1、ProTool monitoring1 绪论 随着世界人口的不断增长以及国民经济的迅速发展，能源危机日益加深。在1973年发生一次石油危机以后，开发新能源和节能的研究便成为世界各国关注的主要课题。冶金工业是耗能大户，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的25%。因此，提高加热炉热效率、降低能耗，对整个钢铁工业节能有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。现代的轧机正向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量的要求也越来越高，从而也对加热过程的控制提出了更高的要求。自70年代中期以来，各先进工业国开始对各种燃烧设备的自动控制进行了广泛深入的研究。 加热炉是轧钢生产能源消耗的主要设备，在
2、保证轧钢产品质量的同时，如何降低加热炉的燃料消耗和减少环境污染，是钢铁企业研究的重要课题之一。加热炉燃烧过程控制技术在国内外都得到了广泛的重视。蓄热式加热炉采用20世纪80年代新兴的节能环保燃烧技术高温空气燃烧技术，是加热炉发展的趋势。 目前加热炉燃烧过程普遍存在的能耗高、温度控制精度差、自动化程度低等问题。本论文以蓄热式均热炉为例，对蓄热式均热炉按照温度设定曲线烘烤控制、炉膛压力控制、换向过程控制等方面进行深入研究，实现了所有燃烧过程的全自动化控制。1.1 均热炉简介 初轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢浇注的钢锭大部分经初轧、开坯后才能轧制成材，而钢锭必须经过均热炉按照特定的工艺曲线加热后才
3、能送往初轧机进行轧制，它在间歇性的炼钢生产变为连续性初轧生产之间起缓冲、平衡作用。均热炉是初轧厂中钢锭加热用的设备，它将冷、热钢锭加热到轧制要求的温度，并使其温度均匀。均热炉操作直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥初轧机的生产能力，有必要增强对均热炉的控制。 均热炉属室状炉类型，即炉温是随时间而变的。均热炉要根据钢锭的材质、尺寸规格、装炉温度、出炉温度等，确定炉子的加热制度，即确定加热升温曲线，包括各阶段的加热温度、加热时间、加热速度、保温时间。 均热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济地燃烧。当均热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，采用何种合理有
4、效的控制手段，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内。1.2 蓄热式均热炉工艺 众所周知，用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术，但由于其换向阀结构复杂、体积庞大、控制系统不可靠、换向时间长、效率比较低，因此没有得到重视。20世纪70年代的能源危机后，节能工作开始得到各个国家的重视，加之科学技术的不断进步，出现了结构简单、控制方便、可靠性强的换向系统。因此近十年来蓄热式燃烧技术得到长足发展，各个国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高温燃烧技术。由此，蓄热式加热炉应运而生。 蓄热式均热炉采用现代燃烧技术，即高温空气燃烧技术，具有节能、
5、环保、降耗、提高钢坯质量等优点，是均热炉发展的趋势。1.2.1 高温空气燃烧技术简介 高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion，简称HTAC） 是20世纪90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。它是将高温空气喷入炉膛，维持低氧状态，同时将燃料输送到气流中产生燃烧。空气温度预热到8001000以上，燃烧区空气含氧量在2%4%，与传统燃烧过程相比，高温空气燃烧的最大特点是节省燃料，减少CO2和NOx的排放，降低燃烧噪音，被誉为21世纪关键技术之一。这项技术所产生的节能和环保的效果是划时代的，被国际权威专家誉为今后五十年内没有超越它的节能环保技
6、术。 工业炉窑是热加工生产的主要设备之一，也是能源消耗大户。多年来，工程技术人员一直在炉体结构、燃烧器、回收烟气余热、优化加热工艺、控制技术和管理及采用新型保温材料等方面寻求各种节能措施，以提高炉子的热效率。从炉窑热平衡分析可以得知：高温烟气带走的热量占各种燃料炉供给总热量的30%50%。因此，如何利用好这部分热量是工业炉节能降耗的关键技术之一。在工业炉中最可行的有效降低燃料消耗量的方法是利用炉子废弃的热量预热燃烧所需要的空气。 1858年，William Siemens发明了蓄热室。由于蓄热室可以将空气预热至较高温度，所以许多炉子都改用了蓄热室，如高炉、平炉和均热炉等。蓄热室的发展经历了“传
7、统蓄热室-填充球蓄热室-蜂窝体蓄热室”的过程。到目前为止，根据蓄热体的形状划分，蓄热室主要有三种形式，如图1.1所示。（1）格子砖蓄热室 格子砖蓄热室（图1.1a）虽然能将气体预热到很高的温度，并且余热回收率甚至可达到60%80，但由于采用的格子砖蓄热体的单位体积换热面积比较小，同时需要的换向时间也很长。除此之外被预热气体的温度波动较大，建造这样的蓄热室需要的费用也较大，因此这种蓄热室一般只用于大型的高炉上，对较小的设备显然是很不经济的。由于上述诸多原因，该种蓄热室技术没有得到大面积的推广应用。（a）格子砖蓄热室 （b）陶瓷球蓄热室 （c）蜂窝体蓄热室图1.1 三种蓄热形式 （2）陶瓷球蓄热室
8、 1982年英国的British Gas公司和Hot Work公司开发出了世界上第一套蓄热式陶瓷燃烧器（Regenerative Ceramic Burner，简称RCB），并将其成功地用于玻璃窑炉上，取得了显著的节能、增产效果。随后，美国的北美制造公司（North American Manufacturing Company）购买了RCB的生产专利，并迅速将其用于轧钢加热炉、热处理炉、锻造炉、铝熔化炉及钢包加热等场合。这一时期，用于烟气余热回收的蓄热室使用的蓄热体是直径为15mm左右的氧化铝陶瓷球（图1.1b）。这种蓄热式燃烧器总是成对出现，烧嘴的换向时间为40秒90秒。氧化铝陶瓷球在材质、
9、结构、换热面积等方面有了重大的技术性的进步，增加了单位体积的换热面积，助燃空气预热温度一般可达1000以上，燃料节约率达到40%50%。事物总是相对的，有利必有弊，由于空气预热温度提高了燃烧空间的温度，燃烧产物中NO的浓度提高达到300ppm500ppm。后来人们也把这一时期的蓄热式燃烧技术称为“第一代蓄热式燃烧技术”。（3）蜂窝体蓄热室20世纪90年代初日本政府出资150亿日元，组织科研院所和生产企业开展“高效工业炉开发”的研究。日本学者田中良一等人提出高温空气燃烧HTAC的概念。高温空气燃烧技术，在欧洲称为无焰燃烧（Flameless Combustion）技术，是一种新型燃料工业规模应用
10、技术，其基础是在高温和稀薄氧气气氛下燃烧。其核心是用陶瓷蜂窝体（图1.1c）代替陶瓷球作为蓄热体，缩短换向时间至25秒50秒，采用炉内烟气再循环或两段燃烧方式，降低燃烧空间中氧气的浓度，创造低氧条件，以降低烟气中NOx的含量，高温空气燃烧技术也被称为“第二代蓄热式燃烧技术”。与第一代蓄热式燃烧技术相比，HTAC技术可最大限度地回收高温烟气的热量，其烟气的余热回收率达到85%以上，热效率大大提高。同时通过将燃烧区的空气中氧含量由21%降到2%4%,避免了高温空气燃烧中NOx的大量生成。交替换向时间的缩短使炉内温度分布更加均匀，提高了产品的加热质量。陶瓷蜂窝体比陶瓷球有更大的单位体积换热面积、更有
11、效流通截面积，使得蓄热式燃烧器体积大大缩小，便于安装应用。1.2.2 蓄热式均热炉工作原理蓄热式燃烧器是一对带蓄热体的烧嘴（蓄热体可与烧嘴布置为一体，也可置于蓄热室内与烧嘴分开），该烧嘴在自动换向系统的控制下，可实现精确的定时定温换向工作。烧嘴必须成对出现，并排安装在炉窑上。工作时，一个烧嘴燃烧，另一个烧嘴充当烟气的回收装置，其工作原理如图1.2。如图中模式a，现在是A侧鼓风进空气，B侧引风排烟的工作状态。炉膛内热烟气由引风机抽出，通过B侧蓄热体时将热量储存在蓄热体内，然后以低于150的低温烟气经过换向阀由排烟管道排出；同时，来自鼓风机的常温助燃空气由换向阀进入A侧通道，通过蓄热体时迅速被加热
12、，在极短时间内达到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80%90%）；煤气由通断阀向稀薄高温空气附近注入，在贫氧状态下实现燃烧。当B侧的蓄热体储存一定热量后，通过程序控制换向阀自动换向变为模式b，常温助燃空气变为由B侧通道经蓄热体进入，热烟气从A侧通道排出，如此循环，两个蓄热体自动进行蓄热与放热状态的切换，从而达到节能和环保的目的。（a） 模式a（b） 模式b图1.2 高温低氧空气燃烧的工作原理1.3 国内外对加热炉控制研究现状加热炉自动控制主要集中在常规燃烧控制上，其直接的目标是获得较为稳定的炉子工况及追求最佳燃烧，其基本任务是：提高加热炉各段炉温的控制精度，获得满足开轧所要求的钢坏温度，同时保证
13、经济地燃烧和安全地运行。1.3.1 国外研究现状国际上，在70年代以前，关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在燃烧过程控制上。如加热炉各主要过程变量的定值控制，炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等，也就是处在控制过程基础自动化控制层次上。70年代以后，国际上对加热炉的最优控制进行了广泛的研究，并且随着计算机技术的发展，加热炉的计算机技术进入实用化阶段，控制研究的重点转移到以追求某种性能指标的优化控制方面，炉内加热过程的数学模型被广泛的应用在计算机控制上。欧美、日本、俄罗斯等国相继开发了钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等功能的优化
14、控制系统。近年来，一些带有整个生产物料跟踪的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也逐渐深入和提高，标志着加热炉的控制己经进入自动控制的第三层次水平。1.3.2 国内研究现状 与工业发达的国家相比，我国国内的加热炉计算机控制起步较晚，从80年代初才开始这方面的研究工作，并且发展并不平衡。据统计，目前我国拥有的加热炉中，很多 表1.1 加热炉控制在国外应用的现状国家及厂名所用机型应用现状美 国Dofasco公司1级：PLC 控制器Honeywell TDC 230002级：DEC VAX 8350空燃比控制、炉温控制、坯料跟踪、钢温预报、炉温设定值调节、待轧策略、加热炉步进速率控制、设备
15、诊断、加热炉各区段热量平衡、系统报警、记录和报告新西兰Hoogovens公司PDP 11-40 计算机采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制、推钢速率控制、直接燃料控制美国Yamatake Honeywell公司TDC 3000 BASIC系统步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统，具有过程控制、作业顺序管理、钢坯跟踪及生产管理功能美国Conshohochen厂DEC MICRO VAXII空燃比控制、炉压控制、空气压力控制、热风放散控制、坯料跟踪、设定值选择、生产调度模型、加热炉温度模型的钢铁企业中的加热炉还没有实现计算机控制，存在着大量的人工操作。有些企业配有较先进的计算机，
16、但只是用计算机代替常规的仪表，做一些简单的PID调节，计算机的功能并没有充分的利用，控制效果并不理想；另外一个普遍存在的问题是由于受到一些干扰因素的影响，控制系统运行不稳定。 蓄热式加热炉是近几年来发展起来的一种新型的加热炉，中国自20世纪80年代开始有国外译文介绍。80年代中后期国内热工界也开始研究新型蓄热式技术，建立了专门的陶瓷球蓄热式实验装置。东北大学、北京科技大学、机械部第五设计研究院、冶金部鞍山热能研究院等对此技术都有研究，但是工业应用很少。1998年9月萍乡钢铁有限责任公司首次和大连北岛能源技术有限公司合作采用蓄热式燃烧技术进行轧钢连续式加热炉燃烧的开发研究，并率先在萍钢棒材公司轧
17、钢加热炉上应用，在国内首次实现了蓄热式技术在连续式轧钢加热炉上的应用。此炉作为国内第一座蓄热式轧钢加热炉，尽管在许多方面还不尽人意，但为国内蓄热式燃烧技术在冶金行业连续式加热炉的应用上开辟了先河；此后，国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究并在国内的推广应用，蓄热式燃烧技术逐渐成熟。现有的加热炉中，大多数蓄热式加热炉都采取集中换向或分段集中换向，这种换向方式的缺点是造成燃料流量和空气流量的很大波动，由于这个原因，现在国内只有少数的蓄热式加热炉能够实现计算机自动控制。表1.2 加热炉控制在国内应用的现状 厂名首钢初轧厂TK280炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制太钢初轧厂TI565 机煤气、空气
18、流量以及炉压的PID 控制、自寻优及专家控制算法、温度检测及越限报警大钢初轧分厂M6809油风自动配比、残氧闭环控制、炉温炉压控制马钢初轧厂TMC280残氧闭环控制、按加热曲线烧钢 表1.1和表1.2分别介绍了国内、外加热炉自动控制应用的现状。提高蓄热式加热炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于工艺的改造、更新以及计算机系统资源的先进性，更该充分重视从加热炉生产过程的具体实际出发，采用合理的控制策略和先进的控制技术，设计能够更好地适应加热炉复杂多变工况的控制系统，使加热炉安全、稳定、高效、节能的运行。1.4 蓄热式均热炉控制的关键问题蓄热式均热炉控制中有几个关键问题： 1）对均热炉的炉膛温度控制，这
19、是最重要的。对于不同材质的钢坯必须按照不同的升温曲线进行钢坯的烘烤。因为如果温度过低，达不到轧制工艺的质量要求;温度过高则也会带来一些不良的后果，如钢过热时钢的品粒增大，使钢的机械性能下降，加工时容易产生裂纹等。2）对炉压的控制，必须保证炉膛压力为微正压。如果压力过高，则会在炉盖缝隙处向外窜火，不仅浪费能源，而且易烧坏炉盖和沙封刀。如果压力过低，则会在炉子缝隙处吸入大量的冷空气，这必然降低炉温，又使加热时间延长，浪费了大量的能源。3）换向控制策略的选择。蓄热式燃烧技术得以实现，关键在换向控制。换向控制策略则关系到均热炉整体运行效果，也关系到燃料的能耗，还有换向阀和蓄热体的使用寿命。如何解决上述
20、几个关键问题影响到蓄热式均热炉控制系统控制效果的好坏。2可编程控制器的原理及应用2.1 PLC的基本构成可编程控制器（Programmable Logical Controller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。它主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口，电源及外设接口与扩展接口组成，如下图2.1所示。图2.1 PLC的基本构成图2.2 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。即PLC运行时，C
21、PU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中， 集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数由于采
22、用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。周而复始。2.3 西门子PLC和S7-300简介2.3.1 西门子PLC简介 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。（1）S7系列 S7系列是传统意义的PLC产品，是SIMATIC自动控制系统的关键部件。其中的S7-200是针对低性能要求的紧凑的微型PLC，其编程软件为STEP 7-Micro/WIN。S7-300是针对中等性能要求的模块式中小型PLC，最
23、多可以扩展32个模块。S7-400是用于高性能要求的模块式大型PLC，可以扩展300多个模块。S7-200/300/400可以接入MPI（多点接口）、PROFIBUS和工业以太网等通信网络。S7-200/300/400、M7、C7和WinAC均用STEP7编程和组态。（2）M7系列 SIMATIC M7-300/400 PLC采用与S7-300/400形同的结构，其显著特点是具有AT兼容计算机的功能，可以用C、C+或CFC（连续功能图）这类高级语言来编程。M7适合于需要处理的数据量大，对数据管理、显示和实时性有较高要求的系统使用。（3）C7系列 SIMATIC C7由紧凑型CPU S7-31x
24、C、OP（操作员面板）、I/O、通信和过程监控系统组成，整个产品结构紧凑，具有很高的性能价格比。C7-635和C7-636最多可以扩展3个S7-300的机架，集成的DP接口可以作DP主站或DP从站。C7用WinCC flexible组态过程显示、信息文本和配方等操作员面板的功能。（4）WinAC WinAC在PC（个人计算机）上实现了PLC的功能，突破了传统PLC开放性差、硬件昂贵、开发周期长、升级困难等束缚。可以实现控制、数据处理、通信、人机界面等功能。 WinAC基本型用于常规PLC控制系统且有大量数据处理要求的场合。WinAC实时型用于实时性、确定性要求非常高的控制场合，例如运动控制和快
25、速控制等。WinAC插槽型具有硬件PLC的所有特性，适用于实时性、安全性和可靠性要求均较高的场合。WinAC具有良好的开放性和灵活性，可以方便地集成第三方的软件和硬件，例如运动控制卡、快速 I/O卡或控制算法等。2.3.2 S7-300简介 S7-300是模块化的中小型PLC ，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修是更换模块也方便。按钮 扩展机构选择开关 接触器限位开关 电磁阀通信网络 指示灯图2.2 PLC控制系统示意图 S7-300 采用经过认证的PLC 技术 ，易于操作、编程、维护和服务 ，特别适用于汽车工业、环境技术、采矿、化工厂、生产技术以及食品加工等领域 。S7-300系列优点在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置
