天然氣熱浸鍍鋅窯爐自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

王樹強(qiáng)，劉希敏，高志剛

（1. 沈陽化工大學(xué)，沈陽 110142；2. 沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 1108703；3. 山東廣鑫交通設(shè)施有限公司，德州 253511 )

0 引言

熱浸鍍鋅工藝主要用于汽車行業(yè)及日常民用的鍍鋅鋼板、鋼管及鋼絲等連續(xù)熱浸鍍鋅產(chǎn)品，以及許多成品工件，如電力和通信鐵塔、高速公路護(hù)欄、鐵路和公路上的鋼結(jié)構(gòu)等。該工藝可以將鋼材完全覆蓋保護(hù)，包括工件的凸凹不平處和死角處，并且具有犧牲陽極功能，有效的抑制了腐蝕。我國(guó)批量熱鍍鋅技術(shù)比較落后[1]，目前熱浸鍍鋅技術(shù)正在進(jìn)入低能耗、低污染、高質(zhì)量和自動(dòng)化時(shí)代。

熱浸鍍鋅一般包括：脫脂、酸洗、溶劑助鍍、烘干、熱浸鍍、水冷和鈍化等工藝過程，其中熱浸鍍工藝環(huán)節(jié)是最關(guān)鍵的。

1 天然氣窯爐的燃燒系統(tǒng)

鍍鋅爐的加熱方式有多種[2]。電加熱不產(chǎn)生污染，但是對(duì)于大型的窯爐不適用，耗能高，維護(hù)維修成本高。油加熱及煤氣（一般由煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生）加熱要產(chǎn)生部分尾氣，采用此種加熱方法需建很高的排污煙筒。粉塵污染及煙塵污染嚴(yán)重，控制相對(duì)較難。天然氣是潔凈能源，燃燒過程易控制。本系統(tǒng)加熱方式采用天然氣高速燒嘴對(duì)流加熱，在窯爐的對(duì)角線位置設(shè)置高速燒嘴，最高火焰速度可達(dá) 。整個(gè)爐膛內(nèi)溫度會(huì)迅速升高，并且由于高速高溫?zé)煔庑纬傻膶?duì)流熱風(fēng)對(duì)整個(gè)鋅鍋的加熱均勻分布，防止了鋅鍋局部高溫，提高了鋅鍋的使用壽命。

天然氣由管網(wǎng)經(jīng)過調(diào)壓站調(diào)壓后進(jìn)入該系統(tǒng)管路，如圖1所示?？?cè)細(xì)夤苈飞显O(shè)有手動(dòng)閥、過濾器和調(diào)壓閥。緊急切斷閥1用于緊急切斷總?cè)細(xì)庠?，閥2用于燃?xì)夥趴湛刂?。燃?xì)庵Ч苈飞系木o急切斷閥3用于測(cè)漏控制和緊急切斷燃?xì)庵?。每條支路上都設(shè)有空然比例控制器，用于控制空燃比，使燃?xì)膺_(dá)到最佳燃燒狀態(tài)。

圖1 管路系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 控制方案及硬件配置

采用多級(jí)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)分布式控制結(jié)構(gòu)，L2級(jí)控制采用一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC作過程控制級(jí)兼作監(jiān)控站(人機(jī)界面)，控制計(jì)算機(jī)配有Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口，可與工廠級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，L1級(jí)采用PLC通過多條專用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接至L0級(jí)以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的遠(yuǎn)程離散控制功能。由各相關(guān)傳感器、控制器模塊、電氣元件、控制總線等構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

人機(jī)界面HMI采用西門子WinCC開發(fā)，在WinCC6. 0中配置通信驅(qū)動(dòng)程序?qū)傩?，建立變量連接。該程序主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、按鈕操作、圖線統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。IPC負(fù)責(zé)完成參數(shù)修改與設(shè)定、控制方式(手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng))選擇，在線監(jiān)視、安全報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢等功能。下位機(jī)采用西門了S7- 300系列PLC，其具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高、結(jié)構(gòu)緊揍、性價(jià)比高、性能優(yōu)越、裝拆方便等特點(diǎn)。PLC負(fù)責(zé)完成硬件開關(guān)量I/ 0的控制和模擬信號(hào)的采集與調(diào)節(jié)，并通過Profibus總線進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。上位機(jī)和PLC之問通過CP5611數(shù)據(jù)網(wǎng)卡進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為[5]。WinCC通過MPI協(xié)議與主站PLC通訊，在PLC側(cè)不需組態(tài)和編程，在WinCC上要對(duì)CPU的站地址、槽號(hào)和網(wǎng)卡組態(tài)。另外，需添加SIMATIC S7PROTOCOL SUITE。

某車間從站PLC的硬件配置如表1所示。其中燃燒控制系統(tǒng)主要技術(shù)工藝路線框圖如圖2所示。

表1 PLC主要硬件配置表

圖2 燃燒系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

3 控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)工藝控制要求，設(shè)計(jì)控制程序流程如圖3所示，PLC程序采用西門子軟件Step7編寫。

3.1 安全燃燒控制

為了實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的安全采取了以下措施：

1）互鎖功能。當(dāng)排煙風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，燃?xì)庵鞴艿篱y門打不開；助燃風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，燃?xì)庵鞴艿篱y門也打不開。

2）當(dāng)存在下述不安全因素時(shí)，聲光報(bào)警并自動(dòng)關(guān)斷燃?xì)庵鞴艿篱y門，切斷燃?xì)庠?，以確保安全。

（1）燃?xì)獾膲毫^低或過高。

（2）助燃空氣的壓力過低或過高。

（3）排氣壓力過高或壓力過低。

（4）預(yù)熱帶燒嘴火焰熄滅(關(guān)斷燒嘴前燃?xì)庵Ч艿郎系碾姶砰y)。

（5）燃?xì)馄鞴收稀?/p>

3）燃?xì)夤苈窚y(cè)漏

由于燃?xì)夤苈肪€路長(zhǎng)，分支多，接口多，并且鍍鋅爐位于地面之下，在相對(duì)封閉的空間內(nèi)燃?xì)庖坏┬孤毒蜁?huì)有爆炸的危險(xiǎn)。所以在每次點(diǎn)火之前必須確定燃?xì)夤苈窙]有泄露點(diǎn)，并且緊急切斷閥密封性能良好。在總管路前端設(shè)有切斷閥1（如圖1所示），每個(gè)燃?xì)庵返臒烨霸O(shè)有切斷閥3，在閥1和閥3之間設(shè)有放空管路，并安裝有切斷閥2. 本文設(shè)計(jì)的測(cè)漏程序原理是，首先打開切斷閥1，關(guān)閉切斷閥2和3，幾秒鐘后關(guān)閉切斷閥1.此時(shí)測(cè)量燃?xì)庵鞴苈泛椭Ч苈返膲毫?，若壓力為燃?xì)鈮毫t切斷閥2和3及管路沒有泄露，若低于燃?xì)鈮毫t有泄露點(diǎn)；然后關(guān)閉切斷閥1，打開放空管路上的切斷閥2，幾秒鐘后關(guān)閉，此時(shí)測(cè)量燃?xì)庵鞴苈泛椭Ч苈返膲毫?，若為大氣壓力則切斷閥1沒有泄露，若大于大氣壓則切斷閥1泄露。經(jīng)過以上兩個(gè)步驟測(cè)漏通過后，程序才允許燃燒器點(diǎn)火。

3.2 溫度控制

鋅浴的溫度對(duì)生產(chǎn)影響很大[2~4]。熱浸鍍鋅溫度和室溫下可能含四種鐵鋅化合物(實(shí)際構(gòu)件的熱浸鍍鋅層中可能只含有其中的兒種。因其晶粒大小相差甚遠(yuǎn)，其成分不同對(duì)于表面質(zhì)量影響較大。溫度在480-500oC時(shí)，鐵損急劇增加到4倍以上。在較短時(shí)問內(nèi)，溫度對(duì)鐵損加劇作用不象長(zhǎng)時(shí)問的影響那樣大，所以對(duì)鋅耗的影響不大。但是鍍鋅鍋的鍋壁鋼板腐蝕得特別快，鍍鋅鍋的滲漏機(jī)會(huì)相應(yīng)地增加了。鍍鋅溫度稍高，如在最高溶解速度范圍內(nèi)時(shí)，也有一定的好處，即隨著溶解速度的增加，鋼材在鋅液中生成的鐵-鋅合金層就快，因此，產(chǎn)量就高，能源及各種消耗指標(biāo)可大幅度地下降，這是在多年的生產(chǎn)實(shí)際中所證明了的。溫度還影響鋅渣的產(chǎn)出率以及由于鋅渣形態(tài)、活動(dòng)性等引起的鍍件粘渣和鉛污染之類的問題。

溫度控制采用閉環(huán)控制，將鋅浴溫度傳感器的信號(hào)和工藝設(shè)定溫度比較，其差值輸入PID控制器，通過調(diào)節(jié)燃?xì)夤苈飞系谋壤y來調(diào)節(jié)燒嘴的燃燒功率。PID的初始化可以通過在OB100中調(diào)用一次，將參數(shù)COM-RST置位，當(dāng)然也可在別的地方初始化它，關(guān)鍵的是要控制COM-RST.比例閥的PID調(diào)節(jié)了程序在定時(shí)循環(huán)中斷程序模塊OB35中調(diào)用，OB35的定時(shí)周期即PID的采樣周期，通過西門了STEP7的集成模塊FB41實(shí)現(xiàn)。FB41的框圖如圖4所示，其中，負(fù)反饋誤差由浮點(diǎn)格式設(shè)定值SP_INT(工藝溫度設(shè)定值)減去轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)格式的過程變量PV(鋅浴溫度平均值)得到。為了抑制因PID控制器輸出量的量化造成的連續(xù)、較小的振蕩，PID控制器設(shè)計(jì)了死區(qū)。通過多次試驗(yàn)和參數(shù)整定，達(dá)到了穩(wěn)定控制的目的。PID控制器1的主要參數(shù)：采樣周期Ts=0.05τ取20s，τ為被控對(duì)象的純滯后時(shí)間；比例系數(shù)K=1.15T1/τ，T1為被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線的上升時(shí)問常數(shù)；積分時(shí)問常數(shù)T1=2τ；微分時(shí)間常數(shù)TD=0.45τ；死區(qū)DEADB_W=10；微分操作延遲TM_LAG=0.09τ。

圖3 主程序流程圖

圖4 FB41 PID控制器框圖

3.3 其他程序

鍍鋅窯爐燃燒室內(nèi)的壓力為微正壓或微負(fù)壓。壓力過大會(huì)損壞耐火磚砌成的窯壁或造成鋅鍋的變形，壓力過小就會(huì)損失熱量，熱風(fēng)沒有充分利用就被引風(fēng)機(jī)吸入煙道，這樣會(huì)增加燃?xì)獬杀?。本文采用變頻調(diào)速來控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂迫紵覂?nèi)的壓力。另外程序還實(shí)現(xiàn)了酸洗槽，鈍化槽內(nèi)液體的成分檢測(cè)和液位檢測(cè)控制和余熱回收利用的自動(dòng)控制。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了新型的天然氣鍍鋅窯爐的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，研究了自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，采用西門子S7-300PLC和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)了鍍鋅生產(chǎn)線的自動(dòng)控制。系統(tǒng)已安全運(yùn)行一年，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的環(huán)保效益，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，溫度控制在設(shè)定溫度的±2oC，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

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