加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉云

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 煙臺(tái) 265500)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，使軋鋼生產(chǎn)線對加熱爐爐溫的控制要求越來越高。在軋鋼生產(chǎn)線中，加熱爐的能源消耗較高，并且鋼質(zhì)量的優(yōu)劣主要由加熱爐的溫度決定。但是傳統(tǒng)加熱爐的工作效率較低，生產(chǎn)的產(chǎn)品存在不同程度的質(zhì)量問題，為提升加熱爐的工作效率以及產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，本研究提出一種基于PLC控制器的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將該系統(tǒng)應(yīng)用于軋鋼行業(yè)，對于軋鋼行業(yè)具有推進(jìn)作用。

1 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 步進(jìn)式加熱爐的爐溫控制

本研究為實(shí)現(xiàn)對加熱爐爐溫的控制，采用步進(jìn)式加熱爐進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并將爐溫自動(dòng)控制分為三個(gè)階段：預(yù)熱段、供熱段以及均熱段：

(1)預(yù)熱段：該階段主要指的是對加熱爐的進(jìn)料進(jìn)行升溫，通常情況下，當(dāng)加熱爐處于預(yù)熱段時(shí)，爐內(nèi)溫度處于較低狀態(tài)，為了充分利用加熱爐的熱量，將其應(yīng)用于進(jìn)爐板坯進(jìn)行預(yù)熱，從而實(shí)現(xiàn)提升加熱爐熱效率的目的，有利于節(jié)約資源。

(2)供熱段：該階段使是加熱爐對爐溫進(jìn)行控制的主要加熱部分，在持續(xù)高溫狀態(tài)下，可使受熱體以最快的速度進(jìn)行升溫，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)溫度[1]。

(3)均熱段：該階段主要負(fù)責(zé)在最小的溫差范圍內(nèi)，對爐內(nèi)受熱體的截面進(jìn)行均勻加熱。

步進(jìn)式加熱爐為實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的精準(zhǔn)控制，主要利用S7-300控制脈沖燃燒技術(shù)的作用原理，將該技術(shù)作為核心技術(shù)。該加熱爐的工作原理為：由于不同區(qū)域的實(shí)際溫度均通過熱電偶進(jìn)行檢測，熱電偶檢測完畢后可使該溫度形成模擬量，并經(jīng)過F105模塊將實(shí)際溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后將該信息傳輸至S7-300的模擬信號輸入端。為使加熱爐內(nèi)的溫度可達(dá)到設(shè)定值，采用對比分析的方式將實(shí)際溫度與STEP7中的設(shè)定溫度進(jìn)行比較。為得到該加熱爐的實(shí)際控制量數(shù)值，通過FB43功能模塊對PID進(jìn)行操控，控制量數(shù)值獲取成功后，可通過F106轉(zhuǎn)換模型將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬信號，并將其傳輸至加熱裝置，最終實(shí)現(xiàn)對溫度的控制[2]。

1.2 步進(jìn)式加熱爐的控制模型

本研究為實(shí)現(xiàn)對加熱爐爐溫的控制，對步進(jìn)式加熱爐的控制模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模型的主要設(shè)計(jì)流程為：首先假設(shè)加熱爐對溫度進(jìn)行控制時(shí)，各階段之間的相互影響較低，并將該模型等效為一階慣性環(huán)節(jié)，其公式為

(1)

式中:K為系統(tǒng)的增益；T為時(shí)間常數(shù)；τ為滯后時(shí)間常數(shù)。為獲取各函數(shù)的數(shù)值，向系統(tǒng)增加階躍信號，此時(shí)設(shè)階躍輸入u(t)的變化幅值為Δu(t)，若輸出y(t)的初始值為y(0)，穩(wěn)態(tài)值為y(∞)，則增益K的公式為

(2)

本研究為確定參數(shù)的實(shí)際數(shù)值，采用繪制階躍響應(yīng)曲線的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)流程為：首先在階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)A處作一切線，使其與時(shí)間軸相交于B點(diǎn)，與曲線的穩(wěn)態(tài)近線交于A點(diǎn)，通過該方式即可確定參數(shù)的數(shù)值，階躍響應(yīng)曲線如圖1所示[3]。

圖1 階躍響應(yīng)曲線

1.3 爐溫控制系統(tǒng)的總體方案

為實(shí)現(xiàn)對加熱爐爐溫的控制，本研究采用西門子PLC S7-300作為該系統(tǒng)的核心，并利用SIMATIC WINCC對加熱爐爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的工作流程為：首先利用溫度壓力傳感器對加熱爐中的爐溫及爐壓信號進(jìn)行采集，將采集成功的數(shù)據(jù)信息通過變送器實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，并傳送至PLC控制器中，最后通過對比分析的方式，將所得數(shù)值與上位機(jī)中設(shè)定值進(jìn)行比較，即可獲取偏差信號，將該數(shù)值分別輸出至對應(yīng)的執(zhí)行器，以此實(shí)現(xiàn)對加熱爐溫度及壓力的控制。該系統(tǒng)中的通信功能主要依靠PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)與WINCC監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過上層PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)及PLC進(jìn)行連接，可使上位機(jī)和WINCC人機(jī)界面對PLC進(jìn)行操作及控制，而現(xiàn)場的溫度、壓力等信號均可通過下層PROFIBUS DP與PLC連接，在PLC控制器的整體調(diào)控下，有利于對加熱爐的爐溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，加熱爐爐溫控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 基于PLC的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測、轉(zhuǎn)換元件的選擇

該系統(tǒng)中采用的傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路共同組成。其中敏感元件可將測量數(shù)據(jù)輸出，使測量數(shù)據(jù)與某個(gè)已知的被測量數(shù)據(jù)形成確定關(guān)系的元件。轉(zhuǎn)換元件是該傳感器的橋梁，通過該元件可將電信號與非電信號進(jìn)行連接，有利于實(shí)現(xiàn)非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪康?。轉(zhuǎn)換電路主要分為兩種類別：D/A以及A/D轉(zhuǎn)換電路，可將轉(zhuǎn)換元件的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅骺蛇M(jìn)行測量的電信號，而傳感器的輸出信號存在微小的變化，需要利用信號器將其放大、運(yùn)算、濾波后，方可被使用[5]。

2.2 溫度信號的檢測

對加熱爐的爐溫進(jìn)行控制時(shí)，需要控制器具有較強(qiáng)的測量精度及準(zhǔn)確性，為保證加熱爐溫度測量的精準(zhǔn)性，應(yīng)選擇正確的溫度測量儀器。通常情況下，溫度測量方法主要包括兩種：非接觸式測量以及接觸式測量，其中非接觸式測量屬于一種間接測量方法，該方法只對流或者輻射進(jìn)行熱交換，以此實(shí)現(xiàn)對加熱爐爐溫進(jìn)行測量的目的。接觸式測量屬于一種直接測量的方法，該方法內(nèi)部測溫元件以及被測介質(zhì)存在直接接觸現(xiàn)象[6]。

對加熱爐溫度進(jìn)行測量時(shí)需要使用熱電偶，該系統(tǒng)中使用的熱電偶具有測量范圍廣、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、測量結(jié)果準(zhǔn)確以及支持信號遠(yuǎn)程傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。本研究為提升系統(tǒng)對溫度的測量精度，選用熱電偶作為該系統(tǒng)的溫度檢測傳感器，使加熱爐爐溫控制系統(tǒng)可更加真實(shí)地反映出溫度的變化情況[7]。

為此本研究采用鎳鉻—鎳硅熱電偶(K型)作為該系統(tǒng)的溫度檢測傳感器，該熱電偶具有成本低、測量范圍廣、靈敏度高等優(yōu)勢。將該傳感器與溫度變送器充分結(jié)合，可使兩點(diǎn)之間的溫差轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號或者1～5 V的電壓信號，利用控制單元以及顯示單元等部分實(shí)現(xiàn)對溫度的操控。其中溫度變送器型號為TT320，該型號的變送器具有較大的測溫范圍以及高精度等特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的快速安裝。

2.3 壓力信號的檢測

在加熱爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，壓力參數(shù)的檢測對爐溫的控制至關(guān)重要，而壓力傳感器的主要作用為：對加熱爐內(nèi)的壓力信號進(jìn)行檢測，將該信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可測量的電信號，轉(zhuǎn)換完畢后將該信號輸出，并通過相關(guān)變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號。對檢測壓力儀表進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)遵循兩條原則：①若介質(zhì)存在一定腐蝕性，應(yīng)選擇膜片壓力表；②若使用場地存在一定爆炸風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)選擇防爆型電接點(diǎn)壓力表[8]。

通過對彈性式壓力檢測傳感器進(jìn)行分析可知，該傳感器可應(yīng)用于加熱爐中進(jìn)行壓力的檢測，內(nèi)部彈性元件的變形位移與壓力成正比關(guān)系變化。其主要實(shí)現(xiàn)方式為：利用壓力敏感元件的彈性部件，將壓力轉(zhuǎn)換為位移，以此實(shí)現(xiàn)對爐壓的檢測。

在加熱爐的壓力控制系統(tǒng)中，由于加熱爐對自身壓力具有明確要求：爐膛壓力約為5～20 kPa、煤氣管道壓力約為35～150 kPa、空氣管道壓力約為25～130 kPa。因此，本研究采用壓力變送器與彈簧管壓力充分結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對爐膛壓力的檢測。其中彈簧管可將自由端的位移轉(zhuǎn)換為電信號后，輸出該信號至傳感器進(jìn)行測量，為保證被測壓力可得到有效顯示，可在該系統(tǒng)中應(yīng)用傳動(dòng)裝置[9]。

2.4 執(zhí)行器的選擇

2.4.1 壓力執(zhí)行器

對壓力執(zhí)行器進(jìn)行選擇時(shí)，由于加熱爐極易發(fā)生煤氣爆炸，為最大限度地降低該現(xiàn)象的發(fā)生概率，本研究選用氣動(dòng)執(zhí)行器作為加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的核心壓力執(zhí)行器，該執(zhí)行器主要包括兩種類型：薄膜式以及活塞式，其中薄膜式更適合應(yīng)用于加熱爐的爐溫監(jiān)測。但是該執(zhí)行器存在不能遠(yuǎn)程傳輸?shù)娜毕荩瑸榇嗽谠撓到y(tǒng)中加入電氣轉(zhuǎn)換器，使其與氣動(dòng)執(zhí)行器相互配合，達(dá)到降低事故發(fā)生概率的目的。其實(shí)現(xiàn)流程為：通過氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將電氣執(zhí)行器的氣壓信號轉(zhuǎn)換為推桿直線位移，實(shí)現(xiàn)對被控量的調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)為更加有效的對壓力進(jìn)行控制，選擇具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)不高、適用于大流量氣體控制場合等特點(diǎn)的煙道百葉窗，該百葉窗對加熱爐壓力控制的整體影響較小，可忽略不計(jì)。

2.4.2 溫度執(zhí)行器

本研究對加熱爐爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要選用脈沖燃燒控制技術(shù)作為該系統(tǒng)的核心技術(shù)。因此，選用固態(tài)繼電器作為該系統(tǒng)的溫度執(zhí)行器。該繼電器實(shí)際上是一種沒有可動(dòng)接點(diǎn)的繼電器，主要包括2個(gè)控制端以及2個(gè)輸出端，各部分之間選用光照的方式進(jìn)行隔離。該方式可將輸入控制端輸入的直流電及脈沖信號進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，在信號達(dá)到一定數(shù)值后，輸出端可將斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)換為連通狀態(tài)，具有耐機(jī)械沖擊、干擾性較小以及安裝范圍廣等優(yōu)勢，并且采用導(dǎo)電率超高的報(bào)道提器件作為主要切換裝置，有利于保證加熱爐爐溫控制系統(tǒng)對溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

3 基于PLC的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)程序流程

為保證加熱爐爐溫控制系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，本研究對軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要工作流程為：首先應(yīng)啟動(dòng)加熱爐爐溫控制系統(tǒng)，并按下啟動(dòng)按鈕SB2，若加熱爐的爐溫低于40 ℃，此時(shí)加熱爐中加熱棒處于最大功率狀態(tài)下工作；若加熱爐的爐溫處于40～55 ℃，此時(shí)加熱爐中加熱棒處于正常功率狀態(tài)下輸出；若加熱爐的爐溫處于55～60 ℃，此時(shí)加熱爐中加熱棒的功率降至處于正常功率之下；若加熱爐的爐溫大于60 ℃，此時(shí)加熱棒停止對加熱爐進(jìn)行加熱。在加熱棒停止工作后，應(yīng)按下SB3，停止加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的正常工作，加熱爐爐溫控制系統(tǒng)軟件程序流程如圖3所示[10]。

圖3 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

3.2 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

該系統(tǒng)的監(jiān)控界面主要由主控、設(shè)備、用戶等窗口以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行策略等部分共同組成。為保證該界面的穩(wěn)定運(yùn)行，在界面內(nèi)設(shè)置初始工作狀態(tài)、最小采集周期、串口端口號以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式等屬性值，并在該程序內(nèi)建立人機(jī)界面，有利于用戶通過該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和處理。在監(jiān)控界面內(nèi)主要包括啟動(dòng)、停止以及急停三個(gè)按鈕，在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，操作者可按下急停按鈕，使整個(gè)系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，有利于對控制系統(tǒng)進(jìn)行操控及安全性的保證。并且該監(jiān)控界面上設(shè)有低溫指示燈、正常溫度指示燈、急停指示燈以及高溫報(bào)警指示燈等，通過指示燈的設(shè)置，有利于用戶更加直觀地觀察到系統(tǒng)的工作情況。

4 結(jié) 語

本研究為實(shí)現(xiàn)對加熱爐爐溫的整體控制，提出一種基于PLC控制器的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對加熱爐的爐溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可發(fā)出相應(yīng)的信號對操作者進(jìn)行提示，有利于加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生活中，可為后期維護(hù)、擴(kuò)展功能等提供巨大便利。