鋁熔煉爐溫度控制系統(tǒng)的設計

李朝陽 孔丹 唐華

(西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司熔鑄廠，重慶 401326)

溫度控制是工業(yè)生產中一個重要的參數，在冶金企業(yè)中，溫度對鋁鑄錠的質量起著至關重要的作用。鋁熔煉爐采用天然氣為燃料，應用國內先進控制技術，生產的合金主要用于國家航空、軍工、交通等行業(yè)。在熔煉過程任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，而溫度的變化是一個大滯后的環(huán)節(jié)，因此溫度控制是生產自動化的關鍵。在此對熔煉爐的溫度控制方式進行研究。

1 鋁熔煉爐總體概述

鋁熔煉爐設計為35t矩形燃氣爐，它由2個北美的熱風燒嘴、路前管道、助燃風機、換熱器及相應的管路閥件組成。燒嘴燃料為天然氣，呈15°向熔池傾斜，可獲得良好的沖擊加熱效果。燒嘴使用預熱空氣作為助燃空氣，配套的換熱器可將空氣預熱至250～300℃，利用廢氣的熱量，提高燃燒溫度從而達到了高效節(jié)能的目的。大爐門結構設計極大的提高了加料效率，減輕了操作人員的勞動強度。

熔煉爐燃燒系統(tǒng)能實現(xiàn)自動點火及火焰自動檢測等自動控制功能，通過比例調節(jié)達到自動控溫的目的。該系統(tǒng)主要分為點火控制、爐壓控制、溫度控制和傳動機械控制。在這里，將對其中的溫度控制進行分析。

2 溫度控制系統(tǒng)

熔煉爐助燃管路示意圖見圖1。鋁熔煉爐的控溫主要是通過PLC和相關閥件來實現(xiàn)的。溫控方式采用爐膛定溫控制和級聯(lián)控制2種方式分別控制升溫和保溫，可確?？販攸c鋁水金屬溫度控制在設定值的±5℃之內。電控柜上的觸摸操作顯示屏，可顯示燃燒系統(tǒng)各閥件運行工況、火焰燃燒狀況、鋁液及爐膛溫度等。

圖1 熔煉爐助燃管路示意圖

若爐門打開，2個燒嘴風閥應開至各自對應的爐門位，若爐門關到位，則將根據溫度進行自動控制;燃氣和風量設有下限限幅，在每個燒嘴的燃氣和空氣管路均裝有控制閥和安全裝置;燒嘴由一個紫外線火焰檢測裝置連續(xù)監(jiān)視，另外每個燒嘴配有獨立完整的燃燒控制器，具有自動點火、火焰檢測、滅火報警、自動斷氣的功能。

2.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。它由PLC主控系統(tǒng)、執(zhí)行機構、檢測系統(tǒng)、報警系統(tǒng)及人機界面4個部分組成。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

檢測系統(tǒng)負責采集爐子的溫度信號，并將控制閥的開度信號送入PLC，PLC主控系統(tǒng)經過運算處理后輸出信號給供風管路上的調節(jié)閥使其動作，并使燃氣管路上的比例閥按比例改變供氣量，從而達到溫度自動調節(jié)的目的。同時，PLC主控系統(tǒng)可以將鋁水溫度、爐膛溫度及助燃風閥的開度顯示在人機界面上，參數也可以通過人機界面設定后送入PLC主控系統(tǒng)。當出現(xiàn)爐溫異常時PLC將輸出信號給報警系統(tǒng)進行報警。其中PLC主控系統(tǒng)為熔煉爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)的過程控制級是由SIMATIC S7-400系列可編程控制器組成，PLC編程軟件采用STEP7基本軟件，該編程軟件具有程序組織的透明性、可理解性及易維護性。

2.2.1 硬件部分

硬件包括CPU模塊(CPU414-2DP)、電源模塊、接口模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊等。

CPU414-2DP模塊具有存儲量大、運行速度快、強抗干擾能力和高可靠性等特性，可用于大規(guī)模的I/O配置，用于建立分布式I/O系統(tǒng)。作用是執(zhí)行用戶程序，為S7-400背板總線提供5 V電源，通過MPI(多點接口)與 MPI網絡中的其他節(jié)點進行通訊。

電源模塊用來將市電電壓(120/230 VAC)轉換為24 VDC的工作電壓，為S7-400和24 VDC負載電路提供電源。

接口模塊IM153-1用來連接S7-400的各個排(機架排)，通過ROFIBUS總線電纜進行通訊。

數字輸入量模塊負責接收鋁液熱電偶進/退命令信號、超溫信號、助燃風閥限位信號及報警復位等信號。數字量輸出模塊輸出開關量信號控制熱電偶進/退電磁閥及超溫報警等。

模擬量輸入模塊負責采集溫度傳感器送來的毫伏值信號和助燃風閥閥位傳感器送來的0～5 V電壓信號(4～20 mA電流信號經標準電阻后轉化為0～5 V電壓信號)。模擬量輸出模塊輸出4～20 mA電流信號，控制閥門動作。

2.2.2 軟件部分

軟件部分采用Step7 V5.3軟件進行編程，采用西門子PLC自帶的連續(xù)溫度控制器FB58"TCON_CP"實現(xiàn)溫度PID控制，其帶有自整定功能，PID控制算法如下:

PID模塊操作非常簡捷，只要設定4個參數就可以進行溫度精確控制:溫度設定值、GAIN(即P)、TI(即I)、TD(即D)。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這3個參數影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。

比例運算是指輸出控制量與偏差的比例關系。比例參數P設定值越大，控制的靈敏度越低，設定值越小，控制的靈敏度越高，但如果P太小，反而會出現(xiàn)振蕩。積分運算的目的是消除偏差，只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動，積分時間是表示積分作用強度的單位。設定的積分時間越短，積分作用越強，但如果積分時間值太小，校正作用太強會出現(xiàn)振蕩。比例作用和積分作用是對控制結果的修正動作，響應較慢。微分作用是為了消除其缺點而補充的。微分作用根據偏差產生的速度對輸出量進行修正，使控制過程盡快恢復到原來的控制狀態(tài)，微分時間是表示微分作用強度的單位，儀表設定的微分時間越長，則微分作用進行的修正越強。

當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，PID控制可根據測量信號與給定值的偏差進行比例、積分、微分運算，從而輸出某個適當的控制信號給執(zhí)行機構，促使測量值恢復到給定值，達到自動控制的效果。

2.3 人機界面

為了操作及維護方便，該爐組配備WINCC上位機系統(tǒng)(SCADA)，負責接收現(xiàn)場各站點傳來的溫度數據，存儲并顯示，以便操作人員查看和生成報表。在上位機畫面可以查看到整個爐子的運行情況，包括實際及設定溫度值、溫度控制方式、助燃風閥的開度、有無報警等。同時，還可以由操作人員向現(xiàn)場各站點發(fā)送控制命令或修改參數。

現(xiàn)場還設置了操作員面板(觸摸屏)，它采用Protool進行編程。它同樣也可以很直觀的觀察鋁液及爐膛溫度的實際值及各個燒嘴的助燃風閥的開度，還可對鋁液、爐膛溫度進行設定，對控溫方式進行選擇。

2.4 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要對溫度及閥門開度進行檢測。

溫度包括鋁液溫度及爐膛溫度，均采用K型鎳鉻— 鎳硅熱電偶進行檢測，其輸出的是毫伏值。測鋁液熱電偶保護套管連續(xù)使用壽命在4周以上，而且易于清渣。鋁液熱電偶及保護套管安在一桿架上并由氣缸自動插入和拔出。當爐門打開加料或進行爐內鋁液凈化處理、攪拌時，熱電偶自動移出，以免受損。測鋁液熱電偶進出操作也可采取手動控制;熔體溫度接近設定溫度5℃時，聲光報警，提醒操作者。測爐膛溫度熱電偶采用雙支鎧裝熱電偶，一支用作溫度控制及顯示，另一支用來報警。

在助燃風流量調節(jié)閥上有閥位反饋電流傳感器，可檢測閥門的開度大小，輸出4～20 mA電流。

2.5 執(zhí)行機構

助燃風管路上采用GT50-30T 20E型電動執(zhí)行器來驅動碟閥實現(xiàn)風量大小的調節(jié)，它采用連續(xù)信號實現(xiàn)連續(xù)控制，當4～20 mA電流信號輸出至相應的端子時，電動執(zhí)行機構的軸端會從0°旋轉到90°。其最大和最小旋轉角度均可通過電位器來設定。天然氣管路上采用GIK 100F02-6比例閥根據風壓的大小來調節(jié)天然氣的流量大小。根據要求，燒嘴的正常燃燒需要助燃空氣和燃氣有一個穩(wěn)定的混合比例，GIK空/燃比例閥就是用于實現(xiàn)恒定的空/燃比例，獲得在不同狀態(tài)下燒嘴燃燒所需的燃氣壓力。空/燃比例閥是通過連接到空氣管路上的導壓管接收空氣壓力調節(jié)信號，從而實現(xiàn)空/燃比例閥出口壓力Pa和空氣控制壓力PL1∶1的恒定比例。通過調節(jié)空氣閥門改變空氣控制壓力從而相應的改變燃氣壓力來調節(jié)燒嘴的功率。在小流量范圍內，通過調節(jié)空/燃比例閥的彈簧可以設定空/燃比例。

2.6 報警系統(tǒng)

本系統(tǒng)有2套溫度報警系統(tǒng)。一套由PLC檢測其中一支測爐膛溫度熱電偶及測鋁液溫度熱電偶信號測得的溫度值，若超出報警設定值或超出設定值一定范圍則發(fā)出報警信號;另一套采用SR92數顯表進行報警，當另一支測爐膛溫度熱電偶檢測到的溫度值超過SR92數顯表設定值時便發(fā)出超溫信號至PLC進行聲光報警。當出現(xiàn)超溫報警時，則切斷2個燒嘴。

2.7 溫度控制系統(tǒng)結構圖及總述

采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖見圖3。

圖3 溫度控制系統(tǒng)結構圖

熔煉爐溫度控制實現(xiàn)過程:首先溫度檢測單元將溫度轉化為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為PLC可識別的數字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行運算處理，然后輸出給供風管路上的調節(jié)閥自動調節(jié)供風量，并使燃氣管路上的比例閥按比例改變供氣量，從而達到溫度自動調節(jié)的目的。

2.8 溫度控制原理

熔煉爐的溫度控制通過PLC和相關閥門來實現(xiàn)。溫控方式采用爐膛定溫控制和級聯(lián)控制2種方式分別控制升溫和保溫。2種控溫方式的轉換可通過操作觸摸屏上按鈕來實現(xiàn)。當鋁液溫度低于400℃時不能進行鋁液控溫，熱電偶未插入時不能進行鋁液控溫，熔煉爐爐門打開時鋁液熱電偶不能插入爐內，故也不能進行鋁液控溫。

爐膛溫度由爐膛溫度熱電偶采集的溫度信號送入PLC經冷端補償，線性化處理，與爐膛溫度給定值一起經PID運算處理后，輸出給燃燒器供風管路上的調節(jié)閥自動調節(jié)供風量，從而使燃氣管路上的氣動閥的執(zhí)行機構按比例改變供氣量，進而控制燃燒火焰的大小，達到控制爐膛溫度的目的。

級聯(lián)控制即鋁液控制方式，由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號送入PLC經冷端補償，線性化處理，與給定值一起經PID運算，其結果與爐膛溫度熱電偶采集的溫度信號，再經PLC運算處理后，輸出給燃燒器供風管路上的調節(jié)閥自動調節(jié)供風量，并使燃氣管路上的氣動閥的執(zhí)行機構按比例改變供氣量，從而達到鋁液溫度自動調節(jié)的目的。

由于溫度控制系統(tǒng)屬于大滯后控制系統(tǒng)，故在進行溫度控制時必須提前控制溫度的升降。在鋁水溫度調節(jié)階段，2個燒嘴一起燃燒，當鋁液溫度離設定值相差5℃以內時自動切掉一只燒嘴，另一只燒嘴連續(xù)調節(jié)，確保鋁液溫度控制精度，當鋁液溫度高于設定值5℃時再切掉另外一只燒嘴。當鋁液溫度低于設定值2℃時再恢復其中一個燒嘴燃燒。在爐膛溫度升溫階段，2個燒嘴一起燃燒，當爐膛溫度離設定值相差30℃以內時自動切掉一只燒嘴，另一只燒嘴連續(xù)調節(jié)確保爐膛溫度控制精度，當爐膛溫度高于設定值50℃時再切掉另外一只燒嘴。當爐膛溫度降至高于設定值20～50℃時再恢復其中一個燒嘴燃燒。

3 結語

通過PLC控制助燃風流量閥的開度從而改變助燃風大小，通過比例閥來控制天然氣開度達到控溫目的，該方式簡單直觀，且容易找出故障點，但也存在以下不足:

(1)空/燃比例可調節(jié)范圍小，不夠靈活，比例閥本身存在老化問題。當火焰配比不好時，通過調節(jié)比例閥并不能達到最佳效果。若天然氣的流量也是通過調節(jié)流量閥來實現(xiàn)，便可通過調節(jié)PID控制參數及比例系數達到最佳的火焰效果。

(2)助燃風的閥位反饋只做顯示用，當實際值與所設定的開度不一致時不能很好地進行調節(jié)?？蓪㈤y位反饋值參與反饋控制，組成雙閉環(huán)控制，控制效果更佳。

(3)在一般的PID控制中，當系統(tǒng)有較大的擾動或設定值較大幅度提降時，由于偏差較大及系統(tǒng)存在慣性和滯后，在積分項的作用下，會產生較大的超調和長時間波動，在溫度緩慢變化過程中這一現(xiàn)象尤為嚴重。為了減輕這種現(xiàn)象，可采用積分分離措施，即在偏差較大時，取消積分作用，偏差較小時，才將積分作用投入?；虿捎肞ID模糊控制技術來解決慣性溫度誤差的問題。