工业炉自动化系统的应用分析.pdf

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1、V 0 1 2 8N o 1 J a J l 2 0 0 6 文章编号：1 0 0 1 6 9 8 8 ( 2 0 0 6 ) O l 0 0 2 1 0 3 工业炉自动化系统的应用分析 黄忠柱 ( 北京兴达奇热工控制设备有限公司，北京1 0 0 0 5 4 ) 摘要：针对目前工业炉自动化系统配置差距较大的情况，结合工程实际及用户的心理和需求，详细介绍了工业炉 自动化系统的应用情况和合理自动化系统选型及基本原理。 关键词：工业炉；自动化控制；应用 中图分类号：T K 3 2文献标识码：B A I 翰l y s i sa n dA p p l i c a t i o no fA u t 0 珈I

2、 a t e dS y s t 哪f o rh l d l J s t r i a lF u 嘞c e H U A N GZ h o n 乎z l l u ( 彬，! g 皿昭岫i 舰耐面副n e e 一，l gC 0 m r o f f 吆功u 咖僦mc 0 上府，彬昭1 0 0 0 5 4 ，吼锄) A b s 咖c t ：A i m e da tt l l ed i f f e r e n c eo f 山ea u t o H l a t e ds y s t e mf o ri n d u s t r i a lf u m a c e ，t l eu s e r sr e q u i

3、r e I n e n ta J l d t l ep E a c t i c e ，t h e 印p l i c a t i o no ft l l e 肌t o m a t e ds y s t e mf b ri n d u s t r i a lf u m a c e ，c h o o s i n g 出e 打曲te q u i p H l e ma n dt l e b a s i cp r i n c i p l ea r ei n t I D d u c e d K e yw I D r d s ：i n d u s t r i a lf u m a c e ；a u t 叫m

4、t e dc o n t r o l ；印p l i c a t i o n 在冶金、机械及陶瓷行业中应用着多种工业炉， 例如各种加热炉( 步进式、推钢式、台车式、室式等) 、 热处理炉( 台车式、井式、连续式、室式等) 、梭式窑、 隧道窑等。由于工艺、资金、操作工素质、项目的承 包形式的不同，用于给工业炉配置的控制系统也相 差甚远。有的系统配置过大，增加了投资。有的系 统配置不足，失去了很多记录及显示的功能。有些 炉子的空燃比仍然采用手动配比，这些均不可取。 1 应用现状 工业炉是一个非线性系统，有其非线性特征，由 于供热方式、加热方式、炉型结构以及工艺参数的多 样性，导致工业炉自动化的多样

5、性。目前作为钢铁 强国的日本、美国等已将专家系统和模糊控制技术 应用于轧钢工业炉的燃烧控制，并已经取得了显著 收稿日期：2 0 0 5 1 1 0 6 作者简介：黄忠柱( 1 9 r 7 3 一) ，男，高级工程师，主要从事工业炉窑 自动化控制系统的研究、开发及应用工作 的经济效益。我国在此方面也进行了大量的研究， 投入了不少的资金，但成功的很少，只在少数钢厂得 到了应用。在加热炉温度控制的数学模型方面，国 外已有较多成功案例，他们采用傅里叶方程计算加 热炉内钢坯的实际加热状态，并给出了相应的数学 模型公式。我国最近几年的项目实施过程中也提出 建模的要求，如三明钢厂、承钢等，但由于多种原因，

6、均没有实施。极少数已经建模的加热炉因运行不太 稳定，以及整个工厂的自动化水平跟不上，而没有达 到设计前的要求。国内绝大多数的轧钢工业炉仍然 采用传统的交叉限幅调节实现炉温的连续控制。少 数大型加热炉和不少的热处理炉，特别是高热值燃 气的加热炉和热处理炉已经采用脉冲控制，并取得 了很好的效果。 目前的工业炉自动化控制系统，特别是大型的 步进式加热炉基本上均采用两层控制。第一层为操 作层，采用至少两台上位机。第二层为控制层，采用 至少两套现场控制站。这种大型的加热炉虽有较大 的自动化系统，但系统的配置，包括现场仪表的质量 仍然相差较大。机械、锻压行业的炉子较小，对自动 2 1 万方数据 化系统的要

7、求并不高，但各家的自动化系统配置相 差也太大。有的配置了P L C 、上位机，采用了先进的 空燃比控制，拥有较好的现场仪表。而有的则采用 全手动控制，甚至连空气和燃气的配比也靠操作工 的手动操作，系统没有任何的安全保护措施，更谈不 上控制的精确了。也有一些技术实力较强的单位采 用了较经济实用的、简单的控制系统。用微型P L c 做电气、安全连锁、完成燃气主管切断、超温报警等 功能，用数显表、触摸屏或记录仪显示记录各种重要 参数。这是值得提倡的自动化系统配置方案。 另外，二次仪表的选型也参差不齐，质量和价格 差距相当大，具体系统配置根据项目的具体情况以 及业主对系统的要求和资金情况而定。 2 国

8、内外自动化系统的应用 目前，全世界P L C 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多种产品。国内P L C 市场仍以国外产品为主，如 S i e m e n s 、M o d i c o n 、A B 、0 M R O N 、三菱、G E 的产品。经 过多年的发展，国内P L C 生产厂家约有3 0 多家，但 都没有形成颇具规模的生产能力和品牌效应，可以 说，国产P L C 在我国还没有得到广大用户的认可。 集散控制系统国外D C S 产品在国内市场中占 有率还较高，其中主要是H o n e y w e l l 和横河公司的产 品。主要用于化纤、乙烯、化肥等大型项目。经过长 时间的开发与

9、研究，国内一些厂家( 例如北京和利时 公司、浙大中控公司等) 也生产和运行了一批D c s 产品。这批企业研制生产的D C S 系统价格相对较 低，但还缺乏用户对产品的信任。因此，他们的市场 占有率还较低。 经过5 0 多年的发展，我国仪器仪表工业已有相 当基础，初步形成了门类比较齐全的生产、科研体 系。但目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低档 水平，高档、大型仪器设备大多依赖进口。中档产品 以及许多关键零部件也依赖国外的技术。国产的、 合资的、进口的现场仪表的价格和质量也相差甚远。 现场总线技术的发展，促进了现场仪表的智能 化、控制功能分散化、控制系统开放化，提高了系统 的数据传送速率，增加

10、了自动化系统的稳定性，这符 合我国工业控制系统的技术发展趋势。 3 工业炉自动化系统的选型分析 工业炉自动化控制系统亦称工业炉基础自动 化，系统的大小根据炉型、炉子大小而定，一般包括 2 2 电气自动化、燃烧自动化和冷却自动化。对大型的 步进式加热炉，以上系统不可缺少，对小型的加热 炉、热处理炉来说，电气自动化内容就很少了，主要 是燃烧自动化系统。 在工业炉自动化系统中有的也用国外的D C S 系统，( 如宝钢1 5 8 0 热轧加热炉用的是横河u x L 系 统、马钢三烧用的是H 0 n e y w e l lS 9 0 0 e 系统，石家庄钢 铁公司中型厂用的是A Bh l a n c e

11、 2 0 0 0 系统) ，但占有 量很少。我国大量投产的工业炉仍采用P L C ，这既 满足了工艺对自动化系统的要求，又节省了工程造 价，而且能很好地完成工艺参数的采集、控制与通讯 功能。发展这种结构的自动化系统将是大势所趋。 在一些小的加热炉、热处理上采用的智能仪表 完成控制，也就是通常说的手动控制，其它的安全连 锁则靠继电器电路完成。如此配置主要是考虑系统 造价和操作员的使用。殊不知，低档温度控制器根 本没有通讯接口，即便有，也是R S 2 3 2 和R S 2 5 8 。带 开放式工业总线( 如P R O F I B U S D P 等) 的温度控制 器价格并不低。这样的配置导致整个工

12、厂的热工制 度管理不顺畅，对整个车间或工厂集中控制的实施 带来了很大的工作量。虽然上位机组态软件很多， 国内也比较成熟，但温控表本身的R S 2 3 2 或R S 2 5 8 驱动程序组态软件和温控表的生产厂家均不提供， 必须由系统集成厂家自己开发。 P L c 厂家的产品系列很多，有适合于大、中、小、 微型的系统。同时P L C 厂家的功能模块也非常丰 富，如温度控制模块、计数模块、定位模块、通讯模块 等。其中温度控制模块的功能并不比常规的温控器 差，甚至更强一些。中、小、微型的系统的成本并不 高。同时，P M 完成逻辑控制也非常方便、可靠，减 少了系统接线，并可以完成非常复杂的逻辑控制。

13、另外，P L C 还具有强大的通讯功能，可以非常方便和 可靠地组成车问热工集中控制系统以及整个工厂的 自动化管理。P L C 的功能完全可以取代二次仪表， 包括温控器等。 对于系统的操作，可以利用人机界面完成。国 内外均已开发出一批具有实时监控、过程优化控制 等功能的成套应用软件，通过集成商的二次开发完 全可以达到满足用户要求的界面。 再好的自动化系统离不开质量可靠的现场仪 表。我国仪器仪表生产厂家很多，但质量与进口的 和合资生产的比，还有差距。主要是某些厂家的产 品偷工减料、粗制滥造，质量不可靠。国营大厂的产 万方数据 品、合资工厂生产的产品一般质量比较可靠，寿命也 较长，但价格也较高。用户

14、要根据具体情况进行 选择。 4 工业炉自动化系统的控制方式 为了保证向轧线输送合格温度的钢坯，为了按 工艺要求改变工件的内部组织结构，为了提高产量、 成品的合格率和降低能量消耗，良好的自动化系统 在工业炉中是非常重要的。在高速度、高产量要求 的工业炉和特殊的工况中，如换向控制和上料、出 料、步进等机构靠人工操作几乎是不可能完成的。 不同的炉型和工艺要求决定了与工业炉配套的 自动化系统的不同，系统结构不同、配置不同，资金 投入也相差甚远。 目前有两种控制技术运用于工业炉中，一是连 续控制技术；二是数字控制技术。 4 1 连续控制 连续控制主要用于传统的大型工业炉和蓄热式 工业炉。这类型的工业炉大

15、多数是利用交叉限幅的 原理实现温度控制。空、燃比是通过调节空气调节 阀和燃气调节阀实现的。还有一种连续控制技术是 通过调节空气流量，利用专用的空、燃比例阀，使燃 气流量随空气的压力的变化而变化的。这种控制方 式在高热值燃气的小型工业炉上用得较多，在大型 的步进式加热炉和热处理炉也有相当成功的应用。 它的核心技术是空、燃比例阀( 目前仍依赖进口) 、以 及相应的安全保护措施。随着国家能源结构的调整 和天然气用户的增加，利用此控制技术的用户必定 越来越多。 传统的工业炉利用空气换热器将空气预热到 4 0 0 以下，将炉膛分段或分区，蓄热式工业炉利用 蓄热体将空气或燃气( 低热值) 预热到l0 0

16、0 左 右，将炉膛分段，与传统的工业炉自动化控制相比， 多了换向控制。 低热值的燃气一般多采用连续控制。对高热值 的燃气可以采用最新的数字技术实现炉温的控制。 4 2 数字化控制技术 运用数字化技术的工业炉有两个基本特征，一 是靠空燃比例阀进行配比，二是采用脉冲控制。数 字化的燃烧技术是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧 的时间来控制炉子温度的，并且每个烧嘴可以进行 单独的调节和控制。烧嘴何时点燃是由脉冲控制器 控制的，而烧嘴的燃烧时间是由设定温度和炉子实 际温度的偏差值决定的。这种控制方式的动态性能 好、控制温度波动小、节约燃料，目前已经得到广泛 的重视和应用。因烧嘴频繁的点燃和熄灭，这就要 求烧

17、嘴控制器和烧嘴有快速的反应能力。当烧嘴控 制器检测不到火焰时，便将相应的燃气阀门切断，我 国自上世纪9 0 年代初开始引进这种新技术，经实际 应用验证，效果很好，比传统的控制方式有许多优 点，具有很好的推广价值。目前，国内相应的技术和 设备还不是很成熟，主要设备仍依靠国外品牌，德国 K R O M 公司的产品在国内基本得到用户的认可，只 是价格仍然居高。 在燃料热值较高的情况下，使用少量的的燃料 就可以满足加热工艺的需要，燃料和空气的流量均 比较小。输送燃料的管路的截面也较小，如果采用 传统的连续控制方式，控制燃料和空气的蝶阀就要 做得较小，导致蝶阀工作在非线性死区。而控制系 统的响应能力无法

18、满足流量的变化的需要，因此控 制的温度误差较大。为了解决这些问题，数字化的 燃烧技术产生了。要很好地实现数字化的燃烧技 术，充分发挥数字化燃烧技术的优点，所用的烧嘴、 烧嘴控制器，点火变压器，空、燃比例阀的工作性能 均应与之配套。 5 经济的工业炉自动化系统的结构与配置 经济实用的工业炉自动化系统的结构与配置， 如图1 所示。 田1 工业炉i 础自动化基本配置 不同的炉型、不同的工艺、不同的业主要求均可 以参照以上的系统配置，只是增加或减少上位机或 P L C 站的数量。这即适用于某一台大型的步进式加 热炉，又适合多台或单台小的室式加热炉。最终可 以实现集中控制、分散管理。 ( 下转第3 2

19、页) 2 3 万方数据 经验交流：蓄热式燃烧技术在加热炉上运用的探讨 漏至排烟管道不可避免。煤气在系统内部泄漏除增 加煤气损失外，一般不会产生安全问题，因为排烟管 道内的烟气温度通常小于2 5 0 ，在此温度下高炉 煤气是不易着火的。但是，一旦蓄热室出现排烟异 常，泄漏至排烟管道的煤气可能被点燃，这是十分危 险的。国内发生过排烟管道内爆燃的情况。排烟管 道内产生爆燃的因素主要是排烟温度过高，其次为 炉内可燃气未完全燃烧，再者就是换向阀的内泄。 蓄热室的密封也存在比较大的问题。无论烧嘴 式或通道式都留有蓄热体的装卸口。装卸口的密封 状态直接影响到炉子周围环境的安全。笔者考察了 几家蓄热式炉，几乎

20、所有的制造厂商都没有对装卸 口的密封作特别处理，仅在安装说明中指出用某种 填料而已。实际使用中即使安装人员有十分丰富的 经验，也难保没有煤气泄漏。 另外就是炉体的密封。烧嘴式蓄热室直接安装 在炉体上，炉体与烧嘴虽然浇注在一起，但毕竟是两 种材料，长时间运行后炉墙开裂，高温烟气或煤气可 能会顺裂纹蔓延，在炉外形成火焰，烧坏炉外设备， 护泸护护泸驴泸 甚至影响炉子钢结构。通道式蓄热室设在炉底两 侧，蓄热室周围从底部到上部温度梯度很大，底部温 度较低，浇注耐材不易烧成，炉子运行一段时间后蓄 热室周围耐材容易出现裂纹。高温烟气和煤气同样 可能从这些裂纹外溢。因此蓄热式加热炉的炉体钢 板在必要处应完全密

21、封焊接，但仍要适当考虑预留 膨胀缝。要确保炉子长期可靠运行，还要注意减少 停炉次数，维护好炉体耐材的整体性。 6 结束语 新的高炉煤气蓄热式燃烧技术将蓄热室小型化， 应用于轧钢加热炉，大大降低了冶金企业的能耗，是一 种节能、环保的技术，因而被广泛应用。但是，应当看 到这项技术的运用还不十分完善，还有许多的问题亟 待热工技术人员作进一步研究。特别是蓄热式燃烧的 机理、蓄热室内的热交换、气体通过蓄热室时的流动特 性等基础研究，都有待于加强。只有在形成一系列成 熟蓄热式燃烧理论的基础上，才有可能设计出节能、低 污染、高效率且运行可靠的蓄热式加热炉。 ( 上接第2 3 页) P L C 系统可以方便、

22、可靠地完成复杂的逻辑和 数学运算，并有丰富的功能模块，如温度扩展模块、 闭环控制模块、定位模块、高速运算模块等。还拥有 多种开放的通讯协议，而且能采用O 扩展和分布 式结构。 上位机可以方便地通过工业以太网或现场工业 总线和P I 系统以及轧线、调度、车间集中控制系 统、全厂一体化控制系统联网。 对大型的步进式加热炉、热处理炉，P M l 可以 作为燃烧自动化系统，上位机1 作为该系统的人机 接口。P L C 2 可以作为电气自动化系统，上位机2 作 为该系统的人机接口。P M 3 可以作为冷却自动化 系统( 汽化冷却) ，上位机3 作为该系统的人机接口。 对推钢式加热炉，一般用的是水冷，电气

23、控制也 比较简单，用一套P M 和一套上位机即可。这种典 型的自动化系统结构适合大部分的工业炉窑。 对室式加热炉、小型的热处理炉，为了节省投 资，可以取消上位机，增加仪表盘，利用温控表完成 炉温控制。利用记录仪记录热工参数，并用一套小 3 2 型的P M 完成炉子的安全逻辑连锁以及热工参数 的数据采集，为集控系统提供通讯接口和各种参数。 如果一个车间或整个工厂有多台规模较小的炉子， 每台炉子最好设置一套相对独立的自动化系统，而 且每个系统又能通过工业总线联网，使整个工厂实 现一体化管理。这种方案造价并不高，但非常实用， 它克服了继电器的复杂线路连锁，增加了系统的安 全性能，能提供炉子的所有技术参数。 对蓄热式工业炉，一般把换向系统单独用一套 P L C 控制，其它可以再按上述规则配置。 6 结语 由于P M 、计算机、组态软件产品的多样性及可 靠性，无论是常规的工业炉，还是蓄热式工业炉；无 论是步进式加热炉，还是推钢炉、室式加热炉、热处 理炉；也无论是连续控制的，还是脉冲控制的，P M 加人机界面的系统配置，是目前最经济实用、方便可 靠、集成一体的工业炉自动化系统配置方案。 万方数据