热风炉自动控制系统的分析与实践

 1 研究背景
热风炉系统主要是给高炉燃烧输送热风。当前我国钢铁厂的热风炉控制系统主要采用编程控制器（PLC）和过程控制器（或集散系统）分别完成对电气与仪表的控制。当前热风炉系统主要存在如下主要问题：
1.1 自动化控制系统在设计上的不合理 由于大多数系统采取可编程控制器和过程控制器（或集散系统）分工协作共同完成。就造成了如下缺点：为了将各部分整合成相对统一的系统，就要投入大量的时间与财力来对各种类型的软件和用户接口进行相应的编程，配制，测试与调试。这样的控制系统变得复杂并增加了后期维护的难度。
1.2 热风炉燃烧控制方面的问题 传统的高炉热风炉燃烧系统计算燃烧所需的煤气流量和助燃空气流量主要依据流量设定数学模型，并算出空燃比。热风炉流量数学模型是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求，从而获得更好的经济效益。热风炉是一个持续燃烧的动态变化过程，很难及时获取其控制作用的相关信息，通过输出测量得到其效果时，有明显的控制滞后性。故此，想要实现对燃烧过程的及时控制，该数学模型就会相当复杂。另外，燃烧高炉煤气或焦炉煤气的三眼燃烧器的热风炉来讲，因为高炉煤气与焦炉煤气是分别送入，这就需要分别对高炉煤气和焦炉煤气的流量进行单独控制，还要对高炉煤气与焦炉煤气流量进行相应的比例控制，这使得系统纷繁复杂，还要配备煤气成分分析仪，这种仪器价格不菲，维护与保养也需要非常到位。此方面问题亟待解决。
2 热风炉的自动化控制的要求与方法
2.1 热风炉工艺流程及工艺控制的要求 将由冷风总管送来的冷风，经热风炉送风系统阀门后，送至热风炉加热后，再送到高炉，是热风炉的主要共走任务。热风炉的三种工作状态是：燃烧、送风状、闷炉工作。上述三种状态之间的转换过程叫做换炉过程。而换炉是热风炉操作过程中最基本的工作过程。在换炉时，要确保整个热风炉系统向高炉不间断送风，并保证进入高炉的风量、风压平稳，减少波动，另外煤气安全也是我们需要注意的。
2.2 高炉热风炉仪表控制方面的要求 ①检测并控制好助燃空气总管压力。②检测和控制煤气总管温度及压力。③燃料与燃烧方面的控制。④燃烧时混风温度方面的控制。
2.3 热风炉燃烧过程中的智能控制 通常热风炉燃烧使用的燃料为焦炉煤气，高炉煤气，这两种燃料进入热风炉的燃烧室后，在燃烧混合器内进行充分混合，再与助燃空气通过陶瓷烧嘴进行燃烧。通常热风炉的燃烧时间为110分钟左右，炉体温度达1050度左右，拱顶温度最高不得超过1350度。通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值（空燃比）来实现对于热风炉燃烧控制。煤气流量、空气流量、空燃比、拱顶温度和废气温度等几方面是基础完善的自动化热风炉的最主要几方面的控制。
2.4 混风温度控制的主要方案
2.4.1 混风温度方面控制的要求 送风温度要保持在1000℃，并且波动不能太大，这样才能保证高炉相对稳定的工作。由于开始送风时的风温要保持较高标准，所以设置手动回路是要预置一个大的开度，以保证能送入较多的冷风。风温达到可以使用PID调节时，转换为自动的PID调节模式。
2.4.3 混风温度控制方面的策略 热风炉混风温度控制的工艺情况（见图4），单座热风炉阶段时间送风后，会造成热风温度下降，此时，第二座热风炉转换为送风，第一座热风炉转换为燃烧，依次循环从而保证不间断送风。
2.4.4 混风温度控制要求 依据控制上的需要，利用SFC很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式，将 PID功能块与逻辑控制相结合，可适应各种控制回路。
3 高炉热风炉智能控制方面的软件设计
燃烧、风温与换炉电气部分软件设计，是高炉热风炉智能控制系统的软件主要包括的三部分。
3.1 高炉热风炉自动化部分的软件设计 用CFC编辑程序包括从库中拖放功能块，给功能块分配参数，功能块的相互连接等，其中，PCS7中提供了大量标准的过程工业功能块，如：FUZZY、阀门、电机等方面的控制等。
与回路控制协调工作的顺控功能图的建立可参见电气换炉程序设计部分。
3.2 热风炉电气控制系统的软件结构 将热风炉控制的软件结构分为如下三层：首层是主干控制层，主要控制的是四座热风炉，此控制能决定四座热风炉的运行方式与热风炉之间的送风相关顺序等。下面一层是单炉控制层，它根据主干程序或者工作人员在CRT上发出的相关指令，从而改变各个热风炉的各种工作状态。最后一层是单炉阀门控制层，这一层是根据单炉控制层发出的相关指令，完成热风炉各种状态转变时，各个阀门动作的相应顺序。
4 在钢铁厂热风炉中的应用
系统现场运行数据。本控制系统设计调试完毕后，在现场进行了试运行，具体相关运行数据见图1至4。通过实际工作证明，该控制系统运行良好。
5 小结
本文提到的智能系统采用西门子公司的控制系统，为我们提供了统一的，开放的技术平台，节省了大量的人力，物力和财力。以此为基础，根据热风炉控制系统的相关技术要求，本系统利用西门子公司提供的编程软件进行了相应的程序设计。这种方法很好的提高了热风炉控制系统的可靠性，大幅度地降低了相关系统维护的费用。本智能控制系统已经成功运用在某钢铁厂球式热风炉上，并处于良好的运行状态，为解决热风炉控制问题提供了一种新方法。