熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)的分析與實踐

 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 自動化控制系統(tǒng)在設(shè)計上的不合理 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：為了將各部分整合成相對統(tǒng)一的系統(tǒng)，就要投入大量的時間與財力來對各種類型的軟件和用戶接口進行相應(yīng)的編程，配制，測試與調(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)濟效益。熱風(fēng)爐是一個持續(xù)燃燒的動態(tài)變化過程，很難及時獲取其控制作用的相關(guān)信息，通過輸出測量得到其效果時，有明顯的控制滯后性。故此，想要實現(xiàn)對燃燒過程的及時控制，該數(shù)學(xué)模型就會相當(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，因為高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣是分別送入，這就需要分別對高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的流量進行單獨控制，還要對高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣流量進行相應(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，這種儀器價格不菲，維護與保養(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，要確保整個熱風(fēng)爐系統(tǒng)向高爐不間斷送風(fēng)，并保證進入高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓平穩(wěn)，減少波動，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檢測并控制好助燃空氣總管壓力。②檢測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，這兩種燃料進入熱風(fēng)爐的燃燒室后，在燃燒混合器內(nèi)進行充分混合，再與助燃空氣通過陶瓷燒嘴進行燃燒。通常熱風(fēng)爐的燃燒時間為110分鐘左右，爐體溫度達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）來實現(xiàn)對于熱風(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℃，并且波動不能太大，這樣才能保證高爐相對穩(wěn)定的工作。由于開始送風(fēng)時的風(fēng)溫要保持較高標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)置手動回路是要預(yù)置一個大的開度，以保證能送入較多的冷風(fēng)。風(fēng)溫達到可以使用PID調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)換為自動的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)爐階段時間送風(fēng)后，會造成熱風(fēng)溫度下降，此時，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
燃燒、風(fēng)溫與換爐電氣部分軟件設(shè)計，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)爐自動化部分的軟件設(shè)計 用CFC編輯程序包括從庫中拖放功能塊，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，各個閥門動作的相應(yīng)順序。
4 在鋼鐵廠熱風(fēng)爐中的應(yīng)用
系統(tǒng)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。本控制系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完畢后，在現(xiàn)場進行了試運行，具體相關(guān)運行數(shù)據(jù)見圖1至4。通過實際工作證明，該控制系統(tǒng)運行良好。
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，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。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行了相應(yīng)的程序設(shè)計。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)維護的費用。本智能控制系統(tǒng)已經(jīng)成功運用在某鋼鐵廠球式熱風(fēng)爐上，并處于良好的運行狀態(tài)，為解決熱風(fēng)爐控制問題提供了一種新方法。