可编程序控制器加热炉燃烧控制系统

可编程序控制器加热炉燃烧控制系统
0 前言
以煤气为燃料的退火炉是目前锻造工业应用广泛一种高效的工业炉。

要保证工业炉的燃烧稳定，炉温、路压等工艺参数的自动控制是非常重要的，同时大能耗工业炉采用可编程序控制器技术进行燃烧控制，即能从控制方法上降低能耗、节省能源，是一种即能提高产品经济效益又熊减少污染、改善生产环境节能技术。

加热炉耗能越大，燃烧控制问题越突出，则可编程序控制器控制效果也就越明显，效益也越高。

控制方案中，炉温控制燃烧系统最具关键性，以此为重点就方案的设计要点作简要阐述。

受某厂委托，在该厂lz50火车轴工业炉项目中，选用美国schneider公司的momentum系列可编程序控制器系统对一台推钢式加热炉和一台步进式退火炉进行燃烧控制，并承担控制系统的系统设计、安装、调试和现场投运工作。

系统工艺如下50号钢坯经加热炉加热至1200℃后，由推钢机推出，经800吨锻压成为火车轴形状，自然降温后，送入步进退火炉，经800℃温度时间曲线热处理后，自然冷却。

本系统于当年底经由铁科院验收正式投入使用，一直运行良好，各项技术指标完全达到了原设计要求和工艺操作的要求；其中，炉温波动小于±10℃，升降温速度较快（每升降’50℃/5-6min），经济和社会效益显著，一年内即可收回本系统的全部投资，厂方对此表示满意。

1 系统构成及其特点
推钢式加热炉有3个加热控制区：预热段、加热段、均热段；燃料采用焦炉煤气，钢表面加热温度范围为1100-1250℃。

对系统控制效果的要求如下：
1）3个加热控制区温度控制精确度为±1%；
2）炉膛压力控制在±lmmh2o之间；
3）钢坯半自动，控制系统运行稳定可靠；
步进式退火炉有3个加热控制区：预热段、加热段、均热段；燃料采用焦炉煤气，钢表面加热温度范围为600-800℃。

对系统控制效果的要求如下：
4）3个加热控制区温度控制精确度为±1%；
5）炉膛压力控制在±lmmh2o之间；
6）进出钢件在全自动情况下，控制系统运行稳定可靠。

我们选用momentum系列的171ccc96030可编程序控制器cpu 1`块、170aai03000模拟量输入， 8通道，差分，2块、170aao92100模拟量输出， 4-20ma， 4通道2块， 170adi34000 开关量输入，24 vdc， 16点 1块，170ado34000 开关量输入， 24 vac， 16点1块构成了可编程序控制器下位机系统；工控机l台、操作员键盘1个、epson打印机l台等构成了上位机系统。

上述可编程序控制器各模板信号接口与ⅲ型仪表信号相匹配；构成的可编程序控制器控制系统与监控计算系统两级构成分散控制系统。

分别称为下位机和下位机。

1.1 momentum系列下位机控制系统的各主要部件及其功能
momentum系列下位机控制系统可可编程序控制器cpu、di、do、ai、ao模板等基本单元组成。

系统根据实际需要进行灵活配置。

1）interbus通信网络
它是四线双向串行数据传输总线（双绞线），负责各模板基本单元与cpu之间的对等通信，其传输速率为640kbps，两节点之间最远通信距离600米。

最大通信距离1500米。

它是四线双向串行数据传输总线（双绞线），负责各模板基本单元与cpu之间的对等通信，支持无主的令牌传输协议，共有16个icn总线内地址。

其传输速率为31.25kbps，最远对等通信距离600米。

2）可编程序控制器cpu
它与i/o模板构成可编程序控制器系统，通过组态编程实现pid 控制器和顺序逻辑控制的功能。

170aai03000模拟量输入模板，它有8个4-20ma（或1-5vdc）差分通道；170aao92100模拟量输出模板， 4-20ma， 4通道；
170adi34000开关量输入模板，24 vdc，16点数字量输入；
170ado34000开关量输入模板，24 vdc，16点数字量输出。

171ccc96030 cpu控制器可实现单回路调节、串级调节前馈调节、滞后调节、对现场模入和及开入信号进行处理（如加、减、乘、除、开方、逻辑与、或、非、线性化等）、自诊断、故障/超限报警，通过以太网口和通信链与上位机通信等功能。

在正常工作时，组态、调整和运行时所需的要的参数每25ms刷新一次。

1.2 上位机控制系统的构成
上位机控制系统在系统软、硬件的支待下组成了一crt操作站，其负责对momentum系列下位机站中各基本控制参数进行组态和上位视监控，对现场信号进行定时采集/打印。

当上位机主机故障修理时，下位机控制站仍可独自工作无妨，部分通信故障不影响到整个系统。

1）以太网通信最多同时可管理64个链接，同时与64台momentum 控制站或上位计算机系统进行数据交换。

2）上位机采用工控计算机，中档微机系统；工控软件采用
ifix3.0.
工控软件运行于 xp操作系统，实现数据采集、数据备份、参数实时显示和修改、控制参数的历史曲线显示。

1.3 分散控制系统的特点
由于本系统采用了以工业太网为通信连路的控制系统，提高系统的可靠性，使用户能方便的实现，多台上位机的联网操作。

1）通信功能强
本系统下位机采用momentum系列plc， i/o模板之间系通过interbus总线连接，具有可靠性高、扩展方便等特点。

增加i/o模板数量，几乎无有限制，i/o模板可以远距离安装，减少现场控制线的敷设。

模板间距离可达600米。

2）编程方便
上位计算机通过以太网对可编程序控制进行组态、编程，实现顺
序逻辑控制和过程控制。

控制系统应用程序组态方便，支持多达五种编程语言，方便的在线编程手段，使得进行控制逻辑的编辑、修改和故障查找快简便。

控制算法及模入信号l量化灵活。

3）上位机监控软件
工控软件ifix3.0系统组态软件是采用国际上先进的pc技术，使计算机、通信、crt技术浑然一体而开发的性能优良的软件产品。

它采用的是空栏式语言。

编写应用程序时只需填写相应的程序工作单，大大缩短了应用软件的开发周期，减少了低层次软件的开发，.提高了软件的使用效率和控制的可靠性。

用户显示/操作画面功能强，系统应用程序组态方便。

作用户显示/操作画面功能强。

2 系统设计及程序编程
图1 偏差比例型双交叉限幅燃烧方式系统图
从最佳燃烧控制及响应速度综合考虑，我们选用了优于单、双交叉限幅控制方法的偏差比例型双交叉制约控制策略，其原理如图1所示。

其特点是，取主温度调节器的输出值与煤气流量过程值之差△t的函数f（△t）=k|△t|作为煤气及空气流量从控制器的高、低值选择器中的一个变量因子。

原理如下：
1）当燃烧系统接近稳态工况运行时，△t≈0，空气、煤气从控制器的设定值sp均选定a；此偏差作用主要受k1、k2（不完全燃烧界限系数）、k3、k4（空气过剩界限系数）4个偏差系数的影响。

由实际的空气流量pva和实际的煤气流量pvf构成一空燃比允许带。

空气侧：
2）当燃烧系统处于负荷变动的过渡过程中时，f（△t）与△t成线性函数关系，△t越大，所取的f（△t）值也越大，使各从控制器的高、低值选择器中的偏置值与偏差△t大小成比例，所以改善了控制系统的响应特性。

空气侧：
煤气侧：
此外，常数k1、k2、k3、k4的作用一方面是起限幅作用，使得燃料流量的变化速度始终不超过空气流量的变化速度，克服了由于空气管道口径远远大于燃料管道口径所造成的空气调节阀响应相对迟缓、燃烧不完全这一缺点，从而达到使燃烧过程无论是在稳定状态还是过渡过程都能基本上在最佳燃烧区（对燃料为煤气而言，空气过剩系数μ=1. 05-1.10的区域）内进行；另一方面，在负荷稳定时，可防止外界扰动等引起的流量波动，即相当于在空燃比调整带中设置了一个死区。

尽管此方法有在过渡过程中空气系数的变化范围太宽这一不足，但其同时吸取了单交叉和双交叉限幅方法的优点，即提高了系统的响应特性和实现了双限幅，使燃烧过程基本上处在最佳燃烧内进行，克服了单交叉限幅使燃烧经常处于过氧燃烧和双交叉限幅方法过度过程中相对响应缓慢的不足。

实际的空气过剩率μ在正常状态下与设定值μ相等，但在负荷急增的过渡状态下，将下降到μ（1-k1）（设定时k，=k。

）而在负荷急降时，空气过剩率μ的上升量仅取决于燃料系统和空气系统的响
应速度之差。

系数设定一般取一般取k1=k2=2%～5%，k2=k4=4%～5%，空气过剩率μ的设定应使μ（1-k1）与燃烧发烟限制值相吻合，具体数值可在现场整定，变换系数β可根据所选的变送器量程上限求得：
式中：qfmax为煤气流量测量范围上限，nm3/h；qamax 为空气流量测量范围上限，nm3/h； a为煤气的单位理论空气量，nm3/m3。

偏差比例型双交叉控制方案投运后，控制效果良好，炉温稳定，能耗下降，已基本满足工艺，偏差比例型双交叉控制方案因控制结构复杂，若采用常规仪表较难实现，为此笔者选用了momentum系列plc。

该plc是以16位单片机为核心构成的一种微机化数字控制装置，用它实现串级调节器，可以方便的实现，常规仪表操较难实现的控制算法。

不仅有编程使用简便的优点，又具有计算机快速处理和灵活丰富的运算功能。

使用一套momentum系列plc实现两台工业加热炉的六路过程控制，同时使用期顺序控制两台了炉子的进料和出料机械动作。

该可编程控制器功能亦非常丰富，存储了多种运算、控制功能块，用户可根据需要灵活组态，生成各种控制方案。

[责任编辑：王迎迎]。