Quantum PLC在熱風爐控制系統中的應用

熱風爐是給高爐提供熱風的煉鐵設備。在燃燒期，熱風爐燃燒高爐煤氣，產生的廢氣流經蓄熱室，使蓄熱室的格子磚蓄熱。在送風期，冷風反向流經蓄熱室被加熱后送往高爐，為高爐提供連續的、適宜溫度的熱風，以提高冶煉強度，降低焦比，達到高爐節能降耗的目的。由于種種原因，相當多的熱風爐控制落后，運行狀況并不令人滿意，有的甚至是手動控制。操作者通常依據個人經驗手動調節煤氣量和空氣量以控制熱風爐拱頂溫度和廢氣溫度，通入其中的空氣和燃氣很難恰到好處。由于控制不當，送風溫度一直偏低，造成資源的嚴重浪費，影響高爐的冶煉。熱風爐采用自動控制，可以降低操作人員的勞動強度，確保系統安全穩定運行，在一定的程度上起到了降低能耗，提高風溫的作用。

2、熱風爐的工藝概述

熱風爐有燃燒、燜爐、送風三種狀態，按燃燒、送風的周期循環工作。其過程為：熱風閥、冷風閥關閉，煙道閥和助燃空氣、煤氣切斷閥，調節閥打開時為燃燒狀態。此時助燃空氣和煤氣按空燃比混合，在熱風爐頂部燃燒，高溫煙氣從上向下經過球床體，將熱量存儲在熱風爐內。當拱頂和煙道溫度達到設定值，蓄熱室儲存足夠熱量，關閉煤氣、助燃空氣的調節閥、切斷閥，關閉煙道閥，熱風爐處于燜爐狀態，等待送風。需要熱風爐送風時，先打開冷風均壓閥使冷風閥兩端的差壓減小，再打開冷風閥和熱風閥，關閉冷風均壓閥，熱風爐處于送風狀態。此時，冷風從下向上經過熱風爐球床體，被加熱成溫度略低于拱頂的熱風，將儲存于熱風爐內的熱量送往高爐。隨著送風時間的延長，風溫逐漸下降，熱風爐再轉入燃燒狀態，循環工作。

新1#高爐配備3座熱風爐，設置有“兩燒一送”、“一燒兩送”（正常工作）、“一燒一送”（非正常）三種送風制度，由操作人員根據高爐送風需要選取。3座熱風爐根據送風制度，遵循拱頂和煙道溫度先達到設定值的熱風爐先送風的優選原則，交替燃燒、送風，向高爐連續供風。除高爐休風外，系統中應至少有1座熱風爐處于送風狀態。

3、系統設計

3.1 系統結構設計

系統結構分工程師/操作員站、PLC控制站2級，網絡分上層管理網、下層控制網2層，見圖1。上層管理網連接PLC控制站和操作員/工程師站，符合TCP/IP協議，通信速率100Mb/s，介質為雙絞線。PLC控制站通過140 NOE 771 01以太網適配器與路由器連接，操作員/工程師站為工控機，通過網卡與路由器連接。PLC控制站由四個機架組成，其中機架1為主站，其余3個機架為分站。主站和分站之間通過RIO處理器接口，RIO分支器以及F接頭進行連接。采用該網絡結構模式具有安裝靈活、性價比高的特點。工程師/操作員站使用Schneider編程軟件Concept和IFIX監控軟件完成PLC的控制邏輯和人機界面的組態。熱風爐控制系統配備2臺操作員站，互為備用，接收PLC控制站的實時數據，顯示熱風爐生產過程的流程圖、設備運行狀況和過程參數值；提供過程量設定值和控制參數的設定、修改畫面；顯示實時/歷史趨勢并形成歷史數據庫；顯示設備故障和控制系統自身故障的報警畫面；實現報表的生成和打印。另外，系統配備了脫離自動控制系統的操作臺，并將關鍵的工藝參數用二次儀表加以顯示，以便在控制系統的非正常狀態時進行手動操作，避免控制系統故障帶來的損失。

圖1 系統結構圖

3.2 系統控制功能設計

熱風爐主要是為高爐提供穩定高溫的熱風，主要檢測項目有拱頂溫度、廢氣溫度、換熱器助燃風出/入口溫度、換熱器廢氣入/出口溫度、煤氣和助燃風壓力、流量、冷卻水壓力、流量等。控測信號進入PLC后進行線性化計算，氣體流量溫度與壓力補正，并在操作員/工程師站上顯示所有數據。

（1）順序控制。PLC控制站檢測各熱風爐的閥門位置和拱頂溫度等參數，分析熱風爐狀態，根據送風制度和送風優選原則，向熱風爐發出送風、燜爐、燃燒的指令，使閥門按規定的順序和連鎖要求動作，完成熱風爐的狀態轉換和熱風爐之間的送風切換，實現向高爐連續送風的目的。此外，實現系統的安全保護，保證熱風爐安全生產。

（2）模擬量調節。模擬量的調節包括混風調節、煤氣總管壓力調節、助燃空氣總管壓力調節和燃燒控制。熱風溫度是熱風爐的重要參數，直接影響高爐爐況。助燃空氣和高爐煤氣壓力保持穩定是保證熱風爐燃燒穩定的必要條件。這三個回路均采用單回路調節，由Concept軟件的連續控制PID功能塊實現，該功能塊輸出與連續信號對應的計算結果，轉化為4-20mA的標準信號，作為調節閥的輸入，控制過程參數，達到了滿意的控制效果。由于熱風爐是具有非線性、大滯后等特性的復雜被控對象，而其燃料（高爐煤氣）受高爐爐況等因素的影響,熱值和壓力經常波動，為燃燒的完全自動控制帶來了很大困難。經過長期的實踐和摸索，將燃燒分為快速燃燒期、蓄熱期和燜爐期三個階段，采用固定煤氣量調節空氣量的方案燒爐。

3.3 項目效果分析

新1#高爐的熱風爐自動燃燒的控制包括高爐煤氣流量調節回路，助燃空氣流量調節回路和拱頂溫度調節回路。煤氣量和空燃比由操作人員設定，煤氣量的大小關系到拱頂的升溫速度。在快速燃燒期，助燃空氣量根據煤氣量和空燃比自動配給，較小的助燃空氣量促使拱頂溫度盡快升高。拱頂溫度達到設定值后進入蓄熱期，由助燃空氣調節回路和拱頂溫度調節回路經過高選器控制助燃空氣調節閥。拱頂溫度超過設定值時，拱頂溫度調節回路輸出快速增大，當其超過助燃空氣調節回路的輸出時，由拱頂溫度調節回路控制助燃空氣調節閥；拱頂溫度下降或略低于設定值時，拱頂溫度調節回路的輸出下降，當低于助燃空氣控制回路的輸出時，重新由助燃空氣控制回路按空燃比控制助燃空氣調節閥。為避免助燃空氣調節回路進入積分飽和狀態，在拱頂溫度調節回路控制助燃空氣調節閥時，需將助燃空氣調節回路強制為手動狀態。該控制方案達到較好的控制效果，并減少了煤氣用量和電能消耗。

4、結束語

杭鋼集團新1#高爐的熱風爐自動控制系統降低了操作人員的勞動強度，提高系統運行的安全性和穩定性，在一定程度上提高了熱利用率，減少了能耗。自2007年10月投產以來，為降低焦比、提高高爐利用系數起了積極的作用