CN102721288B

CN102721288B - 一种加热炉高效智能化控制方法

Info

Publication number: CN102721288B
Application number: CN201210230272.1A
Authority: CN
Inventors: 于立新; 孟志强
Original assignee: HEBEI XINYE ENGINEERING TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: HEBEI XINYE ENGINEERING TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CN102721288A

Abstract

本发明涉及轧钢工业中应用的热处理设备加热炉的技术领域，具体涉及一种加热炉高效智能化控制的方法。其采用能够进行现场控制的PLC系统及能和PLC系统进行通讯连接的计算机上位操作系统组成智能控制系统，并通过该智能控制系统对加热炉对加热炉进行高效科学的智能化控制，其特征在于，所述通过该智能控制系统对加热炉进行下面六个方面的控制和设置：1、在炉温控制上、2、在炉内压力控制上、3、在空燃比控制上、4、对安全保护系统的控制、5、在智能控制系统上采用HMI界面、6、历史数据记录。本发明能够时实针对各段加热温度，对炉温、炉压进行合理调控，提高了加热的利用率，同时在节能降耗方面也突显成效，提高生产效率，降低生产成本，延长炉龄。

Description

一种加热炉高效智能化控制方法

技术领域

本发明涉及轧钢工业中应用的热处理设备加热炉的技术领域，具体涉及一种加热炉高效智能化控制的方法。

背景技术

加热炉是轧钢工业必须配备的热处理设备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。

加热炉生产工艺包括预热、加热、均热、炉压/废气温度控制、排烟温度控制，共五大环节。

现有的步进式加热炉，利用仪表盘操作实现加热炉功能，其缺点是排烟温度控制不均，炉段温度的空燃比调节不能及时、合理匹配，抑制了加热炉加热能力的提高。随着带钢生产节奏的不断加快，加热炉越来越不能适应带钢生产。传统的加热炉控制，一般是通过仪表盘、继电器搭建实现调控，或通过PLC中简单的PID调节块来完成工作，这种控制方式已落后，其控制的方面和过程十分不完善，已经不能满足现代化的要求。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种加热炉高效智能化控制的方法，其能够时实针对各段加热温度，对炉温、炉压进行合理调控，提高了加热的利用率，同时在节能降耗方面也突显成效，提高生产效率，降低生产成本；能够使炉温、炉压比较稳定，从而降低加热炉能耗及钢坯的氧化烧损，延长炉龄。

本发明的技术方案为：本发明一种加热炉高效智能化控制的方法为：其采用能够进行现场控制的PLC系统及能和PLC系统进行通讯连接的计算机上位操作系统组成智能控制系统，并通过该智能控制系统对加热炉对加热炉进行高效科学的智能化控制，

其特征在于，所述通过该智能控制系统对加热炉进行下面六个方面的控制和设置：

1、在炉温控制上：利用智能控制系统，时实采集温度量，根据系统叠加法确定当前温度，然后与设定温度比较，来控制煤气调节量，每次调节0.1%—1%，每次调节间隔时间0.5—2S；当温度在设定温度+/-20℃时不进行调节；

2、在炉内压力控制上：为合理控制炉内压力的干扰，采用远程控制煤气废气总管、空气废气总管调节阀门，保证了炉膛压力的稳定；其控制过程是：在智能控制系统的上位计算机上设定炉压控制值，通过智能控制系统控制煤气废气、空气废气调节阀的开度来自动跳跃设定值，保证炉压处于设定值范围内。

3、在空燃比控制上：（空燃比控制的目的是将各段空气/煤气流量比控制在设定空燃比范围内使烧嘴充分完全燃烧，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加。空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，使煤气外流，浪费了燃料并污染环境。）为保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性，采用双叉式限幅控制方式，即以炉内温度为主环，空煤气为副环的炉温控制回路；这样可以在炉温低时，先增加空气量后增加煤气量；在炉温过高时，先减煤气量后再减空气量，实现空气、煤气交叉控制，使加热炉工作在最佳状态、热利用率和节能效果达到最佳、保持炉温稳定。

4、对安全保护系统的控制：当煤气总管低于2.5kPa、空气总管压力低于3kPa及鼓风机、引风机断电时，通过安全保护系统自动切断煤气总管快速切断阀；同时采用应急供电设备，以保证在动力电源失电的情况下，使安全保护系统动作，达到安全运行的目的。

5、在智能控制系统上采用HMI界面，所述HMI的主要画面应该包括 ①流程监控图：可以方便、直观的系统监视加热炉各段的炉温、炉压、风量、煤气及空气压力等热工参数，以及动态显示调节阀的开关度； ②历史温度曲线图：可以绘制出生产过程中各点温度历史曲线，可使操作从人员直观的了解温度趋势，以便做出及时的调整； ③报警图：对炉温、废气超温、炉压过高、煤气及空气总管压力过低等进行声光报警，同时提示故障点和建议处理方法。

6、历史数据记录：智能控制系统的能够把各种需要保存的工艺参数定时存入数据库进行历史数据记录，方便实现快速检索和查询；并能打印用户不同要求的报表。

本发明方法的有益效果为：

1、炉温控制；我们采用高效智能化控制系统。因加热炉炉温控制是一个大惯性系统，传统的PID参数调节不能满足生产需要，之后发展为智能模糊控制及建立多参量的数学模型，但控制效果不太理想，炉温不能稳定有效的控制。本文介绍一种高效智能化控制系统，使得炉温比较稳定，从而降低加热炉能耗及钢坯的氧化烧损，延长了炉龄。其控制原理为时实采集温度量，根据系统叠加法确定当前温度，然后与设定温度比较，来控制煤气调节量，每次调节0.1%—1%，每次调节间隔时间0.5—2S。当温度在设定温度+/-20℃时不进行调节，这点是比较关键的，也是与PID调节本质的区别，我们经过现场检验效果非常好。

2、炉内压力控制；为合理控制炉内压力的干扰，采用远程控制煤气废气总管、空气废气总管调节阀门，保证了炉膛压力的稳定。具体控制过程是：在计算机上设定炉压控制值，计算机通过控制煤气废气、空气废气调节阀的开度来自动跳跃设定值，保证炉压处于设定值范围内。

3、空燃比控制；空燃比控制的目的是将各段空气/煤气流量比控制在设定空燃比范围内使烧嘴充分完全燃烧，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加。空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，使煤气外流，浪费了燃料并污染环境。为保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。现采用双叉式限幅控制方式，即以炉内温度为主环，空煤气为副环的炉温控制回路。这样可以在炉温低时，先增加空气量后增加煤气量。炉温过高时，先减煤气量后再减空气量，实现空气、煤气交叉控制，使加热炉工作在最佳状态、热利用率和节能效果达到最佳、保持炉温稳定。

4、安全保护系统；当煤气总管低于2.5kPa、空气总管压力低于3kPa及鼓风机、引风机断电时，控制系统会自动切断煤气总管快速切断阀。供电系统采用山特的UPS供电，以保证在动力电源失电的情况下，使系统的安全保护系统动作，达到安全运行的目的。

5、HMI界面的功能；⑴流行的WINCC界面，方便的人机对话方式。操作人员可通过键盘和鼠标进行各种操作，设定各种工艺参数。若操作和控制出现问题，HMI将直接提示错误。 ⑵HMI的主要画面 ①流程监控图：可以方便、直观的系统监视加热炉各段的炉温、炉压、风量、煤气及空气压力等热工参数，以及动态显示调节阀的开关度。 ②历史温度曲线图：可以绘制出生产过程中各点温度历史曲线，可使操作从人员直观的了解温度趋势，以便做出及时的调整。 ③报警图：对炉温、废气超温、炉压过高、煤气及空气总管压力过低等进行声光报警，同时提示故障点和建议处理方法。

6、历史数据记录；此控制系统的工控机可以把各种需要保存的工艺参数定时存入数据库。各种历史数据、曲线可以通过查询菜单方便快捷的检索、查询。还可以打印用户不同要求的报表。

自动控制系统运行稳定，排烟温度控制在180℃以下，炉内钢坯受热均匀，其采用的燃烧控制对提高钢坯产量和质量、延长加热炉寿命、降低氧化烧损、节能降耗起到了十分重要的积极作用。

附图说明

图1为本发明实施例中所述智能控制系统中上位操作计算机的主要画面的屏幕截图。

具体实施方式

以下通过某公司加热炉实例来具体说明本发明方法：

本发明方法在实施时智能控制系统由西门子S7-300现场控制系统及计算机上位操作系统组成。计算机为研华工控机，配置为P4 2.0G，256M，并且带有工业以太网处理器CP5611。计算机借助于CP5611，与PLC进行通讯。现场控制系统由CPU及输入、输出模件组成，完成现场热工参数数据的采集、设备状态采集及对重要热工参数调节控制输出。计算机上位操作系统完成程序编制及对设备状态在线监控、实时控制、及对工艺参数在线调节，随时保证生产在经济、安全、合理的状态下进行。

该智能控制系统对加热炉进行下面六个方面的控制和设置：

1、在炉温控制上：利用智能控制系统，时实采集温度量，根据系统叠加法确定当前温度，然后与设定温度比较，来控制煤气调节量，每次调节0.1%—1%，每次调节间隔时间0.5～2S；当温度在设定温度+/-20℃时不进行调节；

2、在炉内压力控制上：为合理控制炉内压力的干扰，采用远程控制煤气废气总管、空气废气总管调节阀门，保证了炉膛压力的稳定；其控制过程是：在智能控制系统的上位计算机上设定炉压控制值(100Pa)，通过智能控制系统控制煤气废气、空气废气调节阀的开度来自动跳跃设定值，保证炉压处于设定值范围内。

3、在空燃比控制上：为保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性，采用双叉式限幅控制方式，即以炉内温度为主环，空煤气为副环的炉温控制回路；这样可以在炉温低时，先增加空气量后增加煤气量；在炉温过高时，先减煤气量后再减空气量，实现空气、煤气交叉控制，使加热炉工作在最佳状态、热利用率和节能效果达到最佳、保持炉温稳定。

本发明实施例其智能控制系统中上位操作计算机的WINCC界面的整个操作画面由加热炉主画面、仪表参数画面、报警画面、历史数据趋势画面、打印报表画面组成。加热炉主画面：附图1 是智能控制系统中上位操作计算机的主要画面的屏幕截图。在自动控制中，wincc主要是人机接口，通过设计的画面来实现调节、控制功能，同时实时的将一些数据反映在画面上，供操作人员参考，并记录下有关数据，在发生事故或报警时可以及时的查找到原因。

在软件操作时，各画面均有画面切换按钮，可轻松方便地完成画面间的切换。通常情况下操作在加热炉主画面下进行，本发明智能控制系统需监视的工艺数据及设备状态均显示在加热炉主画面上。主要监视的有：加热炉相关工艺参数、煤气发生炉相关工艺参数、及加热炉鼓风机状态、煤气发生炉鼓风机状态、加热炉冷风调节阀状态、加热炉热风放散阀状态、煤气发生炉冷风调节阀状态、煤气发生炉放散阀状态、加热炉鼓风机变频调节器运行状态等。还可对各调节阀、放散阀、变频调节器进行控制操作，在对这些设备操作时只要点击相应设备图案就可打开其对应的控制画面，然后即可进行各自设备的调节控制。

每启动计算机，启动画面为加热炉主画面，画面中设备及其检测控制工艺参数一目了然。画面中黄色管线表示煤气管道，蓝色管线表示风管道，白色管线表示蒸汽管道。本系统可监测状态的设备信号有：加热炉鼓风机启、停、故障，煤气发生炉鼓风机启、停、故障，加热炉冷风调节阀PLC/仪表控制、调节量、阀位，加热炉热风放散阀PLC/仪表控制、调节量、阀位，煤气发生炉冷风调节阀PLC/仪表控制、调节量、阀位, 煤气发生炉热风放散阀PLC/仪表控制、调节量、阀位。绿色代表鼓风机运行，红色代表鼓风机停止，黄色且闪动代表鼓风机故障。如果要监视阀门状态只要单击阀门图标就可弹出阀门控制窗口。各阀门窗口均相同，以一个阀门为例说明，其他均相同。阀门窗口中“PLC/仪表控制”信号来自仪表盘上手操器，按压操作器上的“A\M”按钮就可实现PLC及手操器仪表控制模式间相互切换。阀门窗口中“位置反馈”信号来自现场阀门执行机构准确指示阀门开度位置百分值。阀门窗口中“PLC给定”是用键盘直接输入阀门控制开度百分值。阀门窗口中黄、绿棒图分别指示给定值及阀门开度百分值。阀门窗口中滚动条是同增减滚动方式改变“PLC给定”值，用以实现阀门开度控制。在加热炉主画面中双击变频图标就可打开变频器控制窗口。在变频器控制窗口中，按下“PLC手动”按钮就可用直接输入及用滚动条方式改变变频器给定信号（最大为50Hz）。变频器控制窗口中“变频反馈”信号来自变频器，反映鼓风机电机转动频率。在变频器控制窗口中按下“PLC自动”按钮，同时用直接键盘输入方式输入氧含量设定信号，其他按钮勿动，就可准确将加热炉内氧含量控制在设定值范围内。在“PLC手动”及“PLC自动”间转换可实现无扰切换。

经本发明方法操作控制后，炉温可稳定的保持在1300℃～1600℃之间，并通过操作人员输入的炉温数值，利用叠加、比较法及模糊原理实时改变炉内状态，达到了煅烧稳定，操作合理的目的。

炉压控制效果；在软件操作说明中提到的煤气发生炉鼓风机状态、加热炉冷风调节阀状态、加热炉热风放散阀状态、煤气发生炉冷风调节阀状态、煤气发生炉放散阀状态，通过面板操作，及时有效的控制各设备的运行状态及工艺参数，可以使炉压处于微正压，这是加热炉在生产过程中的最佳状态。

空燃比控制效果；在软件面板中输入空气、煤气调节比例系数，按照理论值或实际操作过程摸索出的经验值，加热炉产出的钢坯无黑印，并且在一定程度上解决了过烧、欠烧的现象。

安全效果明显；操作软件中对各工艺参数都设置了相应的报警限值、连锁限值，并对这些报警值进行了筛选、重组，在程序中增加了相应的保护逻辑，在出现危险信号的同时，声光报警器同时响起。

操作界面友好；界面的布置、操作方式的选择，全部按照宣钢泰龙公司的要求和操作习惯确定，简洁、易懂，保证了设计人员和实际操作人员之间不脱节，用户第一的理念。

历史数据的保存；在本次工程中，历史数据的保存给公司有关领导、技术人员提供了有利的后台保障。比如技术人员可以通过界面查询到一周或更早时间的数据，对炉体本身的生产状态、设备运行情况、岗位工的操作规范程度等都能得到一定程度的回馈。

本实施例仅仅是成熟案例之一。软件使用方便、简洁，人机交互简单，操作灵活，是一套成熟、可靠的自动控制系统，并多次应用于轧钢系统的加热炉控制。

本发明采用了先进的自动化技术，达到了加热炉生产的高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。现在该系统自投运以来，运行稳定可靠，操作简便，深受现场工作人员的欢迎，达到了比较好的预期效果。

Claims

1.一种加热炉高效智能化控制的方法为，其采用能够进行现场控制的PLC系统及能和PLC系统进行通讯连接的计算机上位操作系统组成智能控制系统，并通过该智能控制系统对加热炉对进行高效科学的智能化控制，

其特征在于，通过该智能控制系统对加热炉进行下面六个方面的控制和设置：

（1）在炉温控制上：利用智能控制系统，实时采集温度量，根据系统叠加法确定当前温度，然后与设定温度比较，来控制煤气调节量，每次调节0.1%—1%，每次调节间隔时间0.5～2S；当温度在设定温度+/-20℃时不进行调节；

（2）在炉内压力控制上：为合理控制炉内压力的干扰，采用远程控制煤气废气总管、空气废气总管调节阀门，保证了炉膛压力的稳定；其控制过程是：在智能控制系统的上位计算机上设定炉压控制值，通过智能控制系统控制煤气废气、空气废气调节阀的开度来自动跳跃设定值，保证炉压处于设定值范围内；

（3）在空燃比控制上：为保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性，采用双叉式限幅控制方式，即以炉内温度为主环，空煤气为副环的炉温控制回路；这样可以在炉温低时，先增加空气量后增加煤气量；在炉温过高时，先减煤气量后再减空气量，实现空气、煤气交叉控制，使加热炉工作在最佳状态、热利用率和节能效果达到最佳、保持炉温稳定；

（4）对安全保护系统的控制：当煤气总管低于2.5kPa、空气总管压力低于3kPa及鼓风机、引风机断电时，通过安全保护系统自动切断煤气总管快速切断阀；同时采用应急供电设备，以保证在动力电源失电的情况下，使安全保护系统动作，达到安全运行的目的；

（5）在智能控制系统上采用HMI界面，方便人机对话；

所述HMI的主要画面必须包括 ①流程监控图：可以方便、直观的系统监视加热炉各段的炉温、炉压、风量、煤气及空气压力热工参数，以及动态显示调节阀的开关度； ②历史温度曲线图：可以绘制出生产过程中各点温度历史曲线，可使操作从人员直观的了解温度趋势，以便做出及时的调整； ③报警图：对炉温、废气超温、炉压过高、煤气及空气总管压力过低进行声光报警，同时提示故障点和建议处理方法；

（6）历史数据记录：智能控制系统能够把各种需要保存的工艺参数定时存入数据库进行历史数据记录，方便实现快速检索和查询；并能打印用户不同要求的报表。