DCS系統(tǒng)在熱風爐控制中的應用

1、DCS系統(tǒng)在熱風爐控制中的應用凌艷莉（煉鐵廠設備室高爐一期點檢組 攀枝花）摘要:攀鋼3#高爐2005年大修后，高爐控制系統(tǒng)采用的DCS是西屋公司的Ovation系統(tǒng)。該系統(tǒng)在總結(jié)4高爐，新3號高爐Ovatin控制系統(tǒng)經(jīng)驗的基礎上,進一步使用了最新技術(shù)成就和算法功能塊，使3#高爐的Ovatin控制系統(tǒng)更加完善可靠。本文以攀鋼3#高爐Ovation系統(tǒng)熱風爐部分的自動控制程序為藍本，簡要介紹DCS系統(tǒng)在熱風爐自動控制系統(tǒng)中的應用，以期對高爐熱風爐的生產(chǎn)操作和設備維護有所幫助。攀鋼煉鐵廠3#高爐現(xiàn)有四座內(nèi)燃式熱風爐，工藝遵從兩燒兩送的送風制度；熱風爐的燒爐過程采用溫度流量串級調(diào)節(jié)控制；各爐之間的燒爐

2、、悶爐，送風的換風控制分為：自動/單爐轉(zhuǎn)換/手動/非常 四種操作控制方式。在整個3高爐Ovation系統(tǒng)中，熱風爐部分獨立使用了2個控制站和1個監(jiān)控站。1 3高爐的Ovation系統(tǒng)的軟硬件介紹1.1 硬件整個3高爐的Ovation DCS控制系統(tǒng)由7個控制站、5個操作員站、1個工程師站和1個OPC服務器構(gòu)成。如（圖1.1-1）所示：每個控制站的配置均為“雙機熱備冗余控制器”和單I/O的配置構(gòu)成。每個操作員站均為單主機配雙顯示器配置，系統(tǒng)約定：210站為1號工長臺、211站為2號工長臺、212站為卷揚操作站、213站為熱風爐操作站、214站為溝下操作站、200站為工程師站、180站為OPC服務

3、器；各控制站和各操作站之間的信息通訊采用雙纜冗余的環(huán)形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，3高爐的Ovation系統(tǒng)中的4、5號控制站負責熱風爐系統(tǒng)的控制和管理。其中：4號站控制1號、2號和3號熱風爐，5號站控制4號熱風爐和余熱回收系統(tǒng)及主干閥門。1.2 系統(tǒng)軟件1. Unix操作系統(tǒng) Solaris 2.8；（180站OPC服務器：采用windows xp sp2 ）；2. Ovation軟件、Power Tools、組態(tài)工具3. Oracle 8.0數(shù)據(jù)庫4. Auto CAD5. Applix報表軟件6. OPC與第三方接口軟件7. 快速以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議2、高爐熱風爐的一般工作原理和控制需求2.1熱風爐是

4、高爐重要的生產(chǎn)設備，為高爐的冶煉提供風量、熱能和調(diào)節(jié)風溫，是高爐能否正常生產(chǎn)、高產(chǎn)的重要保障。內(nèi)燃式熱風爐的工藝如下附圖所示2.2 內(nèi)燃式熱風爐的三種工作狀態(tài)：內(nèi)燃式熱風爐的一般工作狀態(tài)分為燒爐，悶爐，送風三種狀態(tài)。根據(jù)這三種工作狀態(tài)的不同工藝和安全需求，上述13個管道閥門的開閉狀態(tài)也有所不同，如下表所示：2.3 內(nèi)燃式熱風爐的過程控制需求內(nèi)燃式熱風爐的一般工作狀態(tài)分為燒爐，悶爐，送風三種狀態(tài)，這三種狀態(tài)在一個工作周期里一般要經(jīng)歷：燒爐、燒爐轉(zhuǎn)燜爐、悶爐、燜爐轉(zhuǎn)送風、送風、送風轉(zhuǎn)燜爐、悶爐、燜爐轉(zhuǎn)燒爐8個工藝過程。在各工藝過程中，各閥門的動作過程和控制特點如下：2.3.1 燒爐：除F1（冷風閥

5、）、F2（充壓閥）、F9（熱風閥）、F8（氮氣吹掃閥）處于關(guān)閉狀態(tài)外；F3、F4.F13 的其它閥均為全開狀態(tài)；但F11（助燃空氣調(diào)節(jié)閥）和F12（煤氣燃燒調(diào)節(jié)閥）根據(jù)操作臺指令（自動或手動），控制煤氣和空氣流量，實現(xiàn)自動燒爐或手動燒爐。在熱風爐的燃燒控制中，工藝要求一開始先燒拱頂溫度，這時需要合理的空煤比(低過?？諝馊紵?以充分燃燒，在流量調(diào)節(jié)方面由拱頂溫度的輸出作為主調(diào)節(jié)器，在拱頂溫度燒到符合要求的時候轉(zhuǎn)為燒廢氣溫度，對燃燒要求以煤氣過剩(空氣不足的不完全燃燒)的空煤比燃燒，在燒爐的初期希望空氣與煤氣量逐步增加穩(wěn)定的燃燒，燒爐末期則要求空煤量交替減少直至全關(guān)。因此3高爐熱風爐的燒爐過程控制

6、系統(tǒng)采用以拱頂/廢氣溫度調(diào)節(jié)器輸出作為主設定的溫度流量串級比值雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)?？諝饬髁看壴O定的大小由溫度調(diào)節(jié)器的輸出、煤氣量乘以空煤比低選作為其串級設定，在自動燃燒時空氣流量、煤氣流量的控制通過比值控制器互相跟蹤實際流量來實現(xiàn)雙交叉限幅燃燒控制2.3.2 燒爐轉(zhuǎn)悶爐A關(guān)閉煤氣、空氣調(diào)節(jié)閥，當煤氣調(diào)節(jié)閥位關(guān)到位時關(guān)閉煤氣切斷閥、開氮氣吹掃關(guān)煤氣燃燒閥關(guān)空氣閥關(guān)閉1、2煙道閥開排壓閥2.3.3 悶爐A：除F13（排壓閥）為全開狀態(tài)外;其余的F1、F2.F12 均為全關(guān)狀態(tài)；F13（排壓閥）打開，其目的是為了確保燒爐完畢的熱風爐的爐內(nèi)壓力接近常壓，不至于出現(xiàn)過壓情況；悶爐A的工藝目的主要是

7、使熱風爐爐內(nèi)各部溫度逐步趨于均衡，提高熱交換效率和延長熱風爐壽命。2.3.4 悶爐A轉(zhuǎn)送風：首先關(guān)閉F13（排壓閥），系統(tǒng)確認30S后開30%F2（充壓閥），230S后開50%，320S后開到100%，當該爐冷風閥前后壓差小于5KPa時開熱風閥與先行爐并行送風，然后開冷風閥關(guān)閉充壓閥轉(zhuǎn)換至送風狀態(tài)。2.3.5 送風：除F2（冷風閥）、F9（熱風閥）處于全開狀態(tài)外，其余閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)自動控制模型實現(xiàn)自動或手動送風及換爐（即送風轉(zhuǎn)悶爐）2.3.6送風轉(zhuǎn)悶爐首先關(guān)閉F1（冷風閥），再關(guān)閉F9（熱風閥），當熱風閥關(guān)到位極限發(fā)出后，開啟F13（排壓閥），當爐內(nèi)壓力降至接近常壓后關(guān)閉F13（排壓

8、閥），轉(zhuǎn)入悶爐。2.3.7 悶爐：該過程本爐所有閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。2.3.8悶爐轉(zhuǎn)燒爐當煙道閥前后壓差低于5KPa時，開F3、F4（煙道閥），關(guān)閉排壓閥，開F5（空氣燃燒閥），開F6（煤氣燃燒閥）、開F7（煤氣切斷閥）、最后根據(jù)自動控制模型空氣調(diào)節(jié)預開10，煤氣調(diào)節(jié)與空氣調(diào)節(jié)互相跟蹤交叉限幅上升進行燃燒控制，3、3高爐熱風爐的1324的換風制度3.1 對單座熱風爐而言，熱風爐的工作過程是燒爐期（積蓄熱量）和送風期（釋放熱量）交替循環(huán)的過程，燒爐時間長（積蓄熱量多）對提高風溫有利，但如果時間過長，則會造成廢氣溫度升高，熱量損失過大，爐體壽命受影響；燒爐時間過短，則熱風爐蓄熱不夠，影響送風時間不能

9、正常確保和風溫質(zhì)量。送風時間過長，熱風爐輸出的熱量少，對提高風溫不利。過短，又會造成蓄熱利用不充分，再次燒爐廢氣升溫過快。由此可看出，燒爐期和送風期，對確保送風質(zhì)量和提高風溫是二者相互影響，相互制約的關(guān)系；對每座高爐的熱風爐系統(tǒng)而言，根據(jù)每座高爐所配置的熱風爐座數(shù)，有效蓄熱面積，燃燒效率，合理控制高爐的換風制度制度，對保證熱風爐設備安全，充分發(fā)揮熱風爐設備潛力，努力提高送風質(zhì)量，確保高爐對風溫、風量的要求，有十分重要的意義。故3高爐4座熱風爐采用兩燒兩送，先送先撤的換風制度，設計的自動換爐程序。如下表所示：3.2 從熱風爐和高爐的地理位置布置上看，一般熱風爐和高爐的布置均為不對稱分布，或在高爐

10、的左面、或在高爐的右面，這就必然形成每座熱風爐至高爐的實際送風路徑有長有短，阻損有大、有小。為確保燒爐和送風過程的對稱性，努力減小在燒爐期和送風期，對工藝操作的影響；3高爐4座熱風爐的自動換爐程序采用了 1324的換爐制度。4、熱風爐的四種控制操作方式的描述：根據(jù)工藝要求，3高爐的熱風爐系統(tǒng)的控制操作方式分為：自動/單爐轉(zhuǎn)換/手動/非常 四種操作控制方式。4.1 自動控制模式下：熱風爐系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設定風溫和風量要求，按照1324的換爐制度，自動實現(xiàn)熱風爐的換爐控制，各工藝閥門按預訂的邏輯控制順序和要求，自動開啟和關(guān)閉；同時具備關(guān)鍵條件點的自動監(jiān)測與異常報警；4.2 單爐轉(zhuǎn)換控制模式：操作員對單

11、座熱風爐發(fā)出換爐指令，系統(tǒng)自動將該爐轉(zhuǎn)換到指定的狀態(tài)。該方式?jīng)]有各爐之間的工藝連鎖（送風轉(zhuǎn)休止時除外），只有各閥門之間的工藝連鎖和各閥門自身的設備連鎖。由操作人員在“單爐工藝畫面上”分別點擊相應的“燒爐”、“悶爐”、“送風”按鈕來實現(xiàn)該爐的工藝控制目的（該爐所屬的各部閥門，按相應工藝狀態(tài)的自動連鎖條件，實現(xiàn)自動切換）。4.3 手動控制模式：當熱風爐操作控制模式選中手動時，在相關(guān)的操作面板上，人工手動實現(xiàn)該設備的切換；該方式有各閥門之間的工藝連鎖和各閥門自身的設備連鎖.4.4 非常控制模式：當熱風爐操作控制模式選中非常時，各部設備無任何連鎖條件，在相關(guān)的操作面板上，人工手動實現(xiàn)該設備的切換；5、

12、3高爐熱風爐的燃燒過程控制在熱風爐的燃燒控制中，工藝要求一開始先燒拱頂溫度，這時需要合理的空煤比(低過?？諝馊紵?以充分燃燒，在流量調(diào)節(jié)方面由拱頂溫度的輸出作為主調(diào)節(jié)器，在拱頂溫度燒到符合要求的時候轉(zhuǎn)為燒廢氣溫度，對燃燒要求以煤氣過剩(空氣不足的不完全燃燒)的空煤比燃燒，在燒爐的初期希望空氣與煤氣量逐步交替增加穩(wěn)定的燃燒，燒爐末期則要求空煤量交替減少直至全關(guān)。因此 ，采用溫度流量串級比值雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)，以拱頂/廢氣溫度調(diào)節(jié)器輸出作為主設定，空氣流量串級設定的大小由溫度調(diào)節(jié)器的輸出、煤氣量乘以空煤比低選作為其串級設定，在自動燃燒時空氣流量、煤氣流量的控制通過比值控制器互相跟蹤實際流量來實

13、現(xiàn)雙交叉限幅燃燒控制。5.1系統(tǒng)框圖如下（圖 3 ）所示：5.2控制系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及正、反作用的選擇5.2.1主副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇針對熱風爐燒爐過程控制的主要對象是拱頂溫度和廢氣溫度，主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，一般要求無余差，故主調(diào)節(jié)器選擇為PID調(diào)節(jié)器；副回路調(diào)節(jié)器控制的是流量，因為流量對象的時間常數(shù)和滯后都很小，考慮副回路單獨工作時要求穩(wěn)定，對副回路調(diào)節(jié)器引入積分和微分作用，副回路調(diào)節(jié)器也采用PID控制器?？紤]增量式PID的優(yōu)點，在PID算法選型上選擇增量式PID算法，Ovation系統(tǒng)Algorithms（算法庫）提供功能強大的PID算法，該算法在串級、條件跟蹤、手/自動切換方

14、面及參數(shù)整定方面都很完善，可以很好對過程量進行控制。5.2.2主副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇在主控制器的選擇方面，考慮到熱風爐燃燒控制時拱頂溫度在煤氣過剩時將會降低，廢氣溫度在空氣量過剩時會降低的因素，主作用對象拱頂溫度、廢氣溫度都屬于反作用對象，調(diào)節(jié)閥選用的是EIM系列隨動步進式電機屬于正作用調(diào)節(jié)閥，根據(jù)自動控制原理KCKVKOKM0實現(xiàn)負反饋的原則，已知KV0, KO0；得KC0，得KC0,副回路調(diào)節(jié)器選擇為反作用調(diào)節(jié)器6、結(jié)束語 對于較復雜的工藝要求，控制系統(tǒng)的先進與否決定了控制質(zhì)量的高低，目前3高爐熱風爐的自動控制采用的Ovation系統(tǒng)是目前世界上先進的DCS控制系統(tǒng)；它有著在數(shù)字量邏輯控制方面比較完善和強大的順序控制功能，系統(tǒng)提供Control Builder 與CAD13相結(jié)合編制Sama