate and air flow feeding rate，limit alarms，can be automatically controlled，displayed and over-limit alarmed by the system.Through the open and close control of the holding furnace cover，the heat loss is effectively reduced.

holding furnace；heating furnace；fan energy-saving control；slate allocate strategy；dual cross-over limit control；oven cover drive control

TP273

B

1001-6988（2016）03-0039-04

2016-02-23

馮展國（1979—），男，高級工程師，主要從事工廠電氣及自動化工程設計工作.