CN102607288A - 脉冲式炉窑温度动态控制方法 - Google Patents

Abstract

脉冲式炉窑温度动态控制方法，（1）在计算机中设定一个虚拟值为炉窑温度设定值、设定一个虚拟值为上调温度差值、设定一个虚拟值为下调温度差值；（2）通过热电偶先采样测量一次出炉窑温度，经某时段2～4秒再采样测量一次出炉窑温度，其两点温度进行比较值，得出温度趋势，后采样点温度大于前采样点温度是上升趋势，否则是下降趋势。（3）计算机对实际测量温度与炉窑温度设定值进行比较获得比较值，计算出温度差值；（4）温度差值小于等于上调温度差值且其温度趋势为下降趋势，计算机控制打开燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴；温度差值大于等于下调温度差值且温度趋势为上升趋势，计算机控制关闭燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴。

Description

脉冲式炉窑温度动态控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种炉窑温度动态开关控制方法，主要应用于脉冲式炉窑温度自动控制系统。

背景技术

炉窑温度控制系统是一个大的滞后环节，温度采集一般采用热电偶或热电阻等传感器进行采集，其控制大多是由空气蝶阀、煤气蝶阀、烟道蝶阀或空气关断阀、煤气关断阀等进行温度的控制，在以脉冲方式控制的炉窑温度控制系统中使用的是高速烧嘴，采用切断阀切断或打开燃气、空气的控制方式对燃气、空气进行控制，需温度上升时空气阀、燃气阀打开烧嘴燃烧升温，需温度下降时燃气阀、空气阀关断烧嘴熄灭降温。

炉窑作为一个大的温度受控制容器，其影响温度的因素有很多，如炉压、空气流量、空气预热温度、空气压力、燃气流量、燃气预热温度、燃气压力、排烟情况等，上述因素最主要的还是空气与燃气的控制。空气一般都是进风采用鼓风机，排烟采用烟囱或排烟风机相对稳定性要比燃气好，而燃气由于输送管道或设备上的一些因素压力波动大、热值波动大，这样采用传统的PID控制时常常用变动空燃比或改变增益等措施进行炉温度的控制，由于一些因素难以确定，所以温度精度很难掌握，在实际工作中需热处理或加热钢板中一些工艺常常要求控制精度达±5℃或更高的控制精度，这样就对炉温控制提出很高的要求，太钢不锈热轧厂以前的机械式热处理炉炉温控制很难达对到上述要求。

发明内容：

本发明旨在提供炉温控制精度更高的炉窑温度动态开关控制法。

本发明的技术方案由两部分组成：其一是控制设施和测量设施控制设施包括燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴、测量设施为测量炉窑窑温的热电偶，其二是控制方法。

控制方法包括下述步骤：

（1）、在计算机中设定一个虚拟值为炉窑温度设定值、设定一个虚拟值为上调温度差值、设定一个虚拟值为下调温度差值；

（2）、通过热电偶先采样测量一次炉窑温度，经某时段中2～4秒再采样测量一次炉窑温度，其两点温度进行比较值，得出温度趋势，后一点温度大于前一点温度是上升趋势，否则是下降趋势；

（3）、计算机对实际测量温度与炉窑温度设定值进行比较获得比较值，计算出温度差值；

（4）、温度差值小于等于上调温度差值且其温度趋势为下降趋势，计算机控制打开燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴；温度差值大于等于下调温度差值且温度趋势为上升趋势，计算机控制关闭燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴。 

上述步骤中包括反馈信号、控制信号，其中反馈信号有2个分别为：1、温度趋势信号TR_T；2、温度偏差信号ΔT；  控制信号有3个，分别为：1、温度置位信号S_T；2、温度复位信号R_T； 3、温度偏差调节信号ADJ_T；

所述温度趋势信号，即反馈温度上下变化的趋势。如果实际温度上升就认为是1，反之下降或者温度不变就认为是0。利用定时器进行这方面的工作，例如：在一定时间内取反馈温度信号做前后比较，如采样时为一秒或二秒或更长时间根据工艺情况来定，先把采样温度信号放入一存储区，再经达一段时间以后，再把第二次的采样温度与第一次已放入存储区的温度信号进行比较大小，这样就可判断出温度的上升或下降趋势。

所述温度偏差信号，指的是实际反馈温度与设定温度的差信号。如设定温度为1050℃，实际温度信号为1000℃我们就认为温度偏差信号为-50℃，或实际反馈温度为1070℃时我们就认为温度偏差信号为20℃。

所述控制信号包括温度置位信号、温度复位信号、温度偏差调节信号。下面对各信号进行详细解释：

1、温度置位信号，该信号用于脉冲式烧嘴控制系统中的燃气阀、空气阀打开控制。脉冲式烧嘴控制采用开关控制方法，只有两种控制，或开阀点火或关阀熄火，即打开空气阀、燃气阀烧嘴点火温度上升，或关燃气阀、空气阀烧嘴熄火温度下降。当温度置位号发出时通过驱动装置驱动点火装置，驱动空气阀、燃气阀打开，烧嘴点燃，炉窑温度上升。

2、温度复位信号，当温度复位信号发出时燃气阀关闭、空气阀关闭烧嘴，烧嘴熄灭，炉窑温度下降。

3、温度偏差调节信号，按照一定温度偏差控制范围进行燃气阀、空气开断的控制信号。

在工业燃气炉窑脉冲式温度控制系统中在调好空燃比之后，对空气阀、燃气阀采用开断式的控制方法进行炉温的控制，即当温度需上升时通过控制系统打开点火装置，空气阀打开、燃气阀打开，烧嘴开始点燃，当燃气点燃之后，点火装置动作关闭。当温度需下降时燃气阀切断、空气阀切断，烧嘴开始熄灭。通过控制空气阀、燃气阀开闭的频率或时间控制把温度控制在一定精度范围内。

炉窑温度控制用温度趋势信号、温度差信号、温度偏差下调节信号、温度偏差上调节信号、温度置位信号、温度复位信号这六种信号进行有效控制。

方法如下：在实际温度控制中实际反馈温度的控制最终要与设定温度趋于一致，把其控制在一定精度之内。如设定温度为1000℃,实际温度为1030度，这时的温度差为+30℃，实际温度高于设定温度，需降温。如果实际反馈温度为990℃，那么温度差就是-10℃，这时就需要升温。

温度差信号用ΔT表示，如实际温度大于设定温度30℃，那么温度差为+30℃，如实际温度小于设定温度10℃，那么温度差为-10℃。温度上升趋势信号用TR_T表示，先后采样某一时间段的两点温度，后点采样温度大于先点采样温度，表示温度趋势上升，它是一个开关量，即这时TR_T表示1，反之，温度趋势下降这时TR_1表示0。

温度偏差调节信号ADJ_T又分别用上调温度差值与下调温度差值表示。

上调温度差值信号用ADJ_U_T表示，用以表示在当实际温度<温度上调节量时温度开始上调。

下调温度差值信号用ADJ_D_T表示，用以表示在当实际温度>温度下调节量时温度开始下调。

置位信号我们用S_T表示；复位信号用R_T表示。

温度趋势信号—— TR_T；温度偏差信号—— ΔT；

置位信号——S_T；复位信号——  R_T；上调温度差值信号——ADJ_U_T；下调温度差值信号—— ADJ_D_T； 

R_T = TR_T*（ΔT>= ADJ_D_T）                     式1

解释如下：式1中ADJ_D_T为温度偏差下调节信号，可根据现场实际情况进行调整，ΔT为温度差信号，也就是实际温度与设定温度的差值，TR_T为温度趋势信号，R_T为复位信号。TR_T与（ΔT>= ADJ_D_T）是乘或与的关系，也就是说当温度差ΔT大于等于温度偏差上调节量ADJ_D_T且温度是上升趋势即↑T为1时燃气阀复位，这时关闭燃气阀和空气阀，烧嘴熄灭，炉温开始降温。式1中右边两个条件都必须同时满足，若有一个条件不满足燃气阀继续维持原燃烧状态不动作。如我们可以设ADJ_D_T =-2℃那么当ΔT >=-2℃且TR_T为1时，即温度是上升趋势时，燃气阀复位关闭，开始降温。TR_T为下降趋势或ΔT<=-2℃时其结果为零即R_T为0，燃气阀维持原打开燃烧状态不动作。

S_T= !TR_T*（ΔT<= ADJ_U_T）                    式2

解释如下：式2中ADJ_U_T为温度偏差上调节信号，可根据现场实际情况进行调整，ΔT为温度差信号，也就是实际温度与设定温度的差值，！TR_T为温度趋势信号的非信号即温度趋势信号取反，如当温度趋势信号TR_T为1时!TR_T 为0，TR_T为0时!TR_T为1，S_T为置位信号。!TR_T与（ΔT< ADJ_U_T）是乘或与的关系，也就是说当温度差ΔT小于温度偏差上调节量ADJ_D_T且温度是下降趋势即!TR_T为1或TR_T为0时燃气阀置位，这时打开空气阀、燃气阀，点火装置动作，烧嘴燃烧，炉温开始升温。在式2中右边两个条件下降趋势为1、ΔT<= ADJ_U_T必须同时满足，若有一个条件不满足燃气阀、空气阀继续维持原关闭、烧嘴维护原熄灭状态不动作。如我们可以设ADJ_U_T =2℃那么当ΔT <2℃且!TR_T为0时，即温度是下降趋势时，点火装置动作，空气阀打开，燃气阀打开，点火装置动作，烧嘴燃烧，炉温开始升温。

本发明实施方便快捷、控制参数少、掌握容易、经济实用、炉温控制精度大幅提高。本发明不仅适应普通钢板控制质量的提高，同时可以满足一些对炉温控制求要特别严的特种钢种的工艺要求。    

本发明已运用于太钢不锈热轧厂机械式热处理炉炉温计算机控制系统、投入试运行一年多来控制技术发挥稳定，机械式退火炉温度控制精度达±3℃，计算机控制系统设备运行一直良好，实践证明该方法非常值得在工业计算机自动控制系统中广泛推广。 

    附图说明：    

图1是本发明实施例的控制示意图。

图中，计算机输出控制DO板输出数字开关量Q46.0、Q46.1至Q47.7其按照计算机的指令输出1、或输出0。

图中R为燃气管道；K为空气管道；D0至D15表示开关阀驱动放大器，具备点火功能，驱动开关阀打开或关闭功能，用于驱动燃气的点火、驱动燃气开关阀、空气开关阀的关闭和打开；S1、S3、S5至S15表示燃气开关阀、S2、S4、S6至S16表示空气开关阀；N1、N2至N8表示高速烧嘴。我们看烧嘴N1的动作过程情况，当计算机发出置位指令S时Q46.0、Q46.1输出1指令，Q46.0、Q46.1输出的高电平信号驱动开关阀驱动放大器S1、S2，这时在开关驱动放大器中发出点火指令，然后打开空气开关阀、打开燃气开关阀，烧嘴N1开始燃烧，温度开始上升。反之当计算机发出复位指令R时，Q46.0、Q46.1输出低电平指令，驱动放大器关闭燃气开关阀、空气关阀，燃气熄灭，N1烧嘴熄灭，开始降温。N2至N8烧嘴过程与此相同不再赘述。

具体实施方式

    本发明的非限定实施例如下：

实施例：图1所示，在不锈热轧厂机械脉冲式退火炉炉温控制系统中，炉温控制是采用开关阀进行炉温控制的，也就是事先把空燃比调好，当温度超出一定范围时通过计算机处理按照一定控制方式对燃气阀、空气阀进行打开、关断的操作，属于脉冲控制。

R_T = TR_T*（ΔT>= ADJ_D_T）         式1

S_T= !TR_T*（ΔT<= ADJ_U_T）         式2 

式1，可事先设好温度偏差下调节信号ADJ_D_T，设ADJ_D_T =-3℃,那么当温度上升，即TR_T=1，且温度偏差信号ΔT大于-3℃时，例如温度设定为1000度，实际上温度为998度，温度差ΔT为-2℃大于-3℃，且温度呈上升趋势，这样就进行复位操作即关掉燃气阀、空气阀、烧嘴熄灭，开始降温操作。同理在式2中，在温度呈下降趋势，当温度偏差信号ΔT小于等于温度偏差下调节信号ADJ_D_T时，如我们可设ADJ_D_T =3℃,这样当设定温度为1000度，实际温度降至1003度以下时，温度差ΔT小于3℃，就进行置位操作即打开空气阀、燃气阀，点火动作，烧嘴开始燃烧，开始升温操作，这样就可以开关阀控制下，把炉窑温度控制在很高的精度。

上述过程在不锈热轧厂机械退火炉温度自动控制中采用计算机PLC进行自动控制，用语名表（也可用其它程序形式如逻辑图或方框图）进行编程下载到CPU中，当置位时，计算机通过DO输出口输出一电压信号，该电压信号驱动空气阀、燃气阀、点火装置，当点火装置、空气阀、燃气阀得到电压信号后点火装置动作，空气阀、燃气阀打开，烧嘴开始燃烧。当复位时，计算机输出低电平电压信号，燃气阀、空气阀关闭，烧嘴开始熄灭。

计算机控制部分程序段如下：

程序段1：

      A     T      N

      JC    N002

      L     DB2.DBD  104                //反馈温度

      T     MD   254                    //临时存储温度

N002: AN    T      N

      L     S5T#NS

      SF    T      N

      A(    

      L     DB2.DBD  104

      L     MD   254

      >R    

      )     

      =     M    280.1  

解释：在第1行至第4行程序中，利用定时器TN进行定时采样温度，时间为N秒，可根据现场实际确定，每隔一段时间N秒采样一次温度，DB2.DBD104放置的是实时反馈温度，采完以后温度放置在MD254中，即MD254中放置的是按照一定时间采样的温度信号。从第7行至第10行的程序中DB2.DBD104与MD254进行比较。比较的结果放置在M280.1中。即M 280.1放置的是温度反馈信号与上次采样已放置在MD254中温度的比效结果，当反馈温度大于上次存储温度时M280.1为1，说明温度是在上升趋势，当反馈温度小于或等于上次存储温度时M280.1为0，说明温度是在下降趋势或不变趋势，M280.1相当于式1或式2中的TR_T。

程序段2：

L MD100

L DB2.DBD100

-R

T MD92

解释：程序中，MD100放置的是设定温度，DB2.DBD100放置的是反馈温度，MD92放置的为两者的差，即实际温度与设定温度的误差，相当于式1或2中的ΔT。

程序段3：

 AN   M    280.1

      A(    

      L     MD    92

      L     2.0

      <=R   

      )     

      S     Q     46.1

      S     Q     46.0

解释：程序中第一行AN  M280.1表示温度趋势!TR_T为下降趋势。第2行至第6行MD92为温度误差ΔT（在程序段2中已说明），表示温度误差小于等于2度的比较。Q46.1、Q46.0分别表示两台（当然也可以多台这里与现场实际工况有关 ）控制燃气的燃气开关阀、空气开关阀，在7、8行中S表示置1即打开点火装置、空气开关阀、燃气开关阀，开始升温，也就是说当温度下降时，实际温度低于设定ADJ_U_T =2度时，这时打开点火装置、空气开关阀、燃气开关阀烧嘴开始燃烧，开始升温操作。这一段控制程序相当于式2。

 

程序段4：

      A     M    280.1

      A(    

      L     MD    92

      L    -2.0

      >=R   

      )     

      R     Q     46.1

      R     Q     46.0

解释：程序中第1行 A  M280.1表示温度趋势TR_T为上升趋势，第2行至第6行中，MD92为温度误差ΔT，表示温度误差大于等于-2度的比较，Q46.1、Q46.0分别表示两台（当然也可以多台这里与现场实际工况有关 ）控制燃气的燃气开关阀、空气开关阀，在第7、8行中，R 表示复位0即关闭燃气开关阀、空气开关阀，开始降温操作。当温度上升时，M280.1=1，实际温度高于等于设定ADJ_D_T =-2度时，这时关闭燃气开关阀、空气开关阀、烧嘴熄灭，开始降温操作。这一段控制程序相当于式1。

Claims (2)

1.脉冲式炉窑温度动态控制方法，包括燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴、测量炉窑窑温的热电偶，其特征包括下述步骤：

（1）、在计算机中设定一个虚拟值为炉窑温度设定值、设定一个虚拟值为上调温度差值、设定一个虚拟值为下调温度差值；

（2）、通过热电偶先采样测量一次炉窑温度，经某时段2～4秒再采样测量一次炉窑温度，其两点温度进行比较，得出温度趋势，后采样点温度大于前采样点温度是上升趋势，否则是下降趋势；

（3）、计算机对实际测量温度与炉窑温度设定值进行比较获得比较值，计算出温度差值；

（4）、温度差值小于等于上调温度差值且温度趋势为下降趋势，计算机控制打开燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴；温度差值大于等于下调温度差值且温度趋势为上升趋势，计算机控制关闭燃气阀、空气阀、带有点火器的烧嘴。

2.根据权利要求1所述的脉冲式炉窑温度动态控制方法，其特征是所述的步骤（4）计算机控制程序段为：

程序段1：

      A     T      N

      JC    N002

      L     DB2.DBD  104                //反馈温度

      T     MD   254                    //临时存储温度

N002: AN    T      N

      L     S5T#NS

      SF    T      N

      A(    

      L     DB2.DBD  104

      L     MD   254

      >R    

      )     

      =     M    280.1  

在第1行至第4行程序中，利用定时器TN进行定时采样温度，时间为N秒，每隔一段时间N秒采样一次温度，DB2.DBD104放置的是实时反馈温度，采完以后温度放置在MD254中，即MD254中放置的是按照一定时间采样的温度信号；从第7行至第10行的程序中DB2.DBD104与MD254进行比较；比较的结果放置在M280.1中；即M 280.1放置的是温度反馈信号与上次采样已放置在MD254中温度的比效结果，当反馈温度大于上次存储温度时M280.1为1，说明温度是在上升趋势，当反馈温度小于或等于上次存储温度时M280.1为0，说明温度是在下降趋势或不变趋势；

程序段2：

L MD100

L DB2.DBD100

-R

T MD92

程序中，MD100放置的是设定温度，DB2.DBD100放置的是反馈温度，MD92放置的为两者的差，即实际温度与设定温度的误差；

程序段3：

 AN   M    280.1

      A(    

      L     MD    92

      L     2.0

      <=R   

      )     

      S     Q     46.1

      S     Q     46.0

程序中第一行AN  M280.1表示温度趋势!TR_T，为温度下降趋势；第2行至第6行MD92为温度误差ΔT，表示温度误差小于等于2℃的比较；Q46.1、Q46.0分别表示两台控制燃气的燃气开关阀、空气开关阀，在7、8行中S表示置1即打开点火装置、空气开关阀、燃气开关阀，开始升温，也就是说当温度下降趋势，M280.1=0，实际温度低于设定ADJ_U_T =2℃时，这时打开点火装置、空气开关阀、燃气开关阀烧嘴开始燃烧，开始升温操作；

程序段4：

      A     M    280.1

      A(    

      L     MD    92

      L    -2.0

      >=R   

      )     

      R     Q     46.1

      R     Q     46.0

程序中第1行 A  M280.1表示温度趋势TR_T为温度上升趋势，第2行至第6行中，MD92为温度误差ΔT，表示温度误差大于等于-2℃的比较，Q46.1、Q46.0分别表示两台控制燃气的燃气开关阀、空气开关阀，在第7、8行中，R 表示复位0即关闭燃气开关阀、空气开关阀，开始降温操作；当温度上升趋势，M280.1=1，实际温度高于等于设定ADJ_D_T =-2℃时，这时关闭燃气开关阀、空气开关阀、烧嘴熄灭，开始降温操作。

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