熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與實(shí)踐

 1 研究背景
熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要是給高爐燃燒輸送熱風(fēng)。當(dāng)前我國(guó)鋼鐵廠的熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)主要采用編程控制器（PLC）和過程控制器（或集散系統(tǒng)）分別完成對(duì)電氣與儀表的控制。當(dāng)前熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要存在如下主要問題：
1.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的不合理 由于大多數(shù)系統(tǒng)采取可編程控制器和過程控制器（或集散系統(tǒng)）分工協(xié)作共同完成。就造成了如下缺點(diǎn)：為了將各部分整合成相對(duì)統(tǒng)一的系統(tǒng)，就要投入大量的時(shí)間與財(cái)力來對(duì)各種類型的軟件和用戶接口進(jìn)行相應(yīng)的編程，配制，測(cè)試與調(diào)試。這樣的控制系統(tǒng)變得復(fù)雜并增加了后期維護(hù)的難度。
1.2 熱風(fēng)爐燃燒控制方面的問題 傳統(tǒng)的高爐熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)計(jì)算燃燒所需的煤氣流量和助燃空氣流量主要依據(jù)流量設(shè)定數(shù)學(xué)模型，并算出空燃比。熱風(fēng)爐流量數(shù)學(xué)模型是使燃燒時(shí)熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱量能夠滿足熱風(fēng)溫度和流量的要求，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。熱風(fēng)爐是一個(gè)持續(xù)燃燒的動(dòng)態(tài)變化過程，很難及時(shí)獲取其控制作用的相關(guān)信息，通過輸出測(cè)量得到其效果時(shí)，有明顯的控制滯后性。故此，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程的及時(shí)控制，該數(shù)學(xué)模型就會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。另外，燃燒高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣的三眼燃燒器的熱風(fēng)爐來講，因?yàn)楦郀t煤氣與焦?fàn)t煤氣是分別送入，這就需要分別對(duì)高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的流量進(jìn)行單獨(dú)控制，還要對(duì)高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣流量進(jìn)行相應(yīng)的比例控制，這使得系統(tǒng)紛繁復(fù)雜，還要配備煤氣成分分析儀，這種儀器價(jià)格不菲，維護(hù)與保養(yǎng)也需要非常到位。此方面問題亟待解決。
2 熱風(fēng)爐的自動(dòng)化控制的要求與方法
2.1 熱風(fēng)爐工藝流程及工藝控制的要求 將由冷風(fēng)總管送來的冷風(fēng)，經(jīng)熱風(fēng)爐送風(fēng)系統(tǒng)閥門后，送至熱風(fēng)爐加熱后，再送到高爐，是熱風(fēng)爐的主要共走任務(wù)。熱風(fēng)爐的三種工作狀態(tài)是：燃燒、送風(fēng)狀、悶爐工作。上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程叫做換爐過程。而換爐是熱風(fēng)爐操作過程中最基本的工作過程。在換爐時(shí)，要確保整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)向高爐不間斷送風(fēng)，并保證進(jìn)入高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓平穩(wěn)，減少波動(dòng)，另外煤氣安全也是我們需要注意的。
2.2 高爐熱風(fēng)爐儀表控制方面的要求 ①檢測(cè)并控制好助燃空氣總管壓力。②檢測(cè)和控制煤氣總管溫度及壓力。③燃料與燃燒方面的控制。④燃燒時(shí)混風(fēng)溫度方面的控制。
2.3 熱風(fēng)爐燃燒過程中的智能控制 通常熱風(fēng)爐燃燒使用的燃料為焦?fàn)t煤氣，高爐煤氣，這兩種燃料進(jìn)入熱風(fēng)爐的燃燒室后，在燃燒混合器內(nèi)進(jìn)行充分混合，再與助燃空氣通過陶瓷燒嘴進(jìn)行燃燒。通常熱風(fēng)爐的燃燒時(shí)間為110分鐘左右，爐體溫度達(dá)1050度左右，拱頂溫度最高不得超過1350度。通過調(diào)節(jié)煤氣和助燃空氣流量以及兩者之間的比值（空燃比）來實(shí)現(xiàn)對(duì)于熱風(fēng)爐燃燒控制。煤氣流量、空氣流量、空燃比、拱頂溫度和廢氣溫度等幾方面是基礎(chǔ)完善的自動(dòng)化熱風(fēng)爐的最主要幾方面的控制。
2.4 混風(fēng)溫度控制的主要方案
2.4.1 混風(fēng)溫度方面控制的要求 送風(fēng)溫度要保持在1000℃，并且波動(dòng)不能太大，這樣才能保證高爐相對(duì)穩(wěn)定的工作。由于開始送風(fēng)時(shí)的風(fēng)溫要保持較高標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)置手動(dòng)回路是要預(yù)置一個(gè)大的開度，以保證能送入較多的冷風(fēng)。風(fēng)溫達(dá)到可以使用PID調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)換為自動(dòng)的PID調(diào)節(jié)模式。
2.4.3 混風(fēng)溫度控制方面的策略 熱風(fēng)爐混風(fēng)溫度控制的工藝情況（見圖4），單座熱風(fēng)爐階段時(shí)間送風(fēng)后，會(huì)造成熱風(fēng)溫度下降，此時(shí)，第二座熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)換為送風(fēng)，第一座熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)換為燃燒，依次循環(huán)從而保證不間斷送風(fēng)。
2.4.4 混風(fēng)溫度控制要求 依據(jù)控制上的需要，利用SFC很容易實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒和混風(fēng)溫度的各種控制方式，將 PID功能塊與邏輯控制相結(jié)合，可適應(yīng)各種控制回路。
3 高爐熱風(fēng)爐智能控制方面的軟件設(shè)計(jì)
燃燒、風(fēng)溫與換爐電氣部分軟件設(shè)計(jì)，是高爐熱風(fēng)爐智能控制系統(tǒng)的軟件主要包括的三部分。
3.1 高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)化部分的軟件設(shè)計(jì) 用CFC編輯程序包括從庫(kù)中拖放功能塊，給功能塊分配參數(shù)，功能塊的相互連接等，其中，PCS7中提供了大量標(biāo)準(zhǔn)的過程工業(yè)功能塊，如：FUZZY、閥門、電機(jī)等方面的控制等。
與回路控制協(xié)調(diào)工作的順控功能圖的建立可參見電氣換爐程序設(shè)計(jì)部分。
3.2 熱風(fēng)爐電氣控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 將熱風(fēng)爐控制的軟件結(jié)構(gòu)分為如下三層：首層是主干控制層，主要控制的是四座熱風(fēng)爐，此控制能決定四座熱風(fēng)爐的運(yùn)行方式與熱風(fēng)爐之間的送風(fēng)相關(guān)順序等。下面一層是單爐控制層，它根據(jù)主干程序或者工作人員在CRT上發(fā)出的相關(guān)指令，從而改變各個(gè)熱風(fēng)爐的各種工作狀態(tài)。最后一層是單爐閥門控制層，這一層是根據(jù)單爐控制層發(fā)出的相關(guān)指令，完成熱風(fēng)爐各種狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，各個(gè)閥門動(dòng)作的相應(yīng)順序。
4 在鋼鐵廠熱風(fēng)爐中的應(yīng)用
系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試完畢后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行，具體相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見圖1至4。通過實(shí)際工作證明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。
5 小結(jié)
本文提到的智能系統(tǒng)采用西門子公司的控制系統(tǒng)，為我們提供了統(tǒng)一的，開放的技術(shù)平臺(tái)，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要求，本系統(tǒng)利用西門子公司提供的編程軟件進(jìn)行了相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。這種方法很好的提高了熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的可靠性，大幅度地降低了相關(guān)系統(tǒng)維護(hù)的費(fèi)用。本智能控制系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用在某鋼鐵廠球式熱風(fēng)爐上，并處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，為解決熱風(fēng)爐控制問題提供了一種新方法。