【基于PLC的步进式钢管淬火炉燃烧控制系统的设计和应用】 步进控制系统

　　摘 要：淬火炉燃烧控制一般采用基于PID的串级并行控制方法。该方法对实际的空气过剩率并没有有力的控制能力。鞍山钢铁公司无缝钢管厂管加工二车间步进式钢管淬火炉控制系统解决了这个问题，将炉温稳定控制在�？度，为同类淬火炉燃烧控制技术的设计和应用提供了借鉴。
　　关键词：淬火炉 燃烧控制系统 PLC 双交叉限幅控制
　　一、引言
　　鞍山钢铁公司无缝钢管厂管加工二车间生产规模为年产直径为�%O60.32～194.46mm，壁厚为5.0～16.0 mm，长度≤12.5m的热处理无缝钢管10万吨，主要生产API 5CT、 API 5L 、A106、A53、GB5310等标准规定的油套管、管线管、高压锅炉管等所有产品。主要燃料为高、转、焦混合煤气，热处理方式为正火、淬火+回火、正火+回火。
　　淬火炉做为热处理生产线的关键设备，完成对钢管的正火、淬火的处理。淬火炉生产工艺是利用烧嘴将煤气与空气合理配比，喷入炉内燃烧，对炉内钢管加热至要求的温度和时间后，将钢管出炉送至淬火机（水站）。炉内温度是淬火炉最重要的工艺参数，因此燃烧控制系统的好坏直接影响钢管的产品质量。
　　二、燃烧控制工艺过程
　　淬火炉配有大调节比的煤气烧嘴，沿炉长方向分为预热段、加热段和均热段，由于钢管长度范围较大，在炉宽方向上加热段和均热段又分为左、中、右三个区进行燃烧和温度控制，保证炉宽和钢管长度上的温度均匀。整个炉子共分为6个供热和温度控制区，每个区设4-5个烧嘴，总计30个烧嘴，炉膛最高温度为1020℃。淬火炉加热时间平均约为30分钟，其中保温时间约为10分钟。
　　三、系统组成
　　步进式钢管淬火炉燃烧控制系统主要由现场装置与PLC控制系统组成，现场装置包括热电偶、内陀螺式流量计、气动端面密封蝶阀、气动快速切断阀、火焰监测器等，主要负责燃烧控制运行过程中工艺参数的采集，并根据PLC的控制信号对过程设备进行自动操作。PLC系统负责通过空气、煤气流量的实时调节，实现对炉温的自动控制。硬件占用单独机柜，柜内有机架2个，采用西门子S7-300系列，软件采用WinCC及Step7，人机接口HMI采用研华610H系列工控机。
　　四、燃烧控制系统控制功能分析
　　热处理炉控制系统中最关键的部分是炉温及燃烧控制。它对于温度控制的准确，钢管加热温度的均匀，合理地进行燃烧，防止冒黑烟，节约燃料，减少有害气体对环境的污染，都具有重要意义。
　　（一）温度信号的选择
　　淬火炉在每个温度分区均设置两根热电偶，同时工作，数据同时出送至PLC系统，PLC中对两个温度数据同时运算。上位机WinCC运行画面中可选择以温度平均值或任意一个温度值为温度过程信号。一旦一只热电偶损坏，另外热电偶在PLC系统中可无扰切换为运行数据热电偶。
　　（二）双交叉限幅燃烧控制
　　双交叉限幅燃烧控制是采用煤气流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约防止负荷变化很快时出现煤气或空气的过渡过剩。
　　所谓双交叉就是煤气折算流量Ig和空气折算流量Ia通过一些环节，各自送入对方的主调节系统。煤气流量Ig直接送入第二重比例积分（PI1）调节运算单元中去，作为煤气流量的被调参数；此Ig还通过增量单元+K4或-K2，与空气量调节的第三重比例积分（PI2）运算单元联系起来，这就叫煤气流量与空气调节回路的交叉。空气流量与煤气调节回路的交叉同理。所谓限幅就是通过增量单元，使阀门开度每一次的变化量限制在某一值范围内，目的是使炉温较平缓的变化。所谓高值选择与低值选择就是进入高值选择单元的两参数，只允许大的参数值通过，小参数值不能通过。进入低值选择单元的两参数同理。
　　五、控制结果
　　图1是淬火炉均热段一区在一个工作班次即8小时内的温度控制结果曲线图，由上位监控软件WinCC记录。图中红蓝两条曲线为该温区热电偶TE-101、TE-102实时值，黑色为炉温设定值，绿色为两只热电偶的平均值。由图中更可以看到，在稳定生产阶段，温度的平均值与设定值间的温差仅为�？度，控制效果非常理想。
　　图1 炉温控制结果曲线图
　　六、结束语
　　鞍山钢铁公司无缝钢管厂管加工二车间淬火炉自投产运行以来，温度控制的各项指标均到达了国内先进水平，在PID炉温控制的基础上增加了双交叉限幅控制是该燃烧控制系统的主要特点，展示出稳定优秀的控制性能，为生产的顺利进行提供了保证，也为国内热处理炉的提供了借鉴与示范作用。
　　（作者单位：中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院自动化所）
　　参考文献：
　　[1]袁善华. 高线步进梁加热炉控制系统设计与应用[D]. 南昌：南昌大学硕士论文，2009：12-28.
　　[2]左为恒，李昌春，邓力. 型钢燃气加热炉燃烧机理及控制方式研究[J]. 自动化技术与应用，2008（1）：21-23.

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