CN110319711B - 基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业炉窑炉领域，公开了一种基于开关量控制系统的工业炉窑炉温控制方法。本发明的炉温控制方法，根据燃气炉的温度误差值ΔT划分出全大火区间、全小火区间、熄火区间以及至少一个中间值区间，分别设定各区间的执行标准，在中间值区间内，在控温周期t内执行时间t_x的大火，时间t_y小火，t_x+t_y＝t，ΔT_小表示小火热量需求对应的温度差，t_x和t_y根据大小火切换过程中实际的热量改变以及温度误差值ΔT所需的热量设定，可以有效提高采用开关量控制系统的工业炉窑的炉温的控制精度，防止温度的大幅度波动，一定程度上确保了炉温均匀性并节约用气量。

Description

基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法

技术领域

本发明涉及工业炉窑炉领域，尤其是一种基于开关量控制系统的工业炉窑炉温控制方法。

背景技术

PLC控制中主要涉及三大量，即脉冲量、模拟量和开关量。基于此三大量，工业炉窑PLC自动控制系统中主要根据热风控制单元的不同而分为以下三类：

1、基于脉冲量控制的脉冲电磁阀控制系统，以广州施能的MCK脉冲电磁阀产品为例(以下简称MCK)，MCK的由关到开(或者由开到关)的时间<0.5秒。这种控制方式可以直接由PLC的PID控制输出经过一定的线性转换，直接输出到MCK上，从而实现大小火脉冲控制。例如申请号为201010000572.1的专利申请即公开了一种脉冲燃烧控制方法。

2、基于模拟量控制的连续阀门控制系统，以广州施能的ST50-60E为例(以下简称ST50-60E)，ST50-60E的由关到开(或者由开到关)的时间为60秒，这种控制方式可以直接利用PLC的PID控制输出，而不需要任何转换，直接对ST50-60E进行控制。

3、基于开关量控制的开关量控制系统，以广州施能ST50R为例(以下简称ST50R)，ST50R的大小火切换时间为4秒，是将PLC的PID控制输出经过一定的线性转换，直接输出到ST50R上，从而实现大小火开关量控制。

开关量是指非连续性信号的采集和输出，它仅有1和0两种状态，而模拟量指变量在一定范围连续变化的量，也就是在一定范围内可以取任意值。因此，开关量控制系统与连续阀门控制系统的区别在于，连续阀门控制系统可以在烧嘴最大热量输出范围内控制任意大小的热量输出，而开关量控制系统则仅能实现大火输出、小火输出以及熄火三种状态。因此，连续阀门控制系统相对于开关量控制系统通常具有更高的控制精度，不过，由于连续阀门开闭时间较长，例如ST50-60E的由关到开(或者由开到关)的时间为60秒，因此，连续阀门控制系统的火力调整速度较慢，在炉温的设定值与测量值差距较大时，无法及时快速地将炉温调整至设定值。

事实上，在开关量控制系统中，大小火切换也是需要一定的时间，因此，现有的开关量控制方法一般是采用一个较长的控制周期来控制阀门的大小火切换，只有在这种较长的控制周期才能忽略阀门的开闭耗时。较长控制周期意味着温度控制精度就会较差，温度波动较大；温度波动大，除大小火切换外，容易出现实测温度比设定值高很多，这时就需要进行熄火，而熄火再次点火需要更长时间，这时的温度波动就会更大。例如ST50R小火到大火的转变时间为4秒，反之也是4秒。在炉温控制过程中，由温控仪表或PLC自带的PID功能产生开关量输出，从而产生小火、大火信号，而这个信号的周期一般是基于50秒一个大周期来计算的，如图1所示，这样就会产生一个燃烧系统在熄火、小火、大火之间频繁动作，而燃烧系统在熄火后再次点火成功有一个8秒钟的反应时间，这个时间就造成温度控制系统的温度控制滞后，产生更大的温度波动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开关量控制系统的工业炉窑炉温控制方法，可以有效提高炉温的控制精度。

本发明公开的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，包括如下步骤：

设定控温周期t，t≤2t₀，t₀表示开关量控制系统中大小火切换所需的时间；

根据燃气炉的温度误差值ΔT划分出全大火区间、全小火区间、熄火区间以及至少一个中间值区间，分别设定各区间的执行标准，ΔT＝T－T₀，T表示炉温的测量值，T₀表示炉温的设定值；

全大火区间：ΔT≤ΔT_大，在控温周期t内执行大火，ΔT_大表示全功率大火热量需求对应的误差值；

中间值区间：ΔT_大＜ΔT＜ΔT_小，在控温周期t内执行时间t_x的大火，时间t_y小火，t_x+t_y＝t，ΔT_小表示小火热量需求对应的温度差，t_x和t_y根据大小火切换过程中实际的热量改变以及温度误差值ΔT所需的热量设定；

全小火区间：ΔT_小≤ΔT＜ΔT_熄，在控温周期t内执行小火，ΔT_熄表示需要熄火所对应的误差值；

熄火区间：ΔT≥ΔT_熄；在控温周期t内执行熄火。

优选地，在中间值区间的单个控温周期t内，仅执行一段大火和一段小火。

优选地，当中间值区间至少是两个时，ΔT越小的中间值区间执行大火的时间t_x越长而执行小火的时间t_y越短。

优选地，根据误差值ΔT设定三个中间值区间，由小到大依次为第一中间值区间、第二中间值区间和第三中间值区间；

第一中间值区间：ΔT_大＜ΔT≤ΔT₁，在控温周期t内执行时间t₁的大火、时间t₂的小火，t₁+t₂＝t；

第二中间值区间：ΔT₁＜ΔT≤ΔT₂，在控温周期t内执行时间t₃的大火、时间t₄的小火，t₃+t₄＝t；

第三中间值区间：ΔT₂＜ΔT＜ΔT_熄，在控温周期t内执行时间t₅的大火、时间t₆的小火，t₃+t₄＝t，；

其中，t₁＞t₃＞t₅，t₂＜t₄＜t₆。

优选地，根据燃气炉的温度划分出至少两个温度段，根据各个温度段的加热和散热情况，在各个温度段分别设定全大火区间、全小火区间、熄火区间以及中间值区间。

优选地，所述控温周期t等于大小火切换所需的时间t₀。

优选地，在一个控温周期执行一个中间值区间的大小火标准时，若炉温的测量值T达到新的中间值区间，则立刻将本周期的执行标准转变为新的中间值区间。

优选地，执行控温周期时记录已执行的大小火信息，当炉温的测量值T达到新的中间值区间时，

若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间不足，则继续执行大火或者小火，补足大火或小火时间达到新的中间值区间的执行标准；

若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间已满足或者超出，则立刻进行大小火切换。

本发明的有益效果是：

其一、可以消除因阀门大小火切换需要耗费一定时间，不得不设定较长的小火或者大火周期的问题，防止因大火周期或者小火周期过长而降低温度控制精度，在良好的燃气炉硬件条件下，可以将温度控制精度维持在±1℃。

其二、化劣势为优势，原本开关量控制系统的大小火切换需要一定时间是其温控的一大劣势，本发明通过将切换过程中的热量改变纳入计算将其转变为优势，实现非全功率大火的热量输入，缩小可控温差幅度，从而有效提高采用开关量控制系统的燃气炉的温度控制精度；

其三、通过提高温度控制精度减小温度的波动范围，降低出现熄火动作的几率，进一步防止温度的大幅度波动；

其四、在较短的中间值区间中，由于小火与大火之间的周期性转变，使得炉内气氛得到搅拌，一定程度上确保了炉温均匀性；

其五，由于温度的控制精度高，避免了不必要的热量浪费，可以一定程度上节约用气量。

附图说明

图1是现有的开关量控制系统的大小火切换示意图；

图2是本发明的大小火切换示意图；

图3是本发明划分控温区间的示意图。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

如背景技术中所述，开关量控制系统的大小火切换需要一定的时间，在大小火切换过程中，所产生的热量是逐渐变化的，本发明正是利用了大小火切换过程的实际热量变化，提出了基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其包括如下步骤：

设定控温周期t，t≤2t₀，t₀表示开关量控制系统中大小火切换所需的时间，即由大火切换为小火或者由小火切换为大火的时间，这两个时间通常是相等的。本发明的控温周期相对于现有的炉温控制方法的控温周期要短的多，在这么短的控温周期内，是不能忽略大小火切换过程中所带来的热量变换的。

根据燃气炉的温度误差值ΔT划分出全大火区间、全小火区间、熄火区间以及至少一个中间值区间，分别设定各区间的执行标准，ΔT＝T－T₀，T表示炉温的测量值，T₀表示炉温的设定值。

全大火区间：ΔT≤ΔT_大，在控温周期t内执行大火，ΔT_大表示全功率大火热量需求对应的误差值，全大火区间与现有开关量控制中的大火周期基本一致，所不同的主要是控温周期t更短，执行大火的时间更短，出现热量输入过量的可能性要小的多，下一控温周期需要进行熄火的可能性要小的多。

中间值区间：ΔT_大＜ΔT＜ΔT_小，在控温周期t内执行时间t_x的大火，时间t_y小火，t_x+t_y＝t，ΔT_小表示小火热量需求对应的温度差，t_x和t_y根据大小火切换过程中实际的热量改变以及当前燃气炉温度达到设定值所需的热量设定。设定中间值区间可以达到单独的大火或者小火无法达到的温控精度，例如，误差值ΔT在±2℃时，这时候所需要的热量介于小火与大火之间，这时单独的大火或者小火无法满足的，通过本发明的控制方法可以在小火的基础上，执行1秒的大火，然后又执行4秒的小火，烧嘴的火量逐渐增大1秒以后，又经过1秒的时间逐渐减弱至小火，并保持小火3秒时间，在此过程中产生的热量仅为全功率大火的20％左右，正好能够满足这个温度误差值所需要的热量，从而能够把温度控制在±2℃的范围内。如图2所示，控温周期为5s，在图中的第一个控温周期，执行3秒大火、2秒小火，在第二个控温周期执行了1秒大火、4秒小火，在第三个控温周期同样执行1秒大火、4秒小火，在之后的一定时间范围内也只需要一直执行1秒大火、4秒小火即可保持温度在较小的温度范围内波动。

全小火区间：ΔT_小≤ΔT＜ΔT_熄，在控温周期t内执行小火，ΔT_熄表示需要熄火所对应的误差值，全小火区间与现有开关量控制中的大火周期基本一致，所不同的主要是控温周期t更短，执行小火的时间更短，可控性更好。

熄火区间：ΔT≥ΔT_熄；在控温周期t内执行熄火，虽然本方法不易出现需要执行熄火操作的情况，但是，为了保证燃气炉的安全性和可靠性，还是设定了熄火区间，一旦温差达到ΔT_熄到就立刻执行熄火操作。

其中，最为关键的是中间值区间的设置，t_x和t_y根据大小火切换过程中实际的热量改变以及温度误差值ΔT所需的热量设定，所谓实际的热量改变包含了大小火切换过程中实际的热量变化，因为大小火切换过程中可以产生不完全功率的大火，例如，可产生全功率大火的10％、20％、30％等热量。在一个中间值区间的控温周期t内，可以有多段大火和多段小火，执行大火的累积时间为t_x，执行小火的累积时间为t_y，例如控温周期t为5s，某个中间值区间内，依次执行1秒大火、2秒小火、2秒大火，如此虽然可以满足某个ΔT区间的热量要求，但是实际设计和校验就会较为复杂，而作为优选实施方式，在中间值区间的单个控温周期t内，仅执行一段大火和一段小火。例如控温周期t为5s，先执行2秒大火，在执行3秒小火，或者先执行2秒小火，再执行3秒大火，这样热量的计算和测量会更加方便，而且同样可以达到与多段大、小火一样的热量输入。

在硬件允许条件下，中间值区间设置的越多，则可控温度波动越小，温度调控越加精确。这里的硬件条件包括烧嘴功率、烧嘴的控制是一对一还是一对多、炉温的测量精度、大小火切换时间、燃气炉的保温情况等。因为不同的燃气炉这些硬件条件是不同的，因此需要针对所改造的燃气炉分别进行试验及调校。在各个中间值区间中，对应的温度误差值包含0℃的中间值区间即是炉温可达的最小波动范围，相较于传统的开关量控制系统本发明的炉温最小波动范围要小得多。

当中间值区间至少是两个时，ΔT越小的中间值区间执行大火的时间t_x越长而执行小火的时间t_y越短，反之，ΔT越大的中间值区间执行大火的时间t_x越短而执行小火的时间t_y越长。例如，根据误差值ΔT设定三个中间值区间，由小到大依次为第一中间值区间、第二中间值区间和第三中间值区间；第一中间值区间：ΔT_大＜ΔT≤ΔT₂，在控温周期t内执行时间t₁的大火、时间t₂的小火，t₁+t₂＝t；第二中间值区间：ΔT₂＜ΔT≤ΔT₃，在控温周期t内执行时间t₃的大火、时间t₄的小火，t₃+t₄＝t；第三中间值区间：ΔT₃＜ΔT＜ΔT₄，在控温周期t内执行时间t₅的大火、时间t₆的小火，t₃+t₄＝t，ΔT₄＝ΔT_熄；其中，t₁＞t₃＞t₅，t₂＜t₄＜t₆。

在此三个中间值区间的实施例中，第一中间值区间对应的ΔT最小，需要更多的热量才能使炉温达到设定值，因此其执行大火的时间t₁最长，对应地小火时间t₂最短，而第三中间值区间ΔT最大，所需要的热量最小，因此其执行大火的时间t₅最短，执行大火的小火时间t₆最长。以上三个中间值区间仅仅是作为示例，并非最优实施方案，在实际操作时，往往需要设置更多的中间值区间。

在炉温不同的温度段，燃气炉散失的热量不同，因而维持温度所需的热量也是不同的。例如，某燃气炉在炉温低于300℃时，维持误差值ΔT在±2℃只需执行1秒大火，4秒小火，但是在炉温为500℃时，维持误差值ΔT在±2℃则需要执行2秒大火，3秒小火。因此，作为优选方式，根据燃气炉的温度划分出至少两个温度段，根据各个温度段的加热和散热情况，在各个温度段分别设定全大火区间、全小火区间、熄火区间以及中间值区间。一般而言，越高的温度段热量散失越多，在各个中间值区间内，维持相同的温度波动范围所需要的热量就越多，控温周期内执行大火的时间就越长。就理论而言，划分的温度段越多炉温的控制精度也就越高，不过相应的设计特别是后续试验的工作量就越大，而且随着温度段的增加所带来的精度控制增益效果也会逐渐减弱，一般而言，只要每100～200℃划分一个温度段即可。

每个温度段的各个控温区间可以的ΔT范围可以分别设置，也可以设置为统一设置而大小火的执行时间不同。如图3所示的实施例即采用了后者。例如，第一温度段()的第一中间值区间的ΔT范围为ΔT_大＜ΔT≤ΔT₁，第二温度段的第一中间值区间的ΔT范围同样为ΔT_大＜ΔT≤ΔT₁，同样的ΔT范围内，前者执行大火的时间是要小于后者执行大火的时间的。

相较于常规的开关量控制系统，本发明为了减少温度波动，控温周期t选择为开关量系统大小火切换所需的时间t₀的两倍以内。通常来讲，在允许条件下，控温周期t越短，温度波动幅度越小，不过对于本发明而言，若控温周期t＜t₀，会给控制程序的编写带来较大的难度，因此，综合来看，最优选择是控温周期t等于大小火切换所需的时间t₀。

开关量控制系统可以实时监测炉温，在一个控温周期执行一个中间值区间的大小火标准时，若炉温的测量值T达到新的中间值区间，若继续以原来的中间值区间标准进行执行，在下一个周期执行新的中间值区间，就可能会造成控制延后，为解决这一问题，作为优选方式，应立刻将本周期的执行标准转变为新的中间值区间。但是，因为本周期以按原来的中间值区间执行了部分，若直接执行新的中间值区间，可能会使累加的大火时间或者小火时间过长，对此，本发明提供了一种优选的实施方式：执行控温周期时记录已执行的大小火信息，当炉温的测量值T达到新的中间值区间时，若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间不足，则继续执行大火或者小火，补足大火或小火时间达到新的中间值区间的执行标准；例如，原中间值区间需要执行2秒大火、3秒小火，当已执行1秒大火时，炉温的测量值T达到新的中间值区间，新的中间值区间需要执行3秒大火、2秒小火，则在已执行1秒大火的基础上，继续执行2秒大火，然后执行2秒小火，使得本周期的执行标准完全转换为新的中间值区间。若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间已满足或者超出，则立刻进行大小火切换。例如，原中间值区间需要执行2秒大火、3秒小火，在执行1.5秒大火后，炉温的测量值T达到新的中间值区间，新的中间值区间需要执行1秒大火、4秒小火，在已执行1.5秒大火的基础上，立刻切换为执行小火，在本周期内共执行了1.5秒大火、3.5秒小火，虽然没有达到新的中间值区间1秒大火、4秒小火的执行标准，但是已经最大程度地与其接近，可以最大限度地避免降低温度波动幅度。

Claims (8)

1.基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

设定控温周期t，t≤2t₀，t₀表示开关量控制系统中大小火切换所需的时间；

根据燃气炉的温度误差值ΔT划分出全大火区间、全小火区间、熄火区间以及至少一个中间值区间，分别设定各区间的执行标准，ΔT＝T－T₀，T表示炉温的测量值，T₀表示炉温的设定值；

全大火区间：ΔT≤ΔT_大，在控温周期t内执行大火，ΔT_大表示全功率大火热量需求对应的误差值；

中间值区间：ΔT_大＜ΔT＜ΔT_小，在控温周期t内执行时间t_x的大火，时间t_y小火，t_x+t_y＝t，ΔT_小表示小火热量需求对应的温度差，t_x和t_y根据大小火切换过程中实际的热量改变以及温度误差值ΔT所需的热量设定；

全小火区间：ΔT_小≤ΔT＜ΔT_熄，在控温周期t内执行小火，ΔT_熄表示需要熄火所对应的误差值；

熄火区间：ΔT≥ΔT_熄；在控温周期t内执行熄火。

2.如权利要求1所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：在中间值区间的单个控温周期t内，仅执行一段大火和一段小火。

3.如权利要求1所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：当中间值区间至少是两个时，ΔT越小的中间值区间执行大火的时间t_x越长而执行小火的时间t_y越短。

4.如权利要求3所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：根据误差值ΔT设定三个中间值区间，由小到大依次为第一中间值区间、第二中间值区间和第三中间值区间；

第一中间值区间：ΔT_大＜ΔT≤ΔT₁，在控温周期t内执行时间t₁的大火、时间t₂的小火，t₁+t₂＝t；

第二中间值区间：ΔT₁＜ΔT≤ΔT₂，在控温周期t内执行时间t₃的大火、时间t₄的小火，t₃+t₄＝t；

第三中间值区间：ΔT₂＜ΔT＜ΔT_熄，在控温周期t内执行时间t₅的大火、时间t₆的小火，t₃+t₄＝t；

其中，t₁＞t₃＞t₅，t₂＜t₄＜t₆。

5.如权利要求1、2、3或4所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：根据燃气炉的温度划分出至少两个温度段，根据各个温度段的加热和散热情况，在各个温度段分别设定全大火区间、全小火区间、熄火区间以及中间值区间。

6.如权利要求1所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：所述控温周期t等于大小火切换所需的时间t₀。

7.如权利要求1所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：在一个控温周期执行一个中间值区间的大小火标准时，若炉温的测量值T达到新的中间值区间，则立刻将本周期的执行标准转变为新的中间值区间。

8.如权利要求7所述的基于开关量控制系统的燃气炉炉温控制方法，其特征在于：执行控温周期时记录已执行的大小火信息，当炉温的测量值T达到新的中间值区间时，

若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间不足，则继续执行大火或者小火，补足大火或小火时间达到新的中间值区间的执行标准；

若相对于新的中间值区间，已执行的大火时间或者小火时间已满足或者超出，则立刻进行大小火切换。

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