台车式退火炉PLC控制系统的优化设计

胡玲艳 唐 锴

(大连大学信息工程学院1，辽宁 大连 116622;大连万通工业装备有限公司2，辽宁 大连 116023)

0 引言

台车式退火炉作为冶金及机械行业常用的热处理设备，主要用来完成最后的热处理工序，其基本过程是根据控制工艺曲线，提供准确的升温、保温和降温操作，同时保证炉内各处的温度均匀。该热处理工序控制的好坏将直接影响产品质量。基于PLC控制技术，对台车炉热处理过程进行设计是目前冶金领域采用较多的方法，程序控制使台车炉控制系统更易于优化，控制过程更易于调节;通过对算法的优化设计，可使控温精度更高，炉温均匀性更好。本文以包钢集团某分厂设计调试的一燃气台车式退火炉为研究背景，分析其各级控制系统的优化设计过程。

1 设备工艺特点

台车炉有效面积为35 m2，最大装炉量为55 t，最高炉温为700℃，控制点温度为680℃，控制上炉温偏差要求小于±5 K，升温速度为100～150℃/h。炉子的控制策略和操作参数将决定炉子的热处理效果，进而影响炉子的生产指标。对于结构特性一定的炉子，算法控制形式及优化方式是影响炉子性能指标的最大因素。因此，所设计的控制系统要能够实时准确地优化各控制环节及参数，以获得最优化的生产指标，使设备可靠、高效地运行[1]。

2 控制系统组成

针对该退火炉的工艺特性及控制要求，设计了相应的控制系统。该系统包括温度控制系统、燃烧控制系统、炉压控制系统和低压电气连锁控制系统等几部分。

2.1 温度控制系统

温度是系统控制的关键参数，为保证控温的均匀性，系统针对炉体采取分区控制，将台车炉沿纵向分为3个控温区。对于每个控温区，为保证控温精度，均采用西门子STEP7环境下的PID算法模块对其进行优化设计。

设计中，采用具有专家思想的PID限幅控制，即通过比较设定值与实际温度，计算偏差D;然后根据偏差D的不同，对PID输出设置不同的最大限幅值Max和最小限幅值Min[2]。当偏差D大于15 K时，将PID输出最大限幅值设为20%;当偏差D大于10 K且小于15 K时，将PID输出最大限幅值设为50%;当偏差D大于－5 K小于10 K时，将PID输出最大限幅值设为80%;将其他情况下的PID输出最大限幅值设为100%。该系统的PID输出最小限幅值始终设为20%，而偏差分度根据工艺可以在程序中加以调整。

实践证明，该控制方式在很大程度上抑制了系统的超调;同时配合不同加热模式下的程控脉冲分频技术，可实现炉温的精确控制，并确保温度的均匀性[3－4]。当煤气压力产生波动时，PLC 程序可以加入前馈控制，以确保烧嘴供应热能的平稳性和均匀性。此外，温度控制分别设有自动和手动模式，自动模式完全通过PLC程序实现，手动模式则通过手动方式干预烧嘴工作状态，从而达到在特殊情况下调节和控制炉温的目的[5－6]。

算法控制流程如图1所示。

图1 温度控制系统流程图Fig.1 Flowchart of temperature control system

2.2 燃烧控制系统

系统分为炉前、炉中和炉后3个控制区，每个控制区控制4个烧嘴，并配有一套相应的燃烧设备，构成相互独立的PLC闭环温度控制子系统。燃烧控制过程采用专门设计的烧嘴点火控制器，即可配合上位机监控系统很好地实现烧嘴的安全启动、运行指示、故障报警等功能[7－8]。

燃烧控制系统设有自动火焰监控和断电关阀保护功能，一旦烧嘴熄火，控制系统会立即切断煤气电磁阀并报警。同时，在气源压力充足的条件下，所有阀门具有掉电自复位功能，一旦停电即自动切断阀门，以防止安全事故的发生。

燃烧控制过程启动流程如图2所示。

图2 燃烧控制系统流程图Fig.2 Flowchart of combustion control system

在燃烧控制方式上，为提高温度控制精度，利用STEP7编程语句自主开发了脉冲燃烧控制程序。脉冲燃烧控制是目前比较先进的燃烧控制方式。在脉冲燃烧控制中，烧嘴只在开/关2种状态下工作，用户可根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求，将烧嘴一次性调整到最佳状态。这样每次启动烧嘴时，烧嘴都处于最佳工作状态，对于提高燃烧效率和降低排放物污染水平都将产生明显效果。通过多个烧嘴配合工作产生的热气流也可在炉内产生分布均匀的温度场，从而提高被处理工件的质量[9－10]。

在程序控制中，通过热电偶采集炉温信号并发送到PLC，再经与设定工艺曲线温度相比较和PID运算后输出控制值。根据输出值大小判断是加热还是冷却，同时计算出用于分频控制的操作值。在设计过程中，首先，根据烧嘴个数，设置一组定时器，并设定其工作时间，定时器工作时间即脉冲宽度，该值可通过上位机监控界面根据系统表现实时输入和调整;然后，根据操作值计算各烧嘴的延时启动时间，并设置另外一组延时启动定时器，以控制各烧嘴的启动时序。

各定时器最终控制烧嘴的循环有序工作，其程序流程如图3所示。

图3 脉冲程序流程图Fig.3 Flowchart of the impulse program

2.3 压力控制系统

该炉分别设有炉膛压力自控系统、煤气高低压报警以及超低压紧急切断系统、助燃风压力自控系统和压缩空气压力超限报警系统。所有的压力点均通过PLC程序监控，可保证系统的平稳运行，防止危险状况的发生。

炉膛压力自控系统由压力变送器、压力调节系统和电动蝶阀组成。台车炉安装有微差压变送器检测炉膛压力，在换热器烟气出口安装排烟调节蝶阀，通过调节排烟量控制炉压。在煤气管道上安装高低压压力开关，实时检测煤气压力;当出现欠压时，由PLC发出声光报警信号;当煤气压力低于最低允许值时，系统会紧急停车。在助燃风机出口的管道上安装有低压压力开关，可实时检测助燃风压力。助燃风和煤气的压力信号则作为主管道上的切断阀开启信号和烧嘴工作的启动信号。

3 上位机管理系统

系统上位机选用研华工业控制计算机，并配备专用通信控制卡、打印机和UPS不间断电源。上位机监控软件采用WinCC运行平台。

系统存储量大、速度快、抗干扰性强、可靠性高。其中，参数显示界面可直观地显示整个系统的实时运行状态和各主要参数(各区温度、压力等)的测控值;过程曲线界面能实时显示各个检测点温度和时间的变化，并具有局部放大功能。这些曲线作为历史记录，能随时调用、显示。所有实测值具有定时存盘和打印功能，定时的时间(最小间隔时间5 min)可任意设定。这样以动态图形、数据表格、过程曲线实时显示各设备运行状况，可使人机交互过程更简单、直观、方便。

4 应用效果

系统于2009年1月开始施工，2009年5月调试完毕后进入稳定运行阶段。截止目前，系统运行良好、故障率低、控温精度高。系统运行过程中某时间段的控制曲线如图4所示。

图4 实际运行画面Fig.4 Graphics of practical operation

图4中，共有4条曲线，分别为设定曲线及根据工艺划分的3个温度控制区的运行曲线。

由图4可知，炉前、炉中、炉后3条温度曲线在进入加热段后，很快地跟踪了设定曲线，各控制点温度一致性较好。这就表明炉内温度分布较均匀，尤其在保温阶段，炉膛温度较好地控制在(680±5)℃，很好地满足了工艺要求。冷却阶段采用自然冷却方式，无需加以控制。

5 结束语

系统基于PLC技术，对台车式退火炉控制系统进行了优化设计，实现了控温过程基于专家思想的算法设计，完成了燃烧控制过程的烧嘴自动点火监控及脉冲分频程序设计，并完善了上位机监管系统的功能。整个系统操作灵活、操作成本、热处理质量高。自主研发的程控脉冲分频程序具有较强的实用价值。脉冲燃烧技术也正在我国逐步推广应用，该技术对降低能耗、减少污染、提高产品质量将发挥重要作用。

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