摘要：通過(guò)描述美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司ProcessLogix Server DCS在高線步進(jìn)梁加熱爐控制過(guò)程中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、主要控制回路的控制方案、系統(tǒng)應(yīng)用軟件和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)加熱爐 集散型控制系統(tǒng) 硬件 軟件

　　一、 引言

　　安鋼高速線材軋鋼加熱爐是一座性能優(yōu)良的步進(jìn)梁式加熱爐，其有效尺寸：20700×12700 mm。額定加熱能力為：120 t/h，zui大加熱能力：140 t/h。坯料規(guī)格：?jiǎn)闻挪剂蠒r(shí)：150×150×12000 mm；雙排布料時(shí)：150×150×5800 mm；非定尺坯料：9000-12000 mm；zui大坯重量：2190 kg。燃燒介質(zhì)：高焦?fàn)t混合煤氣，低發(fā)熱值為 7536±210 KJ/m3。zui大用量24812 m3/h。其熱工控制系統(tǒng)是由羅克韋爾自動(dòng)化公司的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(mén)子PLC控制。其中高速離散控制、過(guò)程控制和安全控制融合于一個(gè)Logix控制平臺(tái)上*的控制技術(shù)，使加熱爐的爐溫的控制精度在±5℃，升降50℃僅需12分種；編寫(xiě)的空燃比自動(dòng)尋優(yōu)器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀的功能，實(shí)現(xiàn)了燃料流量和空氣流量的優(yōu)化配比，從而使燃燒達(dá)*狀態(tài)。

　　二、系統(tǒng)硬件的組成

　　高線加熱爐使用羅克韋爾自動(dòng)化的ProcessLogix 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、控制站三個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)如圖1：

　　2.1 服務(wù)器：

　　為了利用過(guò)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(kù)和功能完善的功能模塊。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)，用戶可方便地用C語(yǔ)言編寫(xiě)自己的特殊功能模塊。同時(shí)，服務(wù)器還完成打印報(bào)表的任務(wù)。在操作站出現(xiàn)特殊情況時(shí)，服務(wù)器還要兼操作站的所有功能，服務(wù)器是通過(guò)CONTROLNET網(wǎng)從控制器收集數(shù)據(jù)和向控制器發(fā)送命令，通過(guò)乙太網(wǎng)向操作站傳送數(shù)據(jù)和接收命令。

　　2.2 操作站：

　　操作站由研華工控機(jī)和基于Windows NT系統(tǒng)平臺(tái)上的STATION軟件組成，通過(guò)總貌圖、控制圖、報(bào)警圖、過(guò)程狀態(tài)圖、過(guò)程歷史圖這些豐富的人機(jī)界面，操作員可以設(shè)定、查看過(guò)程參數(shù)或狀態(tài)，察看故障報(bào)警明細(xì)。由于整個(gè)操作界面采用“向?qū)?rdquo;的結(jié)構(gòu)，從而大大方便了操作員的操作。

　　2.3 控制站：

　　控制站采用PLX系統(tǒng)，用于完成對(duì)加熱爐的熱工控制和過(guò)程參數(shù)檢測(cè)。該系統(tǒng)的處理器1757 PL*52A是Rockwell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。在該系統(tǒng)中，控制站共設(shè)有一個(gè)主機(jī)架和二個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，完成了整個(gè)加熱爐的6段溫度控制、60多點(diǎn)的模擬量檢測(cè)及20多個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。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)的可靠量，所有AI、DI和DO均與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離的雙隔離模板。按照確定的控制規(guī)則進(jìn)行編程，根據(jù)加熱爐的工況選擇使用。將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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，在主程序中調(diào)用，以利于調(diào)試和控制功能組態(tài)。

　　2.4 CONTROLNET網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)儀表：

　　該網(wǎng)絡(luò)屬于無(wú)源的高性能多元總線，5M的傳輸速度。數(shù)據(jù)傳輸采用確定性的傳輸方式，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸量，現(xiàn)場(chǎng)儀表控制閥采用耐高溫的控制閥，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。從而保證了具有苛刻時(shí)間要求的加熱爐控制應(yīng)用環(huán)境。
三、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)整燃燒控制軟件中的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(duì)模糊控制參數(shù)表進(jìn)行了初步優(yōu)化。

　　3.1 爐溫控制：

　　爐溫控制是加熱爐的核心控制部分，其目的是通過(guò)控制燃料——煤氣和助燃劑——熱空氣的流量，使?fàn)t溫的動(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(cè)、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(cè)量爐溫，經(jīng)斷偶檢測(cè)器檢定后送DCS系統(tǒng)的溫度控制器，溫度控制器的設(shè)定值由操作員設(shè)定。在爐子煙道內(nèi)設(shè)有氧分析儀，對(duì)煙氣的含氧量進(jìn)行在線分析，信號(hào)送DCS系統(tǒng)中，自動(dòng)參與空燃比修正。溫度控制器送出的信號(hào)經(jīng)過(guò)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)饬髁靠刂破鳎瑯?gòu)成溫度流量串級(jí)回路，調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)獾牧髁?，以達(dá)到控制爐溫的目的。為此我們采用條件判斷語(yǔ)句模式，根據(jù)溫度誤差大小及其變化趨勢(shì)對(duì)交叉限幅模式進(jìn)行優(yōu)化，從而使流量控制器的設(shè)定值準(zhǔn)確。大大改善了溫度控制效果。

　　為了克服雙交叉限幅控制升降溫時(shí)間較慢的缺點(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）溫的目的。采用這些*的控制策略的目的是達(dá)到充分的燃燒和提高加熱質(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)控制的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)軟件上存在的干擾問(wèn)題，曾造成多次計(jì)算機(jī)死機(jī)、畫(huà)面參數(shù)刷新緩慢等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，完*了存在的隱患，同時(shí)對(duì)空燃比自動(dòng)尋優(yōu)器進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，調(diào)整了控制表中的一些具體控制參數(shù)，提高了控制精度，節(jié)約了燃料，滿足了生產(chǎn)的要求，爐溫控制精度在±5℃，升降50℃僅需12分鐘。煤氣壓力擾動(dòng)時(shí)溫度曲線見(jiàn)。

　　3.2 爐壓控制：

　　爐壓控制對(duì)保護(hù)爐膛爐壁和爐門(mén)，控制爐內(nèi)合理的氣氛有重要的意義。爐壓控制采用單回路控制策略，它是通過(guò)調(diào)整煙道百葉窗的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，進(jìn)而控制爐膛壓力。因?yàn)闋t壓檢測(cè)點(diǎn)位于出料端，出料爐門(mén)的開(kāi)閉對(duì)爐壓的測(cè)量有一定的干擾，編制控制應(yīng)用軟件對(duì)其進(jìn)行修正是必要的。

　　3.3 煤氣和空氣壓力控制：

　　煤氣和空氣的壓力是否穩(wěn)定，對(duì)于其流量控制十分重要，進(jìn)而影響到爐溫的控制。煤氣和空氣的壓力控制采用單回路控制策略，它是通過(guò)煤氣總管調(diào)節(jié)閥和助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)中的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制的。
3.4 設(shè)備保護(hù)控制：

　　由于加熱爐溫度高，燃料是易燃易爆的高焦?fàn)t混合煤氣，因此采取必要的保護(hù)措施是必須的。本系統(tǒng)的保護(hù)措施包括換熱器的保護(hù)、冷卻水管保護(hù)及安全聯(lián)鎖控制保護(hù)。

　　3.4.1 換熱器的保護(hù)：

　　換熱器的保護(hù)是通過(guò)煙道摻冷風(fēng)、放散預(yù)熱空氣進(jìn)行的。煙道廢氣溫度過(guò)高會(huì)燒壞換熱器。通過(guò)測(cè)量換熱器前的廢氣溫度，當(dāng)其超過(guò)報(bào)警預(yù)定值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)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)換熱器的目的。稀釋風(fēng)量根據(jù)煙氣溫度，由設(shè)在稀釋風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的自動(dòng)控制閥進(jìn)行控制。預(yù)熱空氣溫度過(guò)高時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)放散熱空氣，達(dá)到保護(hù)換熱器的目的。

　　3.4.2 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(cè)開(kāi)關(guān)和流量檢測(cè)開(kāi)關(guān)，溫度開(kāi)關(guān)可在超溫時(shí)報(bào)警，流量開(kāi)關(guān)可在流量低*報(bào)警，從而可對(duì)爐內(nèi)每個(gè)水管進(jìn)行間接監(jiān)視，達(dá)到了保護(hù)的目的。

　　3.4.3 安全聯(lián)鎖控制：

　　本加熱爐設(shè)有完善的安全聯(lián)鎖裝置。在空氣或煤氣在低壓或斷電事故發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)可報(bào)警并安全地切斷煤氣供應(yīng)，同時(shí)對(duì)煤氣總管和各段煤氣實(shí)行氮?dú)飧魯啾Ｗo(hù)。

　　四、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　該DCS是目前*的儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，不但能完成自動(dòng)化要求的各種過(guò)程監(jiān)視、回路控制、順序控制、邏輯控制、而且還具有運(yùn)算、分析，統(tǒng)計(jì)、管理、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，根據(jù)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)爐段的燃燒控制程序，每個(gè)爐段的燃燒控制程序包括：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(huà)面包括：①運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備監(jiān)視，②參數(shù)修改畫(huà)面，③運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與故障狀態(tài)監(jiān)視，④報(bào)警畫(huà)面，⑤操作指導(dǎo)畫(huà)面，⑥控制流程畫(huà)面，⑦儀表回路畫(huà)面，⑧實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面﹑歷史趨勢(shì)畫(huà)面記錄畫(huà)面。

　　五、效果及結(jié)論：

　　由于該系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)計(jì)合理，控制策略及軟件實(shí)施科學(xué)，致使加熱爐的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，一般控制在±8℃范圍內(nèi)。鋼坯斷面溫差在10～20℃，沿長(zhǎng)度方向上，坯兩端與坯中心溫度差為20～30℃，滿足了美國(guó)Morgan公司引進(jìn)的高速軋機(jī)的要求。本系統(tǒng)的不足是根據(jù)氧化鋯的測(cè)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)在沒(méi)有熱值儀的情況下真正能在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好的尋優(yōu)算法去實(shí)現(xiàn)空燃比在線尋優(yōu)。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　梁彬，1970年出生，男，安陽(yáng)人，工程師，主要從事廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的管理與應(yīng)用工作。