Quantum PLC在熱風爐控制系統(tǒng)中的應用

熱風爐是給高爐提供熱風的煉鐵設備。在燃燒期，熱風爐燃燒高爐煤氣，產(chǎn)生的廢氣流經(jīng)蓄熱室，使蓄熱室的格子磚蓄熱。在送風期，冷風反向流經(jīng)蓄熱室被加熱后送往高爐，為高爐提供連續(xù)的、適宜溫度的熱風，以提高冶煉強度，降低焦比，達到高爐節(jié)能降耗的目的。由于種種原因，相當多的熱風爐控制落后，運行狀況并不令人滿意，有的甚至是手動控制。操作者通常依據(jù)個人經(jīng)驗手動調節(jié)煤氣量和空氣量以控制熱風爐拱頂溫度和廢氣溫度，通入其中的空氣和燃氣很難恰到好處。由于控制不當，送風溫度一直偏低，造成資源的嚴重浪費，影響高爐的冶煉。熱風爐采用自動控制，可以降低操作人員的勞動強度，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在一定的程度上起到了降低能耗，提高風溫的作用。

2、熱風爐的工藝概述

熱風爐有燃燒、燜爐、送風三種狀態(tài)，按燃燒、送風的周期循環(huán)工作。其過程為：熱風閥、冷風閥關閉，煙道閥和助燃空氣、煤氣切斷閥，調節(jié)閥打開時為燃燒狀態(tài)。此時助燃空氣和煤氣按空燃比混合，在熱風爐頂部燃燒，高溫煙氣從上向下經(jīng)過球床體，將熱量存儲在熱風爐內(nèi)。當拱頂和煙道溫度達到設定值，蓄熱室儲存足夠熱量，關閉煤氣、助燃空氣的調節(jié)閥、切斷閥，關閉煙道閥，熱風爐處于燜爐狀態(tài)，等待送風。需要熱風爐送風時，先打開冷風均壓閥使冷風閥兩端的差壓減小，再打開冷風閥和熱風閥，關閉冷風均壓閥，熱風爐處于送風狀態(tài)。此時，冷風從下向上經(jīng)過熱風爐球床體，被加熱成溫度略低于拱頂?shù)臒犸L，將儲存于熱風爐內(nèi)的熱量送往高爐。隨著送風時間的延長，風溫逐漸下降，熱風爐再轉入燃燒狀態(tài)，循環(huán)工作。

新1#高爐配備3座熱風爐，設置有“兩燒一送”、“一燒兩送”（正常工作）、“一燒一送”（非正常）三種送風制度，由操作人員根據(jù)高爐送風需要選取。3座熱風爐根據(jù)送風制度，遵循拱頂和煙道溫度先達到設定值的熱風爐先送風的優(yōu)選原則，交替燃燒、送風，向高爐連續(xù)供風。除高爐休風外，系統(tǒng)中應至少有1座熱風爐處于送風狀態(tài)。

3、系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構分工程師/操作員站、PLC控制站2級，網(wǎng)絡分上層管理網(wǎng)、下層控制網(wǎng)2層，見圖1。上層管理網(wǎng)連接PLC控制站和操作員/工程師站，符合TCP/IP協(xié)議，通信速率100Mb/s，介質為雙絞線。PLC控制站通過140 NOE 771 01以太網(wǎng)適配器與路由器連接，操作員/工程師站為工控機，通過網(wǎng)卡與路由器連接。PLC控制站由四個機架組成，其中機架1為主站，其余3個機架為分站。主站和分站之間通過RIO處理器接口，RIO分支器以及F接頭進行連接。采用該網(wǎng)絡結構模式具有安裝靈活、性價比高的特點。工程師/操作員站使用Schneider編程軟件Concept和IFIX監(jiān)控軟件完成PLC的控制邏輯和人機界面的組態(tài)。熱風爐控制系統(tǒng)配備2臺操作員站，互為備用，接收PLC控制站的實時數(shù)據(jù)，顯示熱風爐生產(chǎn)過程的流程圖、設備運行狀況和過程參數(shù)值；提供過程量設定值和控制參數(shù)的設定、修改畫面；顯示實時/歷史趨勢并形成歷史數(shù)據(jù)庫；顯示設備故障和控制系統(tǒng)自身故障的報警畫面；實現(xiàn)報表的生成和打印。另外，系統(tǒng)配備了脫離自動控制系統(tǒng)的操作臺，并將關鍵的工藝參數(shù)用二次儀表加以顯示，以便在控制系統(tǒng)的非正常狀態(tài)時進行手動操作，避免控制系統(tǒng)故障帶來的損失。

圖1 系統(tǒng)結構圖

3.2 系統(tǒng)控制功能設計

熱風爐主要是為高爐提供穩(wěn)定高溫的熱風，主要檢測項目有拱頂溫度、廢氣溫度、換熱器助燃風出/入口溫度、換熱器廢氣入/出口溫度、煤氣和助燃風壓力、流量、冷卻水壓力、流量等。控測信號進入PLC后進行線性化計算，氣體流量溫度與壓力補正，并在操作員/工程師站上顯示所有數(shù)據(jù)。

（1）順序控制。PLC控制站檢測各熱風爐的閥門位置和拱頂溫度等參數(shù)，分析熱風爐狀態(tài)，根據(jù)送風制度和送風優(yōu)選原則，向熱風爐發(fā)出送風、燜爐、燃燒的指令，使閥門按規(guī)定的順序和連鎖要求動作，完成熱風爐的狀態(tài)轉換和熱風爐之間的送風切換，實現(xiàn)向高爐連續(xù)送風的目的。此外，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護，保證熱風爐安全生產(chǎn)。

（2）模擬量調節(jié)。模擬量的調節(jié)包括混風調節(jié)、煤氣總管壓力調節(jié)、助燃空氣總管壓力調節(jié)和燃燒控制。熱風溫度是熱風爐的重要參數(shù)，直接影響高爐爐況。助燃空氣和高爐煤氣壓力保持穩(wěn)定是保證熱風爐燃燒穩(wěn)定的必要條件。這三個回路均采用單回路調節(jié)，由Concept軟件的連續(xù)控制PID功能塊實現(xiàn)，該功能塊輸出與連續(xù)信號對應的計算結果，轉化為4-20mA的標準信號，作為調節(jié)閥的輸入，控制過程參數(shù)，達到了滿意的控制效果。由于熱風爐是具有非線性、大滯后等特性的復雜被控對象，而其燃料（高爐煤氣）受高爐爐況等因素的影響,熱值和壓力經(jīng)常波動，為燃燒的完全自動控制帶來了很大困難。經(jīng)過長期的實踐和摸索，將燃燒分為快速燃燒期、蓄熱期和燜爐期三個階段，采用固定煤氣量調節(jié)空氣量的方案燒爐。

3.3 項目效果分析

新1#高爐的熱風爐自動燃燒的控制包括高爐煤氣流量調節(jié)回路，助燃空氣流量調節(jié)回路和拱頂溫度調節(jié)回路。煤氣量和空燃比由操作人員設定，煤氣量的大小關系到拱頂?shù)纳郎厮俣?。在快速燃燒期，助燃空氣量根?jù)煤氣量和空燃比自動配給，較小的助燃空氣量促使拱頂溫度盡快升高。拱頂溫度達到設定值后進入蓄熱期，由助燃空氣調節(jié)回路和拱頂溫度調節(jié)回路經(jīng)過高選器控制助燃空氣調節(jié)閥。拱頂溫度超過設定值時，拱頂溫度調節(jié)回路輸出快速增大，當其超過助燃空氣調節(jié)回路的輸出時，由拱頂溫度調節(jié)回路控制助燃空氣調節(jié)閥；拱頂溫度下降或略低于設定值時，拱頂溫度調節(jié)回路的輸出下降，當?shù)陀谥伎諝饪刂苹芈返妮敵鰰r，重新由助燃空氣控制回路按空燃比控制助燃空氣調節(jié)閥。為避免助燃空氣調節(jié)回路進入積分飽和狀態(tài)，在拱頂溫度調節(jié)回路控制助燃空氣調節(jié)閥時，需將助燃空氣調節(jié)回路強制為手動狀態(tài)。該控制方案達到較好的控制效果，并減少了煤氣用量和電能消耗。

4、結束語

杭鋼集團新1#高爐的熱風爐自動控制系統(tǒng)降低了操作人員的勞動強度，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，在一定程度上提高了熱利用率，減少了能耗。自2007年10月投產(chǎn)以來，為降低焦比、提高高爐利用系數(shù)起了積極的作用