环形加热炉炉温控制系统的研究与设计

环形加热炉炉温控制系统的研究与设计

段伟军

包钢特钢分公司 内蒙古包头市 014010

摘要：钢铁工业的发展，无缝钢管的应用越来越广泛。环形炉加热炉的应用也得到了很好的发展。无缝钢管的热轧生产线上重要的热工设备就是环形加热炉，其加热质量直接关系到钢管的质量，其氧化结烧和能耗直接关系到钢管的成本，其设备状况与操作水平直接关系到钢管的产量，所以无缝钢管生产的关键就是保证环形炉处在最佳生产状况。然而，环形加热炉中的重中之重则是加热炉炉温的自动控制。

关键词：环形加热炉；PLC；模糊PID控制；

环形加热炉作为轧钢生产线的关键能耗设备，炉温控制水平直接影响能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。其燃烧控制系统是通过控制煤气和空气的流动来调节燃烧过程，以确保炉内温度稳定在设定值，并且波动不超过允许偏差，以确保管被均匀加热到满足要求的温度。本设计是对环形加热炉炉温的控制，通过制采用串级双交叉限幅控制方式实现。串级双交叉限幅控制系统中，燃料、空气流量值相互设定，从而保证了空燃比最优，达到了炉温恒定的目的。在串级双交叉限幅控制系统基础上，加入PLC及PID控制算法，可基本实现对加热炉炉温的平稳控制，同时依靠组态界面实现对加热炉实时监控。

一、环形炉工艺流程

环形炉总体为圆环形，环形炉由可以转动的炉底部分．固定的炉顶和内、外炉墙部分构成的环形隧道所组成。环形炉借助炉底的旋转，使放置在炉底上的坯料由装料口沿环形隧道移出到出料口，并在移动过程中分段连续加热管坯。环形炉装炉和出炉使用各自专门的夹钳，每装、出一次坯料(一根)炉底转动1个角度，然后又装、出下一次坯料，装炉和出炉同时进行，通过与炉底转动装置的联锁，可实现自动装、出料。环形炉结构上没有明显的分段，主要靠烧嘴的配置和供热强度调整来控制温度，各段的供热长度也并不固定，为了使形型炉温度的控制与调整有较大的灵活性，环形炉可以分为几个供热段，具体段数依环形炉大小和加热要求而定。环形炉每一段有单独的燃气管和空气管，可以单独调节燃料和空气供应量，总体供热能力按120％配置。环形炉坯料传输控制顺序，主要控制设备包括：（1）装料炉门。在等待装料的过程中，炉门关闭，以防止吸人冷风；在进料时，通过侧开机构打开炉门。装料机中管坯通过上料辊道传送到装料炉门前装料机中心下面的预定位置，由装料机夹钳抓起管坯，提升并送入炉内相应位置。电机驱动前进／后退，液压驱动上升／下降、夹紧／松开。（2）炉底驱动装置。炉底是由均布在炉底外环的4套液压马达驱动装置来驱动的。每套驱动装置由驱动齿轮、减速机、液压马达、带导轨的滑座及液压缸等构成，可正、反方向传动。炉底转动量由编码器进行检测。（3）出料炉门。在等待出料的过程中，炉门关闭，以防止吸入冷风。在出料时，通过侧开机构将炉门打开。出料机中坯料从装料炉门口旋转到出料炉门口加热完成，出料机接收到出钢信号后将出料位置上的坯料夹送到出炉辊道上。电机驱动前进／后退，液压驱动上升／下降、夹紧／松开和左右摆动。

二、环形加热炉炉温控制叙述

主要以包钢特钢分公司120生产线环形加热炉为研究对象，此环形加热炉用于将钢管坯从室温加热到1280°C，进行轧制无缝管。本环形炉主要是顶部加热以及侧加热的方式，加热区共分为六个。每个加热区都是通过提供不同的燃料供应量，充分利用热能使钢坯加热到工艺要求温度。本系统是通过助燃空气预热器，预热助燃空气并回收烟气的热量。对于炉温控制系统来说，控制的主要目的是让炉温在允许的范围内波动，并达到充分燃烧。而采取的串级双交叉限幅控制系统，利用的就是无论是在环形炉温度上升或下降时，空气流量可以随时跟踪煤气流量值增减的原理，煤气流量也是同理，从而将空燃比控制在所设定值的误差范围内，同时空气和煤气流量并不能无限加入，需要受到过量燃料和空气过剩界限的限制，使燃料和空气都达到充分燃烧。如果炉内温度低，管坯不能达到工艺要求的温度，这将给下一道工序带来困难，影响产品质量。如果炉内温度高，则会浪费燃料，降低炉龄，增加烧损，甚至造成管坯烧毁和报废。本环形加热炉炉温控制系统中各部分的温度分别控制，各部分的温度设定由操作者在人机界面上输入，温度的设定值由PLC中自带的标准温度PID控制块来输出，该段实际温度作为反馈值由K型热电偶所采集到的，标准温度PID控制块输出空气和煤气流量的初始值。输出的限幅值经由双交叉控制功能块转换而来，作为空气与煤气流量设定值。

三、串级双交叉限幅控制系统

串级双交叉限幅控制系统可视为一个双闭环的串级控制系统，此系统的主回路是炉温调节回路，而次级回路则由煤气流量和空气流量的调节回路所组成。在实际系统中，温度会随着燃料的消耗而不断产生变化，这时系统的参数就会将反馈量与给定值进行比较，从而跟随调整，此时所检测到的空气流量将会使煤气产生一个上限值和下限值，这个值会根据实测值执行空气流量的上限和下限。而当负荷出现增减变化时，燃料流量和空气流量也会会根据变化进行调控，及时做到控制对方相应流量的增减。通过此种方式，使得系统即使在动态条件下，也能使空燃比得到最优控制。串级控制回路系统的优势在于其二次回路的增加能够快速克服扰动的影响，系统的动态性能性能因此被提高了。当有扰动出现时，次回路中的控制变量可以及时检测扰动，并通过二次回路的固定值及时调整操纵变量，从而将受控变量返回到设定值。由煤气流量和空气流量调节与炉温的调节共同构成的串级控制系统中，在两个流量调节的回路中都各有一个高选择器及低选择器，以及许多个操作单元用以便用于交替控制对方的流量。

四、空燃比模糊控制

1.模糊PID控制器原理是找出偏差E和偏差率ΔE与PID的三个参数之间的模糊关系，然后利用模糊规则，在系统控制过程中不断地对偏差进行实时检测并求出偏差率，以此作为依据对三个参数进行及时校对。模糊控制就是通过这种方式来实现对不同控制要求的系统进行独立控制，保证控制对象的动态和静态性能良好。

2.在相同的空燃比下，燃气热值变化往往会对燃烧的效果有较大的影响。但是由于生产厂商的原因，工业气体的热值会实时发生变化。而对于炉温控制系统来说，要保证燃料的充分燃烧，就要随时根据检测到的气体热值的变化及时将空气和煤气的流量比例进行调节。这就需要用到模糊PID控制方式了。首先将厂商提供的煤气的热值作为系统的输入值，而经过了模糊控制器输出就是我们所需要的空燃比了，在这种情况下的模糊控制系统即为单输入单输出系统。

3.作为模糊PID控制方法的第一步，我们先要设定一个论域，选择输入论域尤为重要。在此我们假设理想热值与实际热值之间的差值所在论域，一共为9档。分档后，一个对应的模糊子集便会形成。然后将这个子集里的变化量大致分成七个等级，每个等级就会对应一个所谓的模糊变量，而每个变量便会附上一个相应的隶属函数或模糊子集，如{很小，小，较小，正常，较大，大，很大}等。模糊控制就是利用这个模糊子集来完成的。

总之，采用串级双交叉限幅控制与模糊PID算法的结合，可基本实现对环形炉炉温的优化控制，减少烧损，节约能源。

参考文献：

［1］黄斌．现代环形加热炉的技术特点与节能措施．2018．

［2］陈海耿．浅谈环形加热炉炉温控制系统的研究与设计.2019.