熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冉憲宇

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

隨著我國科技的不斷進(jìn)步，我國鋼鐵行業(yè)普遍采用蓄熱式熱風(fēng)爐作為核心設(shè)備。蓄熱式熱風(fēng)爐在實(shí)際應(yīng)用過程中易出現(xiàn)煤氣壓力和熱值的變化，為使蓄熱式熱風(fēng)爐可達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，需要對(duì)蓄熱式熱風(fēng)爐的空氣和煤氣的供給量進(jìn)行調(diào)整。該操作可直接增大熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的控制難度，同時(shí)熱風(fēng)爐的風(fēng)溫可受較大影響。為此，本研究設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，對(duì)高爐煉鐵生產(chǎn)具有重大意義。

1 熱風(fēng)爐工作原理與工藝流程

1.1 單個(gè)熱風(fēng)爐工作原理

熱風(fēng)爐在實(shí)際工作過程中將蓄熱作為工作原理，并采用周期循環(huán)的形式完成自身工作，熱風(fēng)爐的工作過程可分為兩個(gè)階段：燃燒階段和送風(fēng)階段。其中，燃燒階段的主要目的是對(duì)格子磚進(jìn)行加熱，使其可達(dá)到一定溫度，熱風(fēng)爐格子磚的主要作用是儲(chǔ)備熱量。當(dāng)熱風(fēng)爐處于燃燒階段時(shí)，該熱風(fēng)爐的工作過程為：利用燃燒器將煤氣和空氣按照一定比例輸送至熱風(fēng)爐內(nèi)部，煤氣在熱風(fēng)爐的燃燒室內(nèi)經(jīng)過燃燒可產(chǎn)生一定廢氣，該廢氣最終從煙道口排出熱風(fēng)爐外側(cè)。熱風(fēng)爐在燃燒過程中冷風(fēng)入口與熱風(fēng)出口均處于關(guān)閉狀態(tài)，直至熱風(fēng)爐加熱完畢后，即可將熱風(fēng)爐的燃燒階段轉(zhuǎn)換為送風(fēng)階段。送風(fēng)階段可利用鼓風(fēng)機(jī)向高爐內(nèi)輸送冷風(fēng)，此時(shí)熱風(fēng)爐的燃燒器與煙道出口均處于關(guān)閉狀態(tài)，冷風(fēng)入口與熱風(fēng)出口均處于打開狀態(tài)。冷風(fēng)與熱風(fēng)爐格子磚經(jīng)過熱交換過程，可使格子磚的溫度不斷降低，最終轉(zhuǎn)換至燃燒階段[1]。

1.2 熱風(fēng)爐組工作流程

使用高爐進(jìn)行煉鐵時(shí)，需要為高爐提供持續(xù)的高溫?zé)犸L(fēng)。通常情況下，高爐在煉鐵過程中，應(yīng)在高爐周圍配備3～4座熱風(fēng)爐，通過熱風(fēng)爐對(duì)高爐進(jìn)行加熱送風(fēng)操作。熱風(fēng)爐的加熱送風(fēng)方式為循環(huán)交替，該方式可稱作送風(fēng)制度。加熱爐的送風(fēng)制度包含三種：兩燒一送制、半并聯(lián)送風(fēng)以及交叉并聯(lián)送風(fēng)，其中兩燒一送制和半并聯(lián)送風(fēng)均可用于3座熱風(fēng)爐的運(yùn)行，交叉并聯(lián)送風(fēng)主要用于4座熱風(fēng)爐的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2 基于iFIX組態(tài)軟件的熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

將熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)劃分為iFIX控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)，選用力控組態(tài)軟件作為熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用C#語言作為熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制軟件，通過C#語言對(duì)鍋爐的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)算法進(jìn)行編寫。將監(jiān)控組態(tài)軟件與優(yōu)化控制軟件結(jié)合在一起，有利于提高熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。為建立良好的通信連接，利用OPC通信技術(shù)建立iFIX控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)之間的通信。為保證熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)內(nèi)部組態(tài)軟件處于正常的通信狀態(tài)，可采用第三方OLE控件建立組態(tài)軟件之間的連接[3]。

本研究對(duì)熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用西門子S7-400系列PLC作為熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，同時(shí)可將上位機(jī)作為iFIX控制系統(tǒng)的工作站。為熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)PLC控制器單獨(dú)配置工業(yè)以太網(wǎng)接口，可有效提高PLC控制器的擴(kuò)展性。利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)建立PLC控制器與上位機(jī)之間的連接，以此構(gòu)成iFIX控制系統(tǒng)。對(duì)優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，可通過交換機(jī)將優(yōu)化控制系統(tǒng)連接至iFIX控制系統(tǒng)。將iFIX控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)優(yōu)化控制系統(tǒng)，向iFIX控制系統(tǒng)中添加優(yōu)化控制程序，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)代替iFIX控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 基于iFIX組態(tài)軟件的熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 上位iFIX組態(tài)軟件

iFIX組態(tài)軟件實(shí)際是一種大型的應(yīng)用軟件，該軟件內(nèi)部集成了控制、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)，將iFIX組態(tài)軟件應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。iFIX組態(tài)軟件還包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警等組件，熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)在iFIX組態(tài)軟件的支持下，可為用戶提供友好的界面，用戶在該界面中可根據(jù)自己的實(shí)際需求，選擇合適的應(yīng)用軟件，并且不需要編寫任何代碼。iFIX組態(tài)軟件屬于一種自動(dòng)化控制軟件平臺(tái)，該軟件具有較強(qiáng)的可靠性，其內(nèi)部包含服務(wù)器與客戶端，為使iFIX組態(tài)軟件可靈活地應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)中，可利用服務(wù)器或者iFIX節(jié)點(diǎn)與Client之間建立聯(lián)系。iFIX組態(tài)軟件包含畫面開發(fā)、擴(kuò)展iFIX以及數(shù)據(jù)采集等功能，可滿足熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的需求[4]。

3.2 西門子S7-400PLC

本研究采用西門子S7-400PLC作為熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的下位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制。西門子S7-400PLC具有處理速度快、通信能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可與SIMATIC結(jié)合在一起，對(duì)熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行配置與編程操作。西門子S7-400PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)為模塊式結(jié)構(gòu)，由中央機(jī)架、電源模塊以及CPU模塊共同組成，將其應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，可滿足系統(tǒng)對(duì)控制的需求。

為保證熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，采用S7414-2DP作為該系統(tǒng)的CPU，通過工業(yè)以太網(wǎng)建立PLC與操作站之間的通信連接，并向通訊功能中引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域[5]。

3.3 iFIX控制系統(tǒng)

iFIX控制系統(tǒng)可對(duì)多種類型的界面進(jìn)行開發(fā)，該系統(tǒng)內(nèi)部包含的界面類型為：流量控制界面、換爐界面等操作界面。為采用人工的方式控制熱風(fēng)爐，工作人員可利用iFIX控制系統(tǒng)對(duì)熱風(fēng)爐產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。流量控制界面在iFIX控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)熱風(fēng)爐的流量變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，當(dāng)熱風(fēng)爐完成換爐操作時(shí)，可在換爐界面為工作人員提供相應(yīng)的步驟，工作人員根據(jù)該步驟對(duì)熱風(fēng)爐的各個(gè)閥門進(jìn)行開啟與關(guān)閉，最終實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的換爐操作。若工作人員需要對(duì)熱風(fēng)爐的流量重新進(jìn)行控制時(shí)，可通過流量調(diào)節(jié)界面進(jìn)行流量的精準(zhǔn)調(diào)控。流量調(diào)節(jié)界面包含多個(gè)流量閥，并且該界面下方可實(shí)時(shí)顯示熱風(fēng)爐的燃燒情況，為保證熱風(fēng)爐的安全性，操作人員可將當(dāng)前熱風(fēng)爐的燃燒狀態(tài)作為主要依據(jù)，對(duì)熱風(fēng)爐內(nèi)部煤氣的壓力以及流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制[6]。

4 基于iFIX組態(tài)軟件的熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)通信接口設(shè)計(jì)

4.1 OPC通信技術(shù)

本研究主要采用OPC通信技術(shù)對(duì)熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的通信接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)劃分為OPC服務(wù)器和OPC客戶端。OPC通信技術(shù)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源信息的提取，在熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)中增加OPC標(biāo)準(zhǔn)接口，通過該接口建立OPC服務(wù)器與控制系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。OPC客戶端實(shí)際上是將用戶的需求作為主要依據(jù)，以此設(shè)計(jì)出更高標(biāo)準(zhǔn)的程序，客戶可通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口完成服務(wù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問，結(jié)合原有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)的處理。為建立熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的連接，需要OPC服務(wù)器符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)OPC規(guī)范可在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與客戶之間的通信連接。OPC的標(biāo)準(zhǔn)開放性如圖2所示[7]。

圖2 OPC的標(biāo)準(zhǔn)開放性示意圖

將OPC通信技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的開放性與互操作性，同時(shí)可最大限度地降低成本消耗。為提升熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的功能，需要在系統(tǒng)中編寫一個(gè)OPC服務(wù)器軟件，該軟件可與系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備建立連接。

4.2 DBCOM接口

DBCOM實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的OLE控件，本研究為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)部信息的實(shí)時(shí)訪問，在數(shù)據(jù)庫中接入DBCOM接口。在安裝力控過程中，應(yīng)完成DBCOM的注冊(cè)。DBCOM在使用戶過程中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的自由通信，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。DBCOM具有編程簡便、靈活性高等優(yōu)勢，將DBCOM應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)自身需求定義數(shù)據(jù)波動(dòng)的解決辦法。同時(shí)DBCOM可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，也可對(duì)熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫[8]。

4.3 心跳信號(hào)

本研究為檢測系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的連接情況，對(duì)心跳信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。心跳信號(hào)的設(shè)計(jì)方法為：①將OPC心跳數(shù)據(jù)模塊嵌入至iFIX系統(tǒng)中，該模塊在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)傳輸心跳數(shù)據(jù)；②利用力控組態(tài)完成數(shù)據(jù)的檢測，若檢測的數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯波動(dòng)現(xiàn)象，即可判斷系統(tǒng)通信連接處于故障狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)將熱風(fēng)爐的控制權(quán)轉(zhuǎn)移至iFIX系統(tǒng)中，并采用報(bào)警模式；③在力控組態(tài)的控制端完成兩個(gè)變量的定義，其中一個(gè)變量主要負(fù)責(zé)接收OPC服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)信息，該心跳數(shù)據(jù)可記作A1，另一個(gè)變量可記作A2，該變量主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用于力控判斷的心跳數(shù)據(jù)。對(duì)力控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行判斷時(shí)，若A1與A2的數(shù)值不一致，可將A1賦值給A2；若判斷A1與A2的值處于狀態(tài)時(shí)，即可判斷系統(tǒng)的通信連接為斷開，該現(xiàn)象表明信條數(shù)據(jù)未通過OPC完成傳輸，應(yīng)立即采取報(bào)警模式，并采用iFIX系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。對(duì)C#優(yōu)化控制程序的心跳數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷時(shí)，為保證熱風(fēng)爐的穩(wěn)定性，需要保持通信的通暢。

5 基于iFIX組態(tài)軟件的熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)算法優(yōu)化分析

本研究為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集。將采集的數(shù)據(jù)作為主要依據(jù)，最終確定熱風(fēng)爐的燃燒階段時(shí)間為90～120 min，拱頂溫度≤1 300°。對(duì)熱風(fēng)爐的燜爐時(shí)間進(jìn)行確定時(shí)，需要結(jié)合熱風(fēng)爐工作現(xiàn)場的實(shí)際情況。熱風(fēng)爐系統(tǒng)的送風(fēng)溫度可隨著時(shí)間的延長而出現(xiàn)下降情況，通常情況下，熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度為1 150～1 250 ℃，熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)間可穩(wěn)定在95～120 min。熱風(fēng)爐的燃燒過程可劃分為快速燃燒期和拱頂溫度管理期，為精準(zhǔn)控制熱風(fēng)爐的燃燒情況，在熱風(fēng)爐處于快速燃燒期時(shí)，采用動(dòng)態(tài)平PID控制方式。當(dāng)熱風(fēng)爐處于拱頂溫度管理期時(shí)，可采用自尋優(yōu)的控制方式實(shí)熱風(fēng)爐溫度的控制。熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)控制方案如圖3所示[9]。

圖3 熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)控制方案

當(dāng)熱風(fēng)爐處于快速燃燒狀態(tài)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐煤氣量處置的設(shè)定，可將熱風(fēng)爐送風(fēng)過程的熱水準(zhǔn)作為處置設(shè)定的主要依據(jù)。利用動(dòng)態(tài)PID計(jì)算出快速燃燒期熱風(fēng)爐的最佳空燃比，有利于提高熱風(fēng)爐對(duì)煤氣的利用效率。當(dāng)熱風(fēng)爐處于拱頂溫度管理期，為最大限度地提高熱風(fēng)爐的熱效率，需要保證熱風(fēng)爐燃燒期結(jié)束后，熱風(fēng)爐的廢氣溫度剛好達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)空氣量的精準(zhǔn)調(diào)控，需要對(duì)煤氣的量進(jìn)行維持，采用自尋優(yōu)的方式確定最佳空燃比，并保證熱風(fēng)爐的拱頂溫度與設(shè)定值較為一致，此時(shí)熱風(fēng)爐的廢氣溫度處于緩慢提升狀態(tài)。

6 結(jié) 語

本研究為實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)出熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，并將其劃分為iFIX控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)。為提高熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，將監(jiān)控組態(tài)軟件與優(yōu)化控制軟件結(jié)合在一起，利用OPC通信技術(shù)建立iFIX控制系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)之間的通信，有利于建立二者良好的通信連接。分別采用兩種控制方式對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高系統(tǒng)的控制精度。