時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)在北臺廠退火爐上的應用

1、時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)在北臺廠退火爐上的應用2005-12-12 10:37:23 有祥武 榮莉 馬慶云 柴天佑 供稿 摘要：主要介紹了北臺球墨鑄鐵管廠退火爐時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)的組成、 控制原理和動態(tài) 性能，指出時序脈沖燃燒控制方式的優(yōu)點以及在引進應用中應注意的問題。 關鍵詞：時序脈沖燃燒控制流量退火爐燃燒控制器燒嘴Application of time series pulse combustion control system to annealing furnace in Beitai Ductile Cast Iron Pipe PlantYou Xiangwu(Beitai Duct

2、ile Cast Iron Pipe Plant Benxi 117017)Rong Li Ma Qingyun Chai Tianyou(Automation Research Center of Northeastern University)Abstract The composition, control principle and dynamic characteristics of time se ries pulse combustion control system applied to the annealing furnace in Beitai Duc tile Cast

3、 Iron Pipe Plant are introduced. The advantages of the above mentioned c ontrol system are described. And finally, some problems to be paid attention to wh en that technique is imported or applied are pointed out.Key words time series pulse combustion control; flowrate; annealing furnace; burn ing c

4、ontroller; burner nozzle近年來，隨著燃燒控制技術的不斷發(fā)展，一些熱值較高的燃料(如：天然氣、重油等 )被逐步應用于熱處理工藝中。 在傳統(tǒng)的燃燒控制方式中， 給加熱爐加熱一般是通過調(diào)節(jié)燃料和 空氣的流量使之充分混合、 燃燒來完成的， 即在加熱的過程中， 燃料和空氣的流量是連續(xù)變 化的。 但在燃料熱值較高的情況下， 使用少量的燃料就可以滿足熱處理工藝的要求， 因此燃 料和空氣的流量都比較小， 輸送燃料的管路截面也比較小， 如果采用連續(xù)燃燒的方式進行控 制，控制燃料流量的碟閥就要做得很小，而控制系統(tǒng)的響應能力無法滿足流量變化的需要，80 年代初即開始對時因此控制溫度的誤差是很

5、大的。為了解決這個問題，國外一些專家自 序脈沖燃燒控制系統(tǒng)進行了研究和應用。 這種控制系統(tǒng)是通過控制燒嘴的燃燒時序和燃燒時 間來控制爐子的溫度。由于它具有動態(tài)性能好、控制溫度波動小、 節(jié)約燃料等優(yōu)點，因而得 到了廣泛的重視和應用。我國自 90 年代初開始引進這項新技術，經(jīng)實際應用驗證，效果良 好，具有較大的推廣價值。 下面以北臺球墨鑄鐵管廠退火爐時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)為例， 介 紹這種控制系統(tǒng)的組成和控制原理。1 工藝簡介北臺球墨鑄鐵管廠退火爐是 1994 年從德國 IOB 公司引進的， 具有世界先進水平。 該退 火爐使用混合煤氣作燃料， 采用直火加熱的方式對球墨鑄鐵管進行退火。 爐子的結(jié)構為臥

6、式， 共有6個區(qū)，其中1區(qū)為加熱區(qū)，溫度控制在 1010 C; 2、3區(qū)為保溫區(qū)，溫度控制在970C; 4區(qū)為冷卻區(qū)；5、6區(qū)為低溫區(qū)，溫度控制在700 C。管子在爐內(nèi)運輸鏈的帶動下，以一定的速度由 1 區(qū)進入，從 6 區(qū)輸出。按照設計要求，北臺球墨鑄鐵管廠所用煤氣熱值 為 9200kJ/m3 ，壓力為 8000Pa 。由于管子在 1 、 2、 3 區(qū)進行了加熱處理，到達 5 區(qū)時溫 度仍然在500 C以上，因此5、6區(qū)的熱負荷較低，所用煤氣的流量較小。5區(qū)共有4個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量為 250m3/h 左右。 6 區(qū)共有 6 個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量 為 350m3/h 左右。 5

7、 區(qū)煤氣管路直徑為 100mm ， 6 區(qū)煤氣管路直徑為 120mm 。為了滿足 工藝要求， 5、 6區(qū)采用了時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)。由于 5、 6區(qū)控制系統(tǒng)在設計上基本是一 樣的，為此，本文僅以 5 區(qū)為例介紹時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)的組成和控制原理。2 控制系統(tǒng)2.1 組成及工作原理控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構簡圖如圖 1 所示。其工作原理如下。爐子的溫度是通過 PI 調(diào)節(jié)器設定的。 PI 調(diào)節(jié)器對設定的溫度與熱電 偶檢測到的爐子實際溫度進行采樣，并按照 PI 算法（即比例、積分算法 ）計算出偏差值，由 偏差值的大小輸出一個 420mA的電流信號。這個電流信號經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 以后， 送給

8、S5115UPLC 控制系統(tǒng)。 S5115U 產(chǎn)生一系列時序脈沖信號， 并根據(jù)輸入數(shù) 字量的大小控制不同的燃燒控制器和燒嘴， 使它們按照一定的時序點燃或熄滅， 進而控制退 火爐的溫度。圖 1 中， PI 調(diào)節(jié)器采用 PHILIPS 公司的 KS4290 系列數(shù)字式調(diào)節(jié)器。這種調(diào) 節(jié)器是 PHILIPS 公司于 90 年代初生產(chǎn)的新型智能化調(diào)節(jié)器， 可以實現(xiàn)正偏差和負偏差兩種調(diào)節(jié)方式，即當 PI 算法計算出的偏差值為正時，調(diào)節(jié)器工作在正偏差調(diào)節(jié)方式，輸出電流 在1220mA之間變化。當PI算法計算出的偏差值為負時，調(diào)節(jié)器工作在負偏差調(diào)節(jié)方式，輸出電流在412mA之間變化。S5 115U可以根據(jù)A

9、/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量的大小來識 別調(diào)節(jié)器工作在哪一種調(diào)節(jié)方式。 當調(diào)節(jié)器工作在負偏差調(diào)節(jié)方式， 并且爐子的溫度高于工 藝要求的溫度范圍時（5區(qū)的溫度范圍為 690710 C,高于溫度范圍是指高于710 C ）, S5115U 熄滅所有的燒嘴，并打開冷卻裝置對退火爐實施冷卻。2.2 軟件設計在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中， 燒嘴何時點燃是由時序脈沖信號控制的， 而燒嘴的燃燒時 間是由設定溫度和爐子實際溫度的偏差值決定的。 因此如何產(chǎn)生時序脈沖信號以及如何控制 燒嘴的燃燒時間是時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)需要解決的關鍵性技術問題。為了確保系統(tǒng)的可靠性，該控制系統(tǒng)采用 S5 115UPLC 控制系統(tǒng)來生成時序脈

10、沖信號和控制燒嘴的燃燒時間。5區(qū)共有 4個燒嘴，對稱分布在爐內(nèi)兩側(cè)。 S5115U 使用 4個擴展脈沖計時器 T0、T 1、T2、T3分別控制1 #、2 #、3#、4 # 4個燒嘴。計時器的計時值是通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換以后得到的數(shù)值。計時器是通過 S5115U 的一個中間標志字節(jié) FY29 的 4個標志位的 信號狀態(tài)來啟動的，即當標志位FY29.3的信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T3，點燃4 #燒嘴； 當標志位FY29.2的信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T2 ,點燃3#燒嘴；依此類推，當標志位 FY29.0信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T0 ,點燃1 #燒嘴。為了使標志位的信號狀態(tài)能依次 被置位和復位，進

11、而產(chǎn)生時序脈沖信號，圖 2 為一個循環(huán)的程序流程框圖。圖2中，占空比為0.1s : 5s的脈沖信號，指脈沖信號為1時的時間值為0.1s，脈沖信號為0時的時間值為5s。當脈沖1到來時，執(zhí)行第1個判斷Y以后的程序，F(xiàn)Y29.3置位 為 1， FY29.2 、 FY29.1 、 FY29.0 為 0。第 1 個脈沖過去后， 執(zhí)行第 1 個判斷 N 以后的程序， 各標志位的狀態(tài)將維持 5s。第2個脈沖到來時，信號狀態(tài)為1的位，將由FY29.3移至FY29.2 , FY29.3將由0補充。同時，由于執(zhí)行了第 2個判斷N以后的程序，將不再置位 FY2 9.3。 FY29.1、FY29.0仍為0。第2個脈沖

12、過去后，這個狀態(tài)仍將維持 5s ,當?shù)?個脈沖到來時，將執(zhí)行兩個判斷 Y 以后的程序，重新置位 FY29.3 ，開始下一個循環(huán)。由程序 流程圖產(chǎn)生的各個標志位及各個計時器的信號狀態(tài)如圖 3 所示。圖 3 中各標志位置位的時序即是各燒嘴被依次點燃的時序，計時器的信號狀態(tài)即是燒 嘴的工作狀態(tài)。每個燒嘴經(jīng)過 20s 被循環(huán)點燃一次。時間 t 即是燒嘴的燃燒時間，是由 PI 調(diào)節(jié)器計算出的溫度偏差值控制的。2.3 燃燒控制器及燒嘴的工作原理由于在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中， 燒嘴要被頻繁地點燃和熄滅， 這就要求燃燒控制器和 燒嘴要有快速的響應能力， 這是決定該控制系統(tǒng)是否可靠和實用的一個重要因素。 北臺球

13、墨 鑄鐵管廠退火爐采用德國 KROMSCHRODER 公司于 90 年代初研制生產(chǎn)的 IFS110IM 型燃 燒控制器。燒嘴采用該公司同期生產(chǎn)的 ZKIH20/10 型點火燒嘴以及與之配套使用的 LBY70 型燃燒燒嘴。 點火燒嘴安裝在燃燒燒嘴的內(nèi)部， 它使用的煤氣和空氣是由輔助煤氣管路和輔 助空氣管路提供的。輔助煤氣管路和輔助空氣管路上分別安裝著輔助煤氣閥和輔助空氣閥， 其中輔助空氣閥是一個手動控制閥， 一般情況下始終是打開的。 燃燒燒嘴使用的煤氣和空氣 是由主煤氣管路和主空氣管路提供的。 主煤氣管路和主空氣管路上分別安裝著主煤氣閥和主 空氣閥。每個燒嘴由一個燃燒控制器控制，其控制系統(tǒng)線路原

14、理如圖 4 所示。YL1、YL2、YL3 電磁閥線圈； Y1、Y2、Y3 電磁閥；KL1、KL2、KL3 中間繼電器線圈； K1 、 K2、 K3 中間繼電器輔助接點；S 起動按鈕；A燒嘴；T 高壓線圈；Y4 手動控制器工作原理如下。首次點燃燒嘴時，按動啟動按鈕S,燃燒控制器首先打開輔助煤氣閥Y1，同時燃燒控制器在高壓線圈 T上產(chǎn)生的高電壓通過點火燒嘴A放電，點燃輔助煤氣管路。燃燒控制器通過檢測回路在 3s 內(nèi)檢測點火燒嘴是否被點燃，如未被點燃，則切斷輔助煤氣 閥；如已被點燃，則給中間繼電器 K3送電，使K3吸合。K3的輔助接點接在 S5 115U的輸入接口上， S5115U 根據(jù) K3 是吸

15、合的還是斷開的來判斷點火燒嘴是點燃的還是熄滅的， 只有在 K3 是吸合的情況下， S5 115U 的控制程序才允許點燃燃燒燒嘴，否則燃燒燒嘴不 能被點燃。 中間繼電器 K1 是由 S5 115U 輸出接口控制的， 即是由圖 3 中的某一個計時器 控制的。當控制某一個燒嘴的時序脈沖信號到來并且 K3 已經(jīng)吸合時，與該脈沖信號對應的 計時器置位，中間繼電器 K1 吸合，主空氣閥 Y3 打開；同時，中間繼電器 K2 吸合，主煤 氣閥 Y2 打開，點燃燃燒燒嘴。當計時器達到計時值時，計時器復位， K1 斷開，主煤氣閥 及主空氣閥關閉，燃燒燒嘴熄滅。但此時點火燒嘴仍然打開， 以便維持一個火源。 在其后的

16、 燃燒控制中， 點火燒嘴始終是點燃的。 只有主煤氣閥和主空氣閥按照一定的時序打開和關閉， 才能實現(xiàn)脈沖燃燒控制。 這樣可以充分保證燒嘴具有快速的響應能力， 以提高控制系統(tǒng)的性 能。圖 4 中，檢測回路是根據(jù)煤氣在燃燒時具有導電性的原理來工作的。燃燒控制器的一 個輸出端通過點火燒嘴對地產(chǎn)生一個 4V 左右的控制電壓，當點火燒嘴未點燃時，該輸出端 對地是開路的； 當點火燒嘴點燃時， 由于煤氣在燃燒時具有導電性， 該輸出端對地形成回路， 并產(chǎn)生一個大于1A的電流，燃燒控制器以此來判斷點火燒嘴是點燃的還是熄滅的。此外，點火燒嘴所使用的煤氣和空氣均要經(jīng)過減壓閥減壓以后才能使用。煤氣壓力控制在10002O

17、OOPa為宜；空氣壓力控制在 30004000Pa為宜。這樣可以防止高壓脫火、易于點燃。采用這種燃燒控制器和燒嘴還有一個特點： 它具有良好的安全性。 當因為某種異常的原 因?qū)е曼c火燒嘴熄滅時 （如：煤氣熱值過小、控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障等 ），檢測回路因為檢測不到 火焰，便將輔助煤氣閥和主煤氣閥關斷，避免煤氣泄漏給人身和設備帶來危險。2.4 煤氣和空氣流量配比的控制在使用煤氣作燃料的燃燒控制系統(tǒng)中， 當煤氣的熱值和壓力一定時， 煤氣和空氣只有按 一定的比例混合才能充分燃燒。 在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中， 同樣因為燒嘴要被頻繁地點燃 和熄滅， 因此要求空氣的流量在隨煤氣流量變化時要有快速的跟隨性。這是保證

18、控制系統(tǒng)能否達到工藝要求的另一個重要因素。北臺球墨鑄鐵管廠退火爐采用了德國KROMSCHRODER 公司 90 年代初生產(chǎn)的 MK5 型閥來控制煤氣的流量，并采用德國 LANDISGYR 公司同 期生產(chǎn)的 SKP20110B27 型氣動比例調(diào)節(jié)閥來控制空氣的流量。 MK5 型煤氣控制閥可以實 現(xiàn)慢開啟、 快關斷功能， 即當閥得電時緩慢打開， 而失電時快速關斷。 這樣可以防止主煤氣 閥在打開的瞬間煤氣流量波動太大造成危險。 SKP20110B27 型氣動比例調(diào)節(jié)閥通過一個連 接管路和主煤氣管路相連， 當主煤氣閥打開時， 氣動比例閥通過連接管路對煤氣流量進行采 樣，并按照一定的比例打開主空氣閥。當

19、煤氣流量變化時，空氣流量按一定比例跟隨變化。當主煤氣閥關斷時， 主空氣閥也即刻關斷。 使用氣動比例控制方式控制空氣和煤氣流量的配 比，可以減少中間控制環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的快速響應能力。2.5 爐壓控制為了確保燒嘴具有良好的燃燒狀態(tài)， 5、 6 區(qū)安裝了爐壓控制裝置，即在廢氣排放管路 上安裝了一個擋板， 通過調(diào)整擋板的開度來控制爐壓。 擋板是由執(zhí)行器驅(qū)動的。 PID 調(diào)節(jié)器 采用了 PHILIPS 公司 90 年代初研制的 KS4290 系列數(shù)字化調(diào)節(jié)器。爐子壓力通過 PID 調(diào) 節(jié)器來設定。 PID 調(diào)節(jié)器對設定的爐壓和壓力變送器回饋的爐子實際壓力進行采樣， 并按照 增量型 PID 算法計算出偏差

20、值，由偏差值的正、負控制執(zhí)行器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，由偏差值的 大小控制執(zhí)行器轉(zhuǎn)動量的大小。 在實際生產(chǎn)中， 燒嘴是在微正壓的狀態(tài)下燃燒的， 爐子壓力 應控制在 5Pa 為宜。2.6 系統(tǒng)動態(tài)性能分析動態(tài)性能好壞是衡量一種控制系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要標志。從對圖 3 的分析可以看出， 時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)連續(xù)燃燒和脈沖燃燒兩種狀態(tài)。 當熱電偶檢測到的實際溫度 遠遠小于設定溫度時， PI 調(diào)節(jié)器輸出的電流最大，計時器的計時值t 大于 20s ，這樣，某一個已經(jīng)被啟動的計時器在沒有達到計時值時， 被下一個到來的時序脈沖信號重新啟動， 計時 器的信號狀態(tài)始終為 1（4 個計時器都是這種情況 ）。此時，各燒

21、嘴處于連續(xù)燃燒狀態(tài)。當實 際溫度接近設定溫度時， 燒嘴由連續(xù)燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變成脈沖燃燒狀態(tài)， 并且燃燒時間逐漸減小。 當實際溫度等于或大于設定溫度時， t 值為 0，燒嘴全部熄滅。從等效的控制器作用來看， 時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)相當于一種變比例、變積分 PI 控制器，當實際溫度遠遠低于設定溫 度時， 系統(tǒng)給出最大輸出，相當于比例作用增強， 積分作用減弱， 控制系統(tǒng)通過連續(xù)燃燒使 爐子獲得最快的升溫速度。同時，當溫度偏差較小時，燒嘴處于脈沖燃燒狀態(tài)，相當于比例 作用減弱， 積分作用增強， 進而減小溫度的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差， 因此采用這種控制系統(tǒng)一般 情況下不會出現(xiàn)溫度振蕩的情況。 此外， 與連續(xù)燃燒控制系統(tǒng)相比， 這種控制系統(tǒng)使用兩位 閥控制燃料輸出， 由于兩位閥只有開、 關兩種狀態(tài)， 因此可以克服連續(xù)燃燒控制系統(tǒng)中碟閥 的非線性死區(qū)對控制溫度的影響，充分提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。從對圖 1 的分析可以看出，當爐子溫度發(fā)生擾動時，適當調(diào)整 PI 調(diào)節(jié)器的比例和積分 參數(shù)，可以影響燒嘴在脈沖燃燒時的燃燒時間，即影響圖