新型梭式窯爐燃燒控制系統(tǒng)

賈 華，關(guān)福彪，魏 學(xué)，郭曉陽，安 婷

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010；2.東北大學(xué) 機械與自動化學(xué)院，沈陽 110089）

新型梭式窯爐燃燒控制系統(tǒng)

賈 華1，關(guān)福彪1，魏 學(xué)2，郭曉陽1，安 婷1

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010；2.東北大學(xué) 機械與自動化學(xué)院，沈陽 110089）

0 引言

工業(yè)窯爐是燒成過程工藝必要的生產(chǎn)設(shè)備，而梭式窯是高耗能工業(yè)窯爐的代表，其結(jié)構(gòu)特殊、運行環(huán)境惡劣、控制手段落后，所以研究梭式窯爐燃燒系統(tǒng)及爐溫控制系統(tǒng)對提高制品質(zhì)量、節(jié)約能源具有重大的意義。在全面分析梭式窯爐燒成過程工藝基礎(chǔ)之上，充分研究燃燒系統(tǒng)，針對爐溫時變非線性、多耦合和純滯后等問題，將專家系統(tǒng)與PID控制相結(jié)合，提出了一種專家PID控制器并將其實際應(yīng)用于梭式窯溫度控制系統(tǒng)中[1]，改善了傳統(tǒng)PID算法超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長等不足。在實現(xiàn)溫度控制的基礎(chǔ)之上，對壓力及氣氛制度進行輔助調(diào)節(jié)，上位機采用Wincc監(jiān)控系統(tǒng)，通過Profibus-DP總線搭建自動控制系統(tǒng)，使溫度、壓力參數(shù)雙雙按照趨勢曲線變化，長期的實際運行結(jié)果說明此方法可行且效果極佳，具有很好的參考價值。

1 工藝要求與控制難點

在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，或者將電能轉(zhuǎn)化成熱量對工件或物料（非金屬）進行加熱的設(shè)備，稱為工業(yè)窯爐，其中燒成過程的自動化程度是衡量窯爐性能的重要指標(biāo)。梭式窯的燒成工藝主要包括溫度、壓力、氣氛制度，通常應(yīng)用窯爐燒成自動控制系統(tǒng)設(shè)定溫度、壓力曲線進行煅燒[2]，而燒成自動控制系統(tǒng)的好壞主要以預(yù)期的燒成曲線與實際運行曲線的擬合程度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，具體采用什么樣的燒成曲線，取決于制品本身的質(zhì)量要求，同時考慮應(yīng)用性、經(jīng)濟性等問題。由于梭式窯極具靈活性，所以對于不同的制品，只要知道其熱工制度，便能實施控制及生產(chǎn)。

對于長石質(zhì)瓷制品，燒成過程一般分為三個階段：低溫階段（常溫—900℃），應(yīng)用對流換熱，使窯爐溫度按一定的升溫速率到達設(shè)定燒結(jié)點，使坯體在300℃之前排出在干燥過程中殘余的水分和氣泡，固體顆粒緊密靠攏發(fā)生少量的收縮，隨后進入升溫階段，碳酸鹽分解、排除結(jié)構(gòu)水、石英晶型轉(zhuǎn)，其中升溫不宜過快，若不能保證溫度分布均勻，易產(chǎn)生煙熏、起泡的缺陷；高溫階段（900℃—燒成溫度），氧化氣氛時低速升溫，加強煙氣流通量，提高空氣過剩系數(shù)，完成強氧化到強還原氣氛的過渡尤為重要，進入玻化成瓷期（燒結(jié)過程），完成擴散傳質(zhì)、液相的高粘度化、致密化，強度、硬度增大；降溫階段（燒成溫度—常溫），保持均溫下降，且在特定溫度區(qū)間不宜降溫過快，伴隨溫度的降低，坯內(nèi)液相粘度增大，瓷坯固化。總之，溫度制度在對應(yīng)時間段的變化直接影響燒成質(zhì)量，所以控制好溫度變化具有重要意義。

圖1 溫度與壓力控制曲線圖

圖1為某梭式窯設(shè)定的燒成溫度、壓力和排煙風(fēng)機運行及助燃風(fēng)曲線圖，按影響因素分六個區(qū)：Ⅰ區(qū)：氧化氣氛區(qū)（負(fù)壓）；Ⅱ區(qū)：強氧化氣氛(微負(fù)壓)；Ⅲ區(qū)：強還原氣氛（零壓）；Ⅳ區(qū)：弱還原氣氛（微正壓）；Ⅴ區(qū)：氧化氣氛(微正壓)；Ⅵ區(qū)：氧化氣氛（正壓）。

其中強氧化氣氛時，空氣過剩系數(shù)α取值1.6～2.0之間，而強還原氣氛時CO濃度在3%～7%之間，α小于1.0。滿足這些燒成工藝中的要求，制品的質(zhì)量才會有保證。由于工藝的復(fù)雜性，所以對窯爐的基本結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)都是巨大的挑戰(zhàn)。本文在窯爐燃燒室內(nèi)應(yīng)用高速脈沖燒嘴燃燒天然氣，通過燃?xì)馊紵垢G內(nèi)溫度升高，調(diào)整排煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機、二次風(fēng)機的供給量來改變窯內(nèi)的壓力和氣氛，其中各個因素的嚴(yán)重耦合使得控制難度增大，提出應(yīng)用專家系統(tǒng)PID算法在梭式窯中[3]，很大程度上解決了燒成過程曲線的控制。

2 系統(tǒng)組成

燒成過程主要設(shè)備包括窯體、臺車、燃燒系統(tǒng)、一二次風(fēng)管道、天然氣管道、調(diào)壓系統(tǒng)和控制設(shè)備等組成[3]，其中對燒嘴的控制要求高，空氣、天然氣按比例混合燃燒，提高燃料的利用率。不同梭式窯控制系統(tǒng)設(shè)計的要求不同，本文依據(jù)某電瓷生產(chǎn)廠35m3燃?xì)馑笫礁G的實際情況，系統(tǒng)共有14個溫度檢測點、14個燒嘴火焰檢測器、7個溫區(qū)、2個壓力檢測點（部分如圖2所示）。

2.1 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)作為控制重點，主要由燒嘴控制器（如圖）構(gòu)成，其中包括點火控制器、復(fù)位繼電器、點火變壓器、火焰監(jiān)測系統(tǒng)。高速脈沖燃燒控制采用的是一種間斷燃燒的方式，PLC系統(tǒng)對輸入溫度與傳感器檢測爐內(nèi)實際溫度進行專家PID計算，得出最佳系數(shù)并通過電壓或電流信號傳遞到脈沖燃燒控制器，使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時間的占空比實現(xiàn)窯爐的溫度控制。在應(yīng)用霍科德IFS系列高速脈沖燒嘴時與脈沖控制器配合，噴射燃燒氣體速度快，使周圍大部分時間呈現(xiàn)微負(fù)壓狀態(tài)，延長了煙氣與制品接觸的時間，當(dāng)一個燒嘴功率達到最大時候，另一個達到最小，通過這種方式來加劇氣流流動，消除局部熱點，以此來改善窯內(nèi)溫度場、氣氛場、壓力場的均勻性和穩(wěn)定性，提高傳熱效率[4]。

圖2 檢測與控制流程圖

空/燃?xì)獗壤y（FV）為彈簧機械閥，通過連接到空氣管路上的10mm紫銅管導(dǎo)壓管來接收空氣壓力調(diào)節(jié)信號，根據(jù)開度比例控制了進入燒嘴的燃?xì)饬浚罱K調(diào)節(jié)燒嘴的功率，從而實現(xiàn)大小火時空氣、燃?xì)馀浔群侠?，燃燒充分。使用這種閥門來控制空氣和燃?xì)獾呐浔?，可以減少中間環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。考慮到工作窯爐到主控室距離遠(yuǎn)，設(shè)計遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種點火方式，既可以在控制室通過上位機操作畫面點火、復(fù)位，也能通過現(xiàn)場就地箱控制按鈕點火。

2.2 穩(wěn)壓系統(tǒng)

穩(wěn)壓系統(tǒng)包括排煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機、二次風(fēng)機，通過控制器對變頻器設(shè)置拖動各個風(fēng)機進行壓力調(diào)節(jié)，為了確保燒成生產(chǎn)的順利完成，務(wù)必要使窯內(nèi)壓力按溫度值變化維持在所需氣壓下，既保證了窯內(nèi)熱量不流失，又可阻止窯外冷空氣進入窯內(nèi)，也可以減少能源浪費使窯內(nèi)燒成溫度分布趨于穩(wěn)定，同時提高燒成效率和質(zhì)量。為了最大程度上利用爐內(nèi)高溫?zé)犸L(fēng)，結(jié)合窯內(nèi)實際工況在煙氣的出口有換熱器進行余熱回收，給一次空氣進行預(yù)熱，實現(xiàn)資源有效利用。

圖3 燒嘴控制器

3 專家系統(tǒng)控制器的設(shè)計

專家系統(tǒng)控制器主要包括信息獲取與處理、數(shù)據(jù)庫與知識庫、推理機、控制與操作機構(gòu)和PID控制器組成。在線獲取實時檢測到的數(shù)據(jù)與狀態(tài)[5]，經(jīng)過在數(shù)據(jù)庫與知識庫中的查找和匹配，更新重要數(shù)據(jù)與知識，為推理機提供特征信息，利用推理信息獲得PID控制器的Kp、Ki、Kd參數(shù)，控制與操作機構(gòu)把獲取到的PID參數(shù)信息嵌入到PID算法中，實現(xiàn)實時在線更新。專家控制器是電瓷梭式窯爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，而其中專家系統(tǒng)推理規(guī)則是專家控制器的核心。

圖4 專家系統(tǒng)PID控制原理圖

3.1 自學(xué)習(xí)模式

R和F的具體取值：

3.2 模糊推理

專家PID控制器根據(jù)實際運行狀態(tài)在線修改Kp，Ki，Kd參數(shù)。

表1 窯爐運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.3 知識庫中存儲的部分規(guī)則：

Rule1：IF是弱氧化階段AND e（t）＞20℃THEN減少燃燒天然氣h(t)10.5m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量5.3m3。

Rule2：IF是弱氧化階段AND e（t）＞12℃THEN減少燃燒天然氣h(t)5.4m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量2.7m3。

Rule3：IF是弱氧化階段AND e（t）＞5℃THEN減少燃燒天然氣h(t)2.8m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量1.5m3。

Rule4：IF是弱氧化階段AND 2℃≤|e（t）|＜5℃ THEN減少燃燒天然氣h(t)0.9m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量1.0m3。

Rule5：IF是弱氧化階段AND |e（t）|＜2℃THEN減少增加燃燒天然氣h(t)0.4m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量0.6m3。

Rule10：IF是強氧化階段AND e（t）＞20℃THEN減少燃燒天然氣h(t)9.8m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量4.8m3。

Rule36：IF是弱還原階段AND e（t）＜-20℃THEN增加燃燒天然氣h(t)10.3m3并且增加二次風(fēng)機鼓風(fēng)量5.2m3。

4 上位機界面設(shè)計

根據(jù)梭式窯爐工藝特點，本設(shè)計采用西門子WINCC軟件設(shè)計上位機界面，界面包含數(shù)據(jù)初始化模塊、監(jiān)控主界面、設(shè)置溫控曲線、壓力趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)生成報表、報警窗口及用戶設(shè)置等功能，如圖5所示。

圖5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)主程序框圖

其中數(shù)據(jù)初始化模塊主要是記憶歷史數(shù)據(jù)輸入、上下限報警數(shù)據(jù)的輸入、各類生成報表格式，可以默認(rèn)設(shè)置將上次使用過的燒成制度數(shù)據(jù)作為本次燒成數(shù)據(jù)的初始化；窯爐監(jiān)控主畫面應(yīng)用所有燒成監(jiān)控數(shù)據(jù)（各個溫區(qū)實時溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)輸出、比例閥的開度情況）動態(tài)顯示，并且?guī)в袑崟r棒狀圖，提供用戶根據(jù)數(shù)據(jù)變化進行燒成操作；設(shè)置燒成曲線可以通過多種途徑，主要優(yōu)點是可以根據(jù)燒成情況修改當(dāng)前運行狀態(tài)下的燒成曲線，通過數(shù)據(jù)初始化模塊調(diào)出歷史數(shù)據(jù)直接輸入，亦可直接在界面直接畫出曲線，還可以在界面上輸入溫度分區(qū)、上升時間、保溫時間等；壓力趨勢曲線對比顯示設(shè)定壓力與輸出壓力曲線；歷史數(shù)據(jù)生成報表可以調(diào)出以往任何時間的實際溫度、壓力曲線、設(shè)置的燒成曲線，所有歷史數(shù)據(jù)都能生成多種格式的圖表，方便編輯、打印、修改；報警窗口不僅提供上下限的溫度值、升溫速度過快、各類開關(guān)量報警，還具有自診斷、短時斷電自復(fù)位功能。

由實際運行按照前文所述的從生產(chǎn)工藝出發(fā)，充分考慮性價比、預(yù)留備用等因素認(rèn)真進行硬件選型，分別對上位機組態(tài)、下位機編程，現(xiàn)場儀表控制器實際安裝，初步上電運行并經(jīng)過反復(fù)測試到后期投產(chǎn)，系統(tǒng)一直維持穩(wěn)定可靠的運行，綜合誤差范圍控制在±1.8℃以內(nèi)，達到預(yù)期要求。

圖6 窯爐實際運行情況

圖7 窯爐壓力歷史與趨勢曲線

5 結(jié)束語

專家PID控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用的結(jié)果顯示，不僅使窯爐內(nèi)燒成制品質(zhì)量滿足要求，而且大大的節(jié)約了能源，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了全自動化生產(chǎn)，為整個工業(yè)窯爐燒成技術(shù)提供了很好的參考價值應(yīng)用前景非?？捎^。

[1]蔡志端,毛建華,王培良.基于模糊免疫自適應(yīng)PID的工業(yè)電爐多點溫度協(xié)調(diào)控制[J].制造業(yè)自動化,2013(1):40-43.

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[5]張雷.梭式窯溫度控制算法及系統(tǒng)設(shè)計研究 [D].洛陽:河南科技大學(xué),2012.

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The new combustion control system of shuttle kiln

JIA Hua1，GUAN Fu-biao1，WEI Xue2，GUO Xiao-yang1，AN Ting1

根據(jù)某廠35m3梭式窯爐自動控制系統(tǒng)應(yīng)用及燒成過程工藝要求，針對傳統(tǒng)控制方式控制精度低、調(diào)節(jié)時間長、控制不穩(wěn)定等的問題，提出專家PID控制在工業(yè)窯爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了建模困難、非線性等技術(shù)難題，并對燃燒系統(tǒng)、爐溫自動控制進行專項研究，通過硬件組態(tài)、軟件算法程序編寫、上位機界面設(shè)計，構(gòu)建了燃燒系統(tǒng)和爐溫控制系統(tǒng)一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場信息采集和窯爐自動控制功能。實際應(yīng)用證明，系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定運行，具有很好的控制效果。

專家PID控制；燃燒系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)

賈華（1963 -），男，內(nèi)蒙古人，副教授，碩士，主要從事控制理論及電氣傳動研究。

TP273

A

1009-0134(2014)05(下)-0004-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).02

2014-01-21