Quantum PLC在熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

熱風(fēng)爐是給高爐提供熱風(fēng)的煉鐵設(shè)備。在燃燒期，熱風(fēng)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(fēng)期，冷風(fēng)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(fēng)，以提高冶煉強(qiáng)度，降低焦比，達(dá)到高爐節(jié)能降耗的目的。由于種種原因，相當(dāng)多的熱風(fēng)爐控制落后，運(yùn)行狀況并不令人滿意，有的甚至是手動(dòng)控制。操作者通常依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣量和空氣量以控制熱風(fēng)爐拱頂溫度和廢氣溫度，通入其中的空氣和燃?xì)夂茈y恰到好處。由于控制不當(dāng)，送風(fēng)溫度一直偏低，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，影響高爐的冶煉。熱風(fēng)爐采用自動(dòng)控制，可以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在一定的程度上起到了降低能耗，提高風(fēng)溫的作用。

2、熱風(fēng)爐的工藝概述

熱風(fēng)爐有燃燒、燜爐、送風(fēng)三種狀態(tài)，按燃燒、送風(fēng)的周期循環(huán)工作。其過程為：熱風(fēng)閥、冷風(fēng)閥關(guān)閉，煙道閥和助燃空氣、煤氣切斷閥，調(diào)節(jié)閥打開時(shí)為燃燒狀態(tài)。此時(shí)助燃空氣和煤氣按空燃比混合，在熱風(fēng)爐頂部燃燒，高溫?zé)煔鈴纳舷蛳陆?jīng)過球床體，將熱量存儲(chǔ)在熱風(fēng)爐內(nèi)。當(dāng)拱頂和煙道溫度達(dá)到設(shè)定值，蓄熱室儲(chǔ)存足夠熱量，關(guān)閉煤氣、助燃空氣的調(diào)節(jié)閥、切斷閥，關(guān)閉煙道閥，熱風(fēng)爐處于燜爐狀態(tài)，等待送風(fēng)。需要熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)，先打開冷風(fēng)均壓閥使冷風(fēng)閥兩端的差壓減小，再打開冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥，關(guān)閉冷風(fēng)均壓閥，熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)。此時(shí)，冷風(fēng)從下向上經(jīng)過熱風(fēng)爐球床體，被加熱成溫度略低于拱頂?shù)臒犸L(fēng)，將儲(chǔ)存于熱風(fēng)爐內(nèi)的熱量送往高爐。隨著送風(fēng)時(shí)間的延長，風(fēng)溫逐漸下降，熱風(fēng)爐再轉(zhuǎn)入燃燒狀態(tài)，循環(huán)工作。

新1#高爐配備3座熱風(fēng)爐，設(shè)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(fēng)制度，由操作人員根據(jù)高爐送風(fēng)需要選取。3座熱風(fēng)爐根據(jù)送風(fēng)制度，遵循拱頂和煙道溫度先達(dá)到設(shè)定值的熱風(fēng)爐先送風(fēng)的優(yōu)選原則，交替燃燒、送風(fēng)，向高爐連續(xù)供風(fēng)。除高爐休風(fēng)外，系統(tǒng)中應(yīng)至少有1座熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分工程師/操作員站、PLC控制站2級(jí)，網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(jī)，通過網(wǎng)卡與路由器連接。PLC控制站由四個(gè)機(jī)架組成，其中機(jī)架1為主站，其余3個(gè)機(jī)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(jìn)行連接。采用該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式具有安裝靈活、性價(jià)比高的特點(diǎn)。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(jī)界面的組態(tài)。熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)配備2臺(tái)操作員站，互為備用，接收PLC控制站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示熱風(fēng)爐生產(chǎn)過程的流程圖、設(shè)備運(yùn)行狀況和過程參數(shù)值；提供過程量設(shè)定值和控制參數(shù)的設(shè)定、修改畫面；顯示實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)并形成歷史數(shù)據(jù)庫；顯示設(shè)備故障和控制系統(tǒng)自身故障的報(bào)警畫面；實(shí)現(xiàn)報(bào)表的生成和打印。另外，系統(tǒng)配備了脫離自動(dòng)控制系統(tǒng)的操作臺(tái)，并將關(guān)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(shí)進(jìn)行手動(dòng)操作，避免控制系統(tǒng)故障帶來的損失。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)

熱風(fēng)爐主要是為高爐提供穩(wěn)定高溫的熱風(fēng)，主要檢測(cè)項(xiàng)目有拱頂溫度、廢氣溫度、換熱器助燃風(fēng)出/入口溫度、換熱器廢氣入/出口溫度、煤氣和助燃風(fēng)壓力、流量、冷卻水壓力、流量等。控測(cè)信號(hào)進(jìn)入PLC后進(jìn)行線性化計(jì)算，氣體流量溫度與壓力補(bǔ)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(cè)各熱風(fēng)爐的閥門位置和拱頂溫度等參數(shù)，分析熱風(fēng)爐狀態(tài)，根據(jù)送風(fēng)制度和送風(fēng)優(yōu)選原則，向熱風(fēng)爐發(fā)出送風(fēng)、燜爐、燃燒的指令，使閥門按規(guī)定的順序和連鎖要求動(dòng)作，完成熱風(fēng)爐的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和熱風(fēng)爐之間的送風(fēng)切換，實(shí)現(xiàn)向高爐連續(xù)送風(fēng)的目的。此外，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)，保證熱風(fēng)爐安全生產(chǎn)。

（2）模擬量調(diào)節(jié)。模擬量的調(diào)節(jié)包括混風(fēng)調(diào)節(jié)、煤氣總管壓力調(diào)節(jié)、助燃空氣總管壓力調(diào)節(jié)和燃燒控制。熱風(fēng)溫度是熱風(fēng)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(fēng)爐燃燒穩(wěn)定的必要條件。這三個(gè)回路均采用單回路調(diào)節(jié)，由Concept軟件的連續(xù)控制PID功能塊實(shí)現(xiàn)，該功能塊輸出與連續(xù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)化為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為調(diào)節(jié)閥的輸入，控制過程參數(shù)，達(dá)到了滿意的控制效果。由于熱風(fēng)爐是具有非線性、大滯后等特性的復(fù)雜被控對(duì)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(dòng)，為燃燒的完全自動(dòng)控制帶來了很大困難。經(jīng)過長期的實(shí)踐和摸索，將燃燒分為快速燃燒期、蓄熱期和燜爐期三個(gè)階段，采用固定煤氣量調(diào)節(jié)空氣量的方案燒爐。

3.3 項(xiàng)目效果分析

新1#高爐的熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒的控制包括高爐煤氣流量調(diào)節(jié)回路，助燃空氣流量調(diào)節(jié)回路和拱頂溫度調(diào)節(jié)回路。煤氣量和空燃比由操作人員設(shè)定，煤氣量的大小關(guān)系到拱頂?shù)纳郎厮俣取Ｔ诳焖偃紵冢伎諝饬扛鶕?jù)煤氣量和空燃比自動(dòng)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(dá)到設(shè)定值后進(jìn)入蓄熱期，由助燃空氣調(diào)節(jié)回路和拱頂溫度調(diào)節(jié)回路經(jīng)過高選器控制助燃空氣調(diào)節(jié)閥。拱頂溫度超過設(shè)定值時(shí)，拱頂溫度調(diào)節(jié)回路輸出快速增大，當(dāng)其超過助燃空氣調(diào)節(jié)回路的輸出時(shí)，由拱頂溫度調(diào)節(jié)回路控制助燃空氣調(diào)節(jié)閥；拱頂溫度下降或略低于設(shè)定值時(shí)，拱頂溫度調(diào)節(jié)回路的輸出下降，當(dāng)?shù)陀谥伎諝饪刂苹芈返妮敵鰰r(shí)，重新由助燃空氣控制回路按空燃比控制助燃空氣調(diào)節(jié)閥。為避免助燃空氣調(diào)節(jié)回路進(jìn)入積分飽和狀態(tài)，在拱頂溫度調(diào)節(jié)回路控制助燃空氣調(diào)節(jié)閥時(shí)，需將助燃空氣調(diào)節(jié)回路強(qiáng)制為手動(dòng)狀態(tài)。該控制方案達(dá)到較好的控制效果，并減少了煤氣用量和電能消耗。

4、結(jié)束語

杭鋼集團(tuán)新1#高爐的熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)運(yùn)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