趙希坤

作者通聯(lián)：濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司冷軋板廠自動(dòng)化部 濟(jì)南市工業(yè)北路21號(hào) 250101

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濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司冷軋板廠酸再生工藝采用直接焙燒法，將來自酸洗線的廢酸液預(yù)濃縮后，從焙燒爐頂噴入爐內(nèi)加熱脫水，經(jīng)高溫產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)分解成Fe2O3（粉狀）和HCL氣體。其中HCL氣體和燃燒廢氣經(jīng)預(yù)濃縮器到達(dá)吸收塔，吸收塔頂部噴灑的漂洗水和HCl氣體反應(yīng)生成再生酸。焙燒爐溫度控制相當(dāng)重要，實(shí)際生產(chǎn)中爐溫要保持在650℃時(shí)進(jìn)行酸操作，溫度過高會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞爐體保溫材料，反之化學(xué)反應(yīng)不充分，生成的氧化鐵粉殘存氯離子、水分超標(biāo)、鐵紅潮濕結(jié)塊，堵塞輸送系統(tǒng)管道。

一、存在的問題

焙燒爐溫度控制模型采用單閉環(huán)PID控制（圖1）。系統(tǒng)假設(shè)煤氣管道壓力恒定，則管道閥門開度對(duì)應(yīng)一定煤氣流量，因此只需測量實(shí)際爐溫并和爐溫設(shè)定值進(jìn)行比較，利用兩者偏差以PID控制規(guī)律調(diào)節(jié)煤氣管道閥門開度，保持爐溫恒定。單閉環(huán)PID控制系統(tǒng)硬件連接見圖2。

圖1 單閉環(huán)PID 控制框圖

圖2 單閉環(huán)PID控制系統(tǒng)硬件連接

由于酸再生焙燒爐投運(yùn)以來始終和退火機(jī)組共用一根煤氣管道，而退火區(qū)域罩式爐數(shù)量較多，點(diǎn)爐和停爐動(dòng)作頻繁，煤氣管網(wǎng)壓力和流量經(jīng)常出現(xiàn)大幅波動(dòng)。TC只控制煤氣調(diào)節(jié)閥，對(duì)于流量沒有任何控制措施，實(shí)際上對(duì)于同樣閥位，隨著煤氣壓力變化，煤氣流量必然發(fā)生變化，最終引起爐膛溫度改變。由于系統(tǒng)只有檢測出爐溫偏離設(shè)定值，才能進(jìn)行控制，但此時(shí)已經(jīng)控制滯后[1]，造成爐內(nèi)溫度大幅波動(dòng)，生產(chǎn)狀態(tài)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響酸再生機(jī)組正常生產(chǎn)。

二、溫度控制系統(tǒng)改造

1.溫度控制模型

采用串級(jí)溫度控制系統(tǒng)（圖3），副環(huán)起粗調(diào)作用，主環(huán)實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。主、副環(huán)均有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象、測量變送元件和調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器具有獨(dú)立設(shè)定值，其輸出作為副調(diào)節(jié)器設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則送到調(diào)節(jié)器去控制生產(chǎn)過程[2]。

圖3 串級(jí)控制框圖

串級(jí)控制比單閉環(huán)控制多1個(gè)測量變送元件和1個(gè)調(diào)節(jié)器，儀表投資不多但控制效果顯著。冷軋板廠焙燒爐溫度控制，主環(huán)為溫度控制系統(tǒng)，副環(huán)為流量控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)均可采用原設(shè)計(jì)的西門子PLC提供的PID調(diào)節(jié)功能塊實(shí)現(xiàn)主調(diào)和副調(diào)，不必增加新控制器，節(jié)約成本。

2.控制回路

焙燒爐溫控系統(tǒng)硬件連接見圖4。為及時(shí)檢測、控制氣體壓力、流量、熱值等可能引起被控量變化的因素，爐溫控制系統(tǒng)保留溫度主控制回路，增加煤氣流量副控制回路。為獲得良好燃燒效果，提高焙燒爐熱效率，增加空氣流量副控制回路，使操作人員可根據(jù)不同的煤氣熱值設(shè)置不同的空煤比K（HMI界面給定），調(diào)節(jié)空氣流量，保證煤氣充分燃燒。

圖4 改造后的爐溫控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)以焙燒爐溫度為主控參數(shù)，以煤氣流量、助燃空氣流量為副控參數(shù)，閥門開度為調(diào)節(jié)量。TC控制器的輸入為爐膛溫度設(shè)定值（HMI界面給定），F(xiàn)C1的輸出直接控制煤氣比例閥。煤氣實(shí)際流量與空煤比的乘積作為FC2的輸入，F(xiàn)C2的輸出直接控制空氣比例閥。

3.檢測回路

實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓力、溫度變化時(shí)氣體體積亦會(huì)發(fā)生變化，造成氣體密度變化。由于孔板流量表只檢測流過氣體的體積，這樣會(huì)出現(xiàn)在不同壓力、溫度條件下，同樣氣體流量對(duì)應(yīng)氣體質(zhì)量不同，導(dǎo)致檢測信號(hào)與真實(shí)值存在偏差。為此必須對(duì)檢測值進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，在檢測回路增加2個(gè)熱電阻和壓力表，分別測量煤氣和助燃空氣的溫度和壓力，PLC程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算功能。根據(jù)氣體流量方程，采用如下補(bǔ)償公式。

式中F——補(bǔ)償后的實(shí)際流量，m3/min

F1——儀表檢測流量，m3/min

p1——?dú)怏w實(shí)際壓力，Pa

t1——?dú)怏w實(shí)際溫度，℃

p0——孔板設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)壓力，Pa

t0——孔板設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)溫度，℃

4.硬件組態(tài)

主控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列PLC，主要硬件見表1，硬件組態(tài)見圖5。上位監(jiān)控站是DELL臺(tái)式機(jī)，配置軟件為SIMATIC WinCC V6.0 SP3，用于全線生產(chǎn)管理，如設(shè)定和顯示工藝參數(shù)，顯示流程畫面，打印報(bào)表，記錄日產(chǎn)量和故障等，上位機(jī)采用以太網(wǎng)接口，通過西門子CP443網(wǎng)卡和PLC通信。遠(yuǎn)程控制站由西門子ET200及相應(yīng)的DI、DO、AI及AO模塊構(gòu)成，遠(yuǎn)程站與PLC之間通信網(wǎng)絡(luò)采用開放式通信協(xié)議Profibus-DP，通信速率為1.5Mbps，保證系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，精確實(shí)現(xiàn)爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)。

表1

5.軟件編程

利用S7的功能塊編寫程序，實(shí)現(xiàn)主、副回路之間溫度串級(jí)控制。為提高CPU運(yùn)行效率，系統(tǒng)采用模塊化編程，并將PID運(yùn)算程序放在循環(huán)中斷組織塊OB32中，程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖6。在定義中斷時(shí)間間隔時(shí)，必須保證兩次循環(huán)中斷之間有足夠時(shí)間處理循環(huán)中斷程序，根據(jù)現(xiàn)場測試此處將中斷間隔設(shè)置為1500ms。

圖5 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

圖6 程序結(jié)構(gòu)

PID控制在操作模式改變時(shí)，為使控制器輸出值不會(huì)突變，增加手動(dòng)到自動(dòng)的無擾切換功能[3]。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，將手動(dòng)設(shè)定值MAN設(shè)置為PID的輸出值LMN，即手動(dòng)設(shè)定值一直跟隨PID輸出，這樣系統(tǒng)由自動(dòng)切換為手動(dòng)時(shí)，手動(dòng)設(shè)定值與輸出值一致，不會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)；同理，當(dāng)系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí)，令自動(dòng)設(shè)定值SP_INT跟隨實(shí)際反饋值PV，這樣系統(tǒng)由手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，自動(dòng)設(shè)定值與實(shí)際值相等，系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)。

改造后的焙燒爐溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)節(jié)奏加快，機(jī)組事故率減少。

1 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1999

2 殷紅.采用串級(jí)控制系統(tǒng)可有效地提高調(diào)節(jié)品質(zhì)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2002（8）

3 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005