梁彬、楊玉民、倪楓、鄧俊崗（安陽鋼鐵集團公司，455004）
摘要： 通過描述美國羅克韋爾自動化公司ProcessLogix Server DCS在高線步進梁加熱爐控製過程中的應用，詳細介紹了係統的總體結構、主要控製回路的控製方案、係統應用軟件和實際運行結果。
關鍵詞： 步進加熱爐 集散型控製係統 硬件 軟件
一、 引言
安鋼高速線材軋鋼加熱爐是一座性能優良的步進梁式加熱爐，其有效尺寸：20700×12700 mm。額定加熱能力為：120 t/h，最大加熱能力：140 t/h。坯料規格：單排布料時：150×150×12000 mm；雙排布料時：150×150×5800 mm；非定尺坯料：9000-12000 mm；最大坯重量：2190 kg。燃燒介質：高焦爐混合煤氣，低發熱值為 7536±210 KJ/m3。最大用量24812 m3/h。其熱工控製係統是由羅克韋爾自動化公司的ProcessLogix DCS係統完成。步進爐內爐料步進及爐料進、出由西門子PLC控製。其中高速離散控製、過程控製和安全控製融合於一個Logix控製平台上先進的控製技術，使加熱爐的爐溫的控製精度在±5℃，升降50℃僅需12分種；編寫的空燃比自動尋優器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀的功能，實現了燃料流量和空氣流量的優化配比，從而使燃燒達最佳狀態。
二、係統硬件的組成
高線加熱爐使用羅克韋爾自動化的ProcessLogix DCS控製係統（編程軟件為ControlBuilder和DisplayBuilder）。本係統配置了操作站、服務器、控製站三個部分。其結構如圖1：
2.1 服務器：
為了高效利用過程參數，本係統配置了DELL服務器，係統平台為Windows NT 。配置了ProcessLogix Server 後，服務器具有了實時數據庫和功能完善的功能模塊。用戶可以用ContorlBuilder 組態和優化用戶控製程序，用DisplayBulder製作HMI。同時，用戶可方便地用C語(yu)言(yan)編(bian)寫(xie)自(zi)己(ji)的(de)特(te)殊(shu)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)。同(tong)時(shi)，服(fu)務(wu)器(qi)還(hai)完(wan)成(cheng)打(da)印(yin)報(bao)表(biao)的(de)任(ren)務(wu)。在(zai)操(cao)作(zuo)站(zhan)出(chu)現(xian)特(te)殊(shu)情(qing)況(kuang)時(shi)，服(fu)務(wu)器(qi)還(hai)要(yao)兼(jian)操(cao)作(zuo)站(zhan)的(de)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)，服(fu)務(wu)器(qi)是(shi)通(tong)過(guo)CONTROLNET網從控製器收集數據和向控製器發送命令，通過乙太網向操作站傳送數據和接收命令。
2.2 操作站：
操作站由研華工控機和基於Windows NT係統平台上的STATION軟件組成，通過總貌圖、控製圖、報警圖、過程狀態圖、過程曆史圖這些豐富的人機界麵，操作員可以設定、查看過程參數或狀態，察看故障報警明細。由於整個操作界麵采用“向導式”的結構，從而大大方便了操作員的操作。
2.3 控製站：
控製站采用PLX係統，用於完成對加熱爐的熱工控製和過程參數檢測。該係統的處理器1757 PL*52A是Rockwell專用處理器，具有8MRAM，高速底板與網絡融為一體，I/O模塊可帶電插撥，並可以任意安排。在該係統中，控製站共設有一個主機架和二個擴展機架，完成了整個加熱爐的6段溫度控製、60多點的模擬量檢測及20多個開關量的輸入和輸出。係統模板采用如下：4個756 OF6CI/A模塊、9個1756 IB16D/A模塊、2個1756OW16I模塊、4個1756IF6I/A模塊、5個1756IR6I/A模塊、4個1756IT6I/A模塊。為提高本係統的可靠量，所有AI、DI和DO均與現場進行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離的雙隔離模板。按照確定的控製規則進行編程，根據加熱爐的工況選擇使用。將現場信號采樣﹑燃氣流量模糊控製回路﹑空氣流量模糊控製回路﹑溫度模糊控製回路編成子程序，模塊化，在主程序中調用，以利於調試和控製功能組態。
2.4 CONTROLNET網絡與現場儀表：
該網絡屬於無源的高性能多元總線，5M的(de)傳(chuan)輸(shu)速(su)度(du)。數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)采(cai)用(yong)確(que)定(ding)性(xing)的(de)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)，大(da)大(da)減(jian)少(shao)了(le)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)量(liang)，現(xian)場(chang)儀(yi)表(biao)控(kong)製(zhi)閥(fa)采(cai)用(yong)耐(nai)高(gao)溫(wen)的(de)控(kong)製(zhi)閥(fa)，執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)采(cai)用(yong)氣(qi)動(dong)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)，壓(ya)力(li)和(he)差(cha)壓(ya)變(bian)送(song)器(qi)采(cai)用(yong)FISHER 3051變送器。從而保證了具有苛刻時間要求的加熱爐控製應用環境。
圖1 加熱爐控製係統結構圖
三、係統主要功能及策略：
加熱爐控製主要包括爐膛溫度控製、燃燒介質壓力控製、燃燒介質流量控製及部分設備保護控製。調整燃燒控製軟件中的溫度模糊控製程序和流量模糊控製程序參數：采樣/控製周期，偏差模糊化因子，偏差變化率模糊化因子，輸出量化因子，同時對模糊控製參數表進行了初步優化。
3.1 爐溫控製：
爐溫控製是加熱爐的核心控製部分，其目的是通過控製燃料——煤氣和助燃劑——熱空氣的流量，使爐溫的動態性能指標和靜態性能指標滿足工藝要求。
6段爐溫檢測、控製(含殘氧分析)，6段煤氣、空氣流量比例調節，6段煤氣流量/累計及空氣流量記錄。
加熱爐每段設二支熱電偶測量爐溫，經斷偶檢測器檢定後送DCS係統的溫度控製器，溫度控製器的設定值由操作員設定。在爐子煙道內設有氧分析儀，對煙氣的含氧量進行在線分析，信號送DCS係統中，自動參與空燃比修正。溫度控製器送出的信號經過雙交叉限幅控製、氧(yang)量(liang)反(fan)饋(kui)校(xiao)正(zheng)等(deng)環(huan)節(jie)後(hou)分(fen)別(bie)送(song)給(gei)空(kong)氣(qi)和(he)燃(ran)氣(qi)流(liu)量(liang)控(kong)製(zhi)器(qi)，構(gou)成(cheng)溫(wen)度(du)流(liu)量(liang)串(chuan)級(ji)回(hui)路(lu)，調(tiao)節(jie)空(kong)氣(qi)和(he)燃(ran)氣(qi)的(de)流(liu)量(liang)，以(yi)達(da)到(dao)控(kong)製(zhi)爐(lu)溫(wen)的(de)目(mu)的(de)。為(wei)此(ci)我(wo)們(men)采(cai)用(yong)條(tiao)件(jian)判(pan)斷(duan)語(yu)句(ju)模(mo)式(shi)，根(gen)據(ju)溫(wen)度(du)誤(wu)差(cha)大(da)小(xiao)及(ji)其(qi)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)對(dui)交(jiao)叉(cha)限(xian)幅(fu)模(mo)式(shi)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)，從(cong)而(er)使(shi)流(liu)量(liang)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)設(she)定(ding)值(zhi)準(zhun)確(que)。大(da)大(da)改(gai)善(shan)了(le)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)效(xiao)果(guo)。
為了克服雙交叉限幅控製升降溫時間較慢的缺點，控製中采用二自主度型前饋調節器技術以達到快速升(降)溫wen的de目mu的de。采cai用yong這zhe些xie先xian進jin的de控kong製zhi策ce略lve的de目mu的de是shi達da到dao充chong分fen的de燃ran燒shao和he提ti高gao加jia熱re質zhi量liang，以yi及ji作zuo為wei軋zha機ji延yan遲chi時shi溫wen度du控kong製zhi，並bing確que保bao燃ran燒shao自zi動dong控kong製zhi的de穩wen定ding性xing。由you於yu係xi統tong軟ruan件jian上shang存cun在zai的de幹gan擾rao問wen題ti，曾zeng造zao成cheng多duo次ci計ji算suan機ji死si機ji、畫hua麵mian參can數shu刷shua新xin緩huan慢man等deng問wen題ti。經jing過guo優you化hua，完wan全quan解jie決jue了le存cun在zai的de隱yin患huan，同tong時shi對dui空kong燃ran比bi自zi動dong尋xun優you器qi進jin行xing了le進jin一yi步bu的de優you化hua，調tiao整zheng了le控kong製zhi表biao中zhong的de一yi些xie具ju體ti控kong製zhi參can數shu，提ti高gao了le控kong製zhi精jing度du，節jie約yue了le燃ran料liao，滿man足zu了le生sheng產chan的de要yao求qiu，爐lu溫wen控kong製zhi精jing度du在zai±5℃，升降50℃僅需12分鍾。煤氣壓力擾動時溫度曲線見圖2。
3.2 爐壓控製：
爐(lu)壓(ya)控(kong)製(zhi)對(dui)保(bao)護(hu)爐(lu)膛(tang)爐(lu)壁(bi)和(he)爐(lu)門(men)，控(kong)製(zhi)爐(lu)內(nei)合(he)理(li)的(de)氣(qi)氛(fen)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。爐(lu)壓(ya)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)單(dan)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)，它(ta)是(shi)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)煙(yan)道(dao)百(bai)葉(ye)窗(chuang)的(de)開(kai)度(du)，從(cong)而(er)調(tiao)節(jie)煙(yan)囪(cong)的(de)吸(xi)力(li)，進(jin)而(er)控(kong)製(zhi)爐(lu)膛(tang)壓(ya)力(li)。因(yin)為(wei)爐(lu)壓(ya)檢(jian)測(ce)點(dian)位(wei)於(yu)出(chu)料(liao)端(duan)，出(chu)料(liao)爐(lu)門(men)的(de)開(kai)閉(bi)對(dui)爐(lu)壓(ya)的(de)測(ce)量(liang)有(you)一(yi)定(ding)的(de)幹(gan)擾(rao)，編(bian)製(zhi)控(kong)製(zhi)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)。
3.3 煤氣和空氣壓力控製：
煤(mei)氣(qi)和(he)空(kong)氣(qi)的(de)壓(ya)力(li)是(shi)否(fou)穩(wen)定(ding)，對(dui)於(yu)其(qi)流(liu)量(liang)控(kong)製(zhi)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)，進(jin)而(er)影(ying)響(xiang)到(dao)爐(lu)溫(wen)的(de)控(kong)製(zhi)。煤(mei)氣(qi)和(he)空(kong)氣(qi)的(de)壓(ya)力(li)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)單(dan)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)，它(ta)是(shi)通(tong)過(guo)煤(mei)氣(qi)總(zong)管(guan)調(tiao)節(jie)閥(fa)和(he)助(zhu)燃(ran)風(feng)機(ji)進(jin)風(feng)中(zhong)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)的(de)。
圖2 溫度曲線 (煤氣壓力擾動時)
3.4 設備保護控製：
由於加熱爐溫度高，燃料是易燃易爆的高焦爐混合煤氣，因此采取必要的保護措施是必須的。本係統的保護措施包括換熱器的保護、冷卻水管保護及安全聯鎖控製保護。
3.4.1 換熱器的保護：
換熱器的保護是通過煙道摻冷風、fangsanyurekongqijinxingde。yandaofeiqiwenduguogaohuishaohuaihuanreqi。tongguocelianghuanreqiqiandefeiqiwendu，dangqichaoguobaojingyudingzhishi，kongzhixitongzidongdakaixishifengji。hunruxishilengfeng，dadaojiangdiyanqiwendu、baohuhuanreqidemude。xishifenglianggenjuyanqiwendu，youshezaixishifengjichufengkoudezidongkongzhifajinxingkongzhi。yurekongqiwenduguogaoshi，kongzhixitongzidongfangsanrekongqi，dadaobaohuhuanreqidemude。
3.4.2 冷卻水管保護：
luneimeigelengqueshuihuilushangjunpeiyouwendujiancekaiguanheliuliangjiancekaiguan，wendukaiguankezaichaowenshibaojing，liuliangkaiguankezailiuliangdixianshibaojing，congerkeduiluneimeigeshuiguanjinxingjianjiejianshi，dadaolebaohudemude。
3.4.3 安全聯鎖控製：
benjiarelusheyouwanshandeanquanliansuozhuangzhi。zaikongqihuomeiqizaidiyahuoduandianshigufashengshi，kongzhixitongkebaojingbinganquandiqieduanmeiqigongying，tongshiduimeiqizongguanhegeduanmeiqishixingdanqigeduanbaohu。
四、控製係統的軟件設計
該DCS是目前先進的儀表過程控製係統，不但能完成自動化要求的各種過程監視、回路控製、順序控製、邏輯控製、而且還具有運算、分析，統計、管理、專用燃燒控製算法等多種功能。DCS軟件主要包括控製組態軟件和監控組態軟件兩部分，根據工藝要求及設備編製加熱爐實時控製應用軟件，主要有：6個爐段的燃燒控製程序，每個爐段的燃燒控製程序包括：1個主程序，溫度/空氣流量/煤氣流量控製子程序各1個；每個溫度/空氣流量/煤氣流量控製子程序又各包括4個自尋優子程序；畫麵包括：①運轉準備監視，②參數修改畫麵，③運轉狀態與故障狀態監視，④報警畫麵，⑤操作指導畫麵，⑥控製流程畫麵，⑦儀表回路畫麵，⑧實時趨勢畫麵﹑曆史趨勢畫麵記錄畫麵。
五、效果及結論：
由於該係統及現場儀表設計合理，控製策略及軟件實施科學，致使加熱爐的升溫和降溫都比常規控製策略和PID算法快，一般每升降50℃大節約需要18分鍾；爐溫控製精度大大提高，一般控製在±8℃範圍內。鋼坯斷麵溫差在10～20℃，沿長度方向上，坯兩端與坯中心溫度差為20～30℃，滿足了美國Morgangongsiyinjindegaosuzhajideyaoqiu。benxitongdebuzushigenjuyanghuagaodeceshijieguoxiuzhengkongranbi，xiaoguobutailixiang。womenjiangtansuoheshiyanzaimeiyourezhiyideqingkuangxiazhenzhengnengzaixianchangyunxinglianghaodexunyousuanfaqushixiankongranbizaixianxunyou。
參考文獻：
[1] 章衛國，楊向忠.模糊控製理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，1999，1-248
作者簡介：
梁彬，1970年出生，男，安陽人，工程師，主要從事廠自動化控製係統的管理與應用工作。
