PID在首秦加热炉燃烧系统中的应用

王密

摘要：本系统以首秦轧钢加热炉系统为基础介绍加热炉燃烧智能控制系统的实现。其原理采用智能控制技术，合理优化控制，使燃气在炉内能充分燃烧。事实证明：即比常规控制节省能源，又减少了大气的污染、保护环境。

关键词：加热炉 煤气 空气 比例调节 串级调节 选择调节 充分燃烧

中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0085-01

加热炉是轧钢生产企业主要的耗能设备，而我厂自动控制技术研究课题是怎样在保证被加热后的钢坯能够进行有效轧制的前提下，降低加热炉的能耗，加热炉被控对象是一个非线性系统，是纯滞后、大惯性、时变的。在生产中，还受到许多因素影响，而PID控适应能力差，因此采用常规控制方法很难取得满意的效果。最后经过无数次调试最终提出了一套关于加热炉优化设定控制方法。通过仿真试验证明此种控制方案可行。

1 软硬件设置

本系统在计算机上运行WINCC通用监控系统支撑软件，具有友好的动画界面制作、开放的数据接口和网络、强大的数据采集和处理能力、完善的事件和报警处理机制等工能。硬件采用西门子PLC，可靠性高、实时性强、体积小且坚固耐用。计算机设定控制参数，处理复杂的数据运算、存储及查询等工能，PLC内运行设定的控制逻辑程序，完成控制功能。二者完好结合实现燃烧加热控制的整个工艺过程。

2 热损失与过剩空气系数的关系

各种热损失与过剩空气系数之间的关系。其中：过剩空气系数是指实际空气量与理论空气量的比值。当过剩空气率μ高与最佳燃烧区域时，热效率下降（是原因是烟气热损耗增加），反之，μ值过低时，由于燃烧不完全而引起热损失增加，且产生黑烟，污染环境。当燃烧控制在低空气过剩率区域时，产生最佳燃烧，污染最小，空气过剩率的数值大约在μ＝1.10附近。

2.1燃烧控制的方式

加热炉燃烧系统是采用温度流量双交叉限幅并列串级控制的方式，温度流量双交叉限幅并列串级控制系统（略可向作者索取），HS为高选功能；LS为低选功能；K1为K4为交叉限幅系数；P为燃料对空气量程比；B为空燃比；TSP为温度设定值；TPV为炉温检测值；PVF、PVA分别为实测的燃料和空气流量；F为燃料；A为空气，L为加热炉。

燃料流量回路：

空气流量回路：

式中（１）～（４）分别由控制系统中燃料和空气流量PID控制回路的特殊功能程序完成计算。是采用温度流量双交叉限幅并列串级控制的方式，使燃料和空气分别由对方测量值PV求出自己流量的上、下限幅，在这个范围内，既无过剩燃料，又无过剩空气，并用交叉限幅系数K1～K4，把接收的温度信号对流量的设定值控制在最佳燃烧区，使得炉内负荷变大时（升温），空气先行，负荷减小时（降温），燃料先行，使燃烧过程在热效率最高的低过剩燃烧区进行，防止产生黑烟和不必要的废气，从而能有效地节省能源，保护环境。

根据以往传统的控制方法，一般将温度和煤气做串级调节，再将煤气和空气做比例调节。我最初分别试用了两大方案，其控制原理如下。这两种控制方案虽然实现了控制钢坯温度和煤气、空气配比进炉燃烧的要求，但第一种方案当钢坯温度小于设定值时，空气流量增加在煤气之后，第二种方案当钢坯温度大于给定值时，空气流量减小在煤气之前。在调节过程中，这显然都会造成煤气的不完全燃烧。因此，这两种传统控制方案都不能满足实际要求。

稳定情况下，钢坯温度被控制在给定值。当出现扰动，温度测量值低于给定值时，温度调节器的输出开始增大，通过最大值选择模块选择最大值X输出，乘上比例常数K，使空气流量调节器的给定值增大，在调节器的作用下，空气流量就开始增大，同时，在最小值选择模块的作用下选择X1输出，除以比例常数K，空气流量信号就变为相对煤气流量的给定值，随着空气流量的增大，也即增大了煤气给定值，在煤气调节器的作用下，使煤气流量承受着空气流量增大之后增大，直到三量均衡，测量值回到给定值。而当温度测量值高于给定值时，温度调节器的输出开始减小，通过最小值选择模块选择最小值X输出，作为煤气流量调节器的给定值，在调节器的作用下，煤气流量就先开始减小，同时，在最大值选择模块的作用下选择最大值X1输出，煤气流量信号就变为相对空气流量的给定值，随着煤气流量的减小，也即减小了空气给定值，在空气调节器的作用下，使空气流量随着煤气流量减小之后减小，直到三量均衡，测量值回到给定值。

3 交叉限幅控制

3.1煤气调节设定值

TIC温度PID调节输出值与的值比较其中大的值与的值比较其中小的值/100为煤气调节设定值。

3.2助燃空气调节设定值

TIC温度PID调节输出值与的值比较其中小的值与的值比较其中大的值/100为助燃空气调节设定值。

4 控制系统的软件功能

4.1数据采集和操作控制

加热炉各项数据输入PLC，参与PLC程序的运算处理和控制，实现PID闭环回路调节控制和运算、联锁逻辑。计算机上应用WINCC通用监控系统支撑软件，设置形象逼真的动态画面，以数值和曲线等方式显示PLC的采集数据和控制效果、工艺流程，并通过设定界面调整PID设置参数和控制给定值。在实际控制中，必须调整好空气及煤气调节的PID参数，以便对被控量能够及时稳定的进行调节，避免超调停炉。

4.2联锁控制

当不利情况引起空气不足时，应使炉子自动灭火，在设计中增加了两个运算模块，将测量的空气流量和煤气流量做除法得出比例常数，与预定的最小比例常数相比较，当该得出的比例常数小于4值时，由控制站输出相应联锁信号，控制煤气电磁阀关闭，从而关闭所有烧嘴，至此使燃烧系统关闭。当停炉时，由于煤气流量为零，我在设计中空气流量除以煤气流量就会引起算机除零错误，通过把煤气测量的量程下限设置为一个非零小数，以避免因机器除零错误而引起系统报警联锁。

5 结语

在加热炉炉温控制中，采用PID控制方式同时对其参数进行优化，可以取得很好的效果，并将燃烧控制系统进一步优化，对提高钢坯加热质量、减少有害物质排放量、节能环保都十分有益。

参考文献

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