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    近年來，隨著燃燒控制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些熱值較高的燃料(如：天然氣、重油等)被逐步應(yīng)用于熱處理工藝中。在傳統(tǒng)的燃燒控制方式中，給加熱爐加熱一般是通過調(diào)節(jié)燃料和空氣的流量使之充分混合、燃燒來完成的，即在加熱的過程中，燃料和空氣的流量是連續(xù)變化的。但在燃料熱值較高的情況下，使用少量的燃料就可以滿足熱處理工藝的要求，因此燃料和空氣的流量都比較小，輸送燃料的管路截面也比較小，如果采用連續(xù)燃燒的方式進(jìn)行控制，控制燃料流量的碟閥就要做得很小，而控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力無法滿足流量變化的需要，因此控制溫度的誤差是很大的。為了解決這個問題，國外一些專家自80年代初即開始對時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。這種控制系統(tǒng)是通過控制燒嘴的燃燒時序和燃燒時間來控制爐子的溫度。由于它具有動態(tài)性能好、控制溫度波動小、節(jié)約燃料等優(yōu)點，因而得到了廣泛的重視和應(yīng)用。我國自90年代初開始引進(jìn)這項新技術(shù)，經(jīng)實際應(yīng)用驗證，效果良好，具有較大的推廣價值。下面以北臺球墨鑄鐵管廠退火爐時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)為例，介紹這種控制系統(tǒng)的組成和控制原理。

    1、工藝簡介

    北臺球墨鑄鐵管廠退火爐是1994年從德國IOB公司引進(jìn)的，具有世界先進(jìn)水平。該退火爐使用混合煤氣作燃料，采用直火加熱的方式對球墨鑄鐵管進(jìn)行退火。爐子的結(jié)構(gòu)為臥式，共有6個區(qū)，其中1區(qū)為加熱區(qū)，溫度控制在1010℃；2、3區(qū)為保溫區(qū)，溫度控制在970℃；4區(qū)為冷卻區(qū)；5、6區(qū)為低溫區(qū)，溫度控制在700℃。管子在爐內(nèi)運輸鏈的帶動下，以一定的速度由1區(qū)進(jìn)入，從6區(qū)輸出。按照設(shè)計要求，北臺球墨鑄鐵管廠所用煤氣熱值為9200kJ/m3，壓力為8000Pa。由于管子在1、2、3區(qū)進(jìn)行了加熱處理，到達(dá)5區(qū)時溫度仍然在500℃以上，因此5、6區(qū)的熱負(fù)荷較低，所用煤氣的流量較小。5區(qū)共有4個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量為250m3/h左右。6區(qū)共有6個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量為350m3/h左右。5區(qū)煤氣管路直徑為100mm，6區(qū)煤氣管路直徑為120mm。為了滿足工藝要求，5、6區(qū)采用了時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)。由于5、6區(qū)控制系統(tǒng)在設(shè)計上基本是一樣的，為此，本文僅以5區(qū)為例介紹時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)的組成和控制原理。

    2、控制系統(tǒng)

    2.1 組成及工作原理

    控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖

　　其工作原理如下。爐子的溫度是通過PI調(diào)節(jié)器設(shè)定的。PI調(diào)節(jié)器對設(shè)定的溫度與熱電偶檢測到的爐子實際溫度進(jìn)行采樣，并按照PI算法(即比例、積分算法)計算出偏差值，由偏差值的大小輸出一個4～20mA的電流信號。這個電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以后，送給S5－115UPLC控制系統(tǒng)。S5－115U產(chǎn)生一系列時序脈沖信號，并根據(jù)輸入數(shù)字量的大小控制不同的燃燒控制器和燒嘴，使它們按照一定的時序點燃或熄滅，進(jìn)而控制退火爐的溫度。圖1中，PI調(diào)節(jié)器采用PHILIPS公司的KS4290系列數(shù)字式調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器是PHILIPS公司于90年代初生產(chǎn)的新型智能化調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)正偏差和負(fù)偏差兩種調(diào)節(jié)方式，即當(dāng)PI算法計算出的偏差值為正時，調(diào)節(jié)器工作在正偏差調(diào)節(jié)方式，輸出電流在12～20mA之間變化。當(dāng)PI算法計算出的偏差值為負(fù)時，調(diào)節(jié)器工作在負(fù)偏差調(diào)節(jié)方式，輸出電流在4～12mA之間變化。S5－115U可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量的大小來識別調(diào)節(jié)器工作在哪一種調(diào)節(jié)方式。當(dāng)調(diào)節(jié)器工作在負(fù)偏差調(diào)節(jié)方式，并且爐子的溫度高于工藝要求的溫度范圍時(5區(qū)的溫度范圍為690～710℃，高于溫度范圍是指高于710℃)，S5－115U熄滅所有的燒嘴，并打開冷卻裝置對退火爐實施冷卻。

    2.2 軟件設(shè)計

    在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，燒嘴何時點燃是由時序脈沖信號控制的，而燒嘴的燃燒時間是由設(shè)定溫度和爐子實際溫度的偏差值決定的。因此如何產(chǎn)生時序脈沖信號以及如何控制燒嘴的燃燒時間是時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題。為了確保系統(tǒng)的可靠性，該控制系統(tǒng)采用S5－115UPLC控制系統(tǒng)來生成時序脈沖信號和控制燒嘴的燃燒時間。

    5區(qū)共有4個燒嘴，對稱分布在爐內(nèi)兩側(cè)。S5－115U使用4個擴(kuò)展脈沖計時器T0、T1、T2、T3分別控制1＃、2＃、3＃、4＃4個燒嘴。計時器的計時值是通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換以后得到的數(shù)值。計時器是通過S5－115U的一個中間標(biāo)志字節(jié)FY29的4個標(biāo)志位的信號狀態(tài)來啟動的，即當(dāng)標(biāo)志位FY29.3的信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T3，點燃4＃燒嘴；當(dāng)標(biāo)志位FY29.2的信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T2，點燃3＃燒嘴；依此類推，當(dāng)標(biāo)志位FY29.0信號狀態(tài)為1時，啟動計時器T0，點燃1＃燒嘴。為了使標(biāo)志位的信號狀態(tài)能依次被置位和復(fù)位，進(jìn)而產(chǎn)生時序脈沖信號，圖2為一個循環(huán)的程序流程框圖。

圖2 產(chǎn)生時序脈沖信號流程圖

    圖2中，占空比為0.1s∶5s的脈沖信號，指脈沖信號為1時的時間值為0.1s，脈沖信號為0時的時間值為5s。當(dāng)脈沖1到來時，執(zhí)行第1個判斷Y以后的程序，F(xiàn)Y29.3置位為1，F(xiàn)Y29.2、FY29.1、FY29.0為0。第1個脈沖過去后，執(zhí)行第1個判斷N以后的程序，各標(biāo)志位的狀態(tài)將維持5s。第2個脈沖到來時，信號狀態(tài)為1的位，將由FY29.3移至FY29.2，F(xiàn)Y29.3將由0補充。同時，由于執(zhí)行了第2個判斷N以后的程序，將不再置位FY29.3。FY29.1、FY29.0仍為0。第2個脈沖過去后，這個狀態(tài)仍將維持5s，……當(dāng)?shù)?個脈沖到來時，將執(zhí)行兩個判斷Y以后的程序，重新置位FY29.3，開始下一個循環(huán)。由程序流程圖產(chǎn)生的各個標(biāo)志位及各個計時器的信號狀態(tài)如圖3所示。

圖3 各標(biāo)志和計時器信號狀態(tài)圖

    圖3中各標(biāo)志位置位的時序即是各燒嘴被依次點燃的時序，計時器的信號狀態(tài)即是燒嘴的工作狀態(tài)。每個燒嘴經(jīng)過20s被循環(huán)點燃一次。時間t即是燒嘴的燃燒時間，是由PI調(diào)節(jié)器計算出的溫度偏差值控制的。
 
  2.3 燃燒控制器及燒嘴的工作原理

    由于在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，燒嘴要被頻繁地點燃和熄滅，這就要求燃燒控制器和燒嘴要有快速的響應(yīng)能力，這是決定該控制系統(tǒng)是否可靠和實用的一個重要因素。北臺球墨鑄鐵管廠退火爐采用德國KROMSCHRODER公司于90年代初研制生產(chǎn)的IFS110IM型燃燒控制器。燒嘴采用該公司同期生產(chǎn)的ZKIH20/10型點火燒嘴以及與之配套使用的LBY70型燃燒燒嘴。點火燒嘴安裝在燃燒燒嘴的內(nèi)部，它使用的煤氣和空氣是由輔助煤氣管路和輔助空氣管路提供的。輔助煤氣管路和輔助空氣管路上分別安裝著輔助煤氣閥和輔助空氣閥，其中輔助空氣閥是一個手動控制閥，一般情況下始終是打開的。燃燒燒嘴使用的煤氣和空氣是由主煤氣管路和主空氣管路提供的。主煤氣管路和主空氣管路上分別安裝著主煤氣閥和主空氣閥。每個燒嘴由一個燃燒控制器控制，其控制系統(tǒng)線路原理如圖4所示。

圖4 燃燒控制器和燒嘴控制系統(tǒng)線路原理圖

    YL1、YL2、YL3―電磁閥線圈；Y1、Y2、Y3―電磁閥；KL1、KL2、KL3―中間繼電器線圈；K1、K2、K3―中間繼電器輔助接點；S―起動按鈕；A―燒嘴；T―高壓線圈；Y4―手動控制器

    工作原理如下。首次點燃燒嘴時，按動啟動按鈕S，燃燒控制器首先打開輔助煤氣閥Y1，同時燃燒控制器在高壓線圈T上產(chǎn)生的高電壓通過點火燒嘴A放電，點燃輔助煤氣管路。燃燒控制器通過檢測回路在3s內(nèi)檢測點火燒嘴是否被點燃，如未被點燃，則切斷輔助煤氣閥；如已被點燃，則給中間繼電器K3送電，使K3吸合。K3的輔助接點接在S5－115U的輸入接口上，S5－115U根據(jù)K3是吸合的還是斷開的來判斷點火燒嘴是點燃的還是熄滅的，只有在K3是吸合的情況下，S5－115U的控制程序才允許點燃燃燒燒嘴，否則燃燒燒嘴不能被點燃。中間繼電器K1是由S5－115U輸出接口控制的，即是由圖3中的某一個計時器控制的。當(dāng)控制某一個燒嘴的時序脈沖信號到來并且K3已經(jīng)吸合時，與該脈沖信號對應(yīng)的計時器置位，中間繼電器K1吸合，主空氣閥Y3打開；同時，中間繼電器K2吸合，主煤氣閥Y2打開，點燃燃燒燒嘴。當(dāng)計時器達(dá)到計時值時，計時器復(fù)位，K1斷開，主煤氣閥及主空氣閥關(guān)閉，燃燒燒嘴熄滅。但此時點火燒嘴仍然打開，以便維持一個火源。在其后的燃燒控制中，點火燒嘴始終是點燃的。只有主煤氣閥和主空氣閥按照一定的時序打開和關(guān)閉，才能實現(xiàn)脈沖燃燒控制。這樣可以充分保證燒嘴具有快速的響應(yīng)能力，以提高控制系統(tǒng)的性能。

    圖4中，檢測回路是根據(jù)煤氣在燃燒時具有導(dǎo)電性的原理來工作的。燃燒控制器的一個輸出端通過點火燒嘴對地產(chǎn)生一個4V左右的控制電壓，當(dāng)點火燒嘴未點燃時，該輸出端對地是開路的；當(dāng)點火燒嘴點燃時，由于煤氣在燃燒時具有導(dǎo)電性，該輸出端對地形成回路，并產(chǎn)生一個大于1μA的電流，燃燒控制器以此來判斷點火燒嘴是點燃的還是熄滅的。此外，點火燒嘴所使用的煤氣和空氣均要經(jīng)過減壓閥減壓以后才能使用。煤氣壓力控制在1000～2000Pa為宜；空氣壓力控制在3000～4000Pa為宜。這樣可以防止高壓脫火、易于點燃。

    采用這種燃燒控制器和燒嘴還有一個特點：它具有良好的安全性。當(dāng)因為某種異常的原因?qū)е曼c火燒嘴熄滅時(如：煤氣熱值過小、控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障等)，檢測回路因為檢測不到火焰，便將輔助煤氣閥和主煤氣閥關(guān)斷，避免煤氣泄漏給人身和設(shè)備帶來危險。

    2.4 煤氣和空氣流量配比的控制

    在使用煤氣作燃料的燃燒控制系統(tǒng)中，當(dāng)煤氣的熱值和壓力一定時，煤氣和空氣只有按一定的比例混合才能充分燃燒。在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，同樣因為燒嘴要被頻繁地點燃和熄滅，因此要求空氣的流量在隨煤氣流量變化時要有快速的跟隨性。這是保證控制系統(tǒng)能否達(dá)到工藝要求的另一個重要因素。北臺球墨鑄鐵管廠退火爐采用了德國KROMSCHRODER公司90年代初生產(chǎn)的MK5型閥來控制煤氣的流量，并采用德國LANDISGYR公司同期生產(chǎn)的SKP20110B27型氣動比例調(diào)節(jié)閥來控制空氣的流量。MK5型煤氣控制閥可以實現(xiàn)慢開啟、快關(guān)斷功能，即當(dāng)閥得電時緩慢打開，而失電時快速關(guān)斷。這樣可以防止主煤氣閥在打開的瞬間煤氣流量波動太大造成危險。SKP20110B27型氣動比例調(diào)節(jié)閥通過一個連接管路和主煤氣管路相連，當(dāng)主煤氣閥打開時，氣動比例閥通過連接管路對煤氣流量進(jìn)行采樣，并按照一定的比例打開主空氣閥。當(dāng)煤氣流量變化時，空氣流量按一定比例跟隨變化。當(dāng)主煤氣閥關(guān)斷時，主空氣閥也即刻關(guān)斷。使用氣動比例控制方式控制空氣和煤氣流量的配比，可以減少中間控制環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

    2.5 爐壓控制

    為了確保燒嘴具有良好的燃燒狀態(tài)，5、6區(qū)安裝了爐壓控制裝置，即在廢氣排放管路上安裝了一個擋板，通過調(diào)整擋板的開度來控制爐壓。擋板是由執(zhí)行器驅(qū)動的。PID調(diào)節(jié)器采用了PHILIPS公司90年代初研制的KS4290系列數(shù)字化調(diào)節(jié)器。爐子壓力通過PID調(diào)節(jié)器來設(shè)定。PID調(diào)節(jié)器對設(shè)定的爐壓和壓力變送器回饋的爐子實際壓力進(jìn)行采樣，并按照增量型PID算法計算出偏差值，由偏差值的正、負(fù)控制執(zhí)行器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，由偏差值的大小控制執(zhí)行器轉(zhuǎn)動量的大小。在實際生產(chǎn)中，燒嘴是在微正壓的狀態(tài)下燃燒的，爐子壓力應(yīng)控制在5Pa為宜。

    2.6 系統(tǒng)動態(tài)性能分析

    動態(tài)性能好壞是衡量一種控制系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志。從對圖3的分析可以看出，時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)連續(xù)燃燒和脈沖燃燒兩種狀態(tài)。當(dāng)熱電偶檢測到的實際溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定溫度時，PI調(diào)節(jié)器輸出的電流最大，計時器的計時值t大于20s，這樣，某一個已經(jīng)被啟動的計時器在沒有達(dá)到計時值時，被下一個到來的時序脈沖信號重新啟動，計時器的信號狀態(tài)始終為1(4個計時器都是這種情況)。此時，各燒嘴處于連續(xù)燃燒狀態(tài)。當(dāng)實際溫度接近設(shè)定溫度時，燒嘴由連續(xù)燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變成脈沖燃燒狀態(tài)，并且燃燒時間逐漸減小。當(dāng)實際溫度等于或大于設(shè)定溫度時，t值為0，燒嘴全部熄滅。從等效的控制器作用來看，時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)相當(dāng)于一種變比例、變積分PI控制器，當(dāng)實際溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)給出最大輸出，相當(dāng)于比例作用增強，積分作用減弱，控制系統(tǒng)通過連續(xù)燃燒使?fàn)t子獲得最快的升溫速度。同時，當(dāng)溫度偏差較小時，燒嘴處于脈沖燃燒狀態(tài)，相當(dāng)于比例作用減弱，積分作用增強，進(jìn)而減小溫度的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，因此采用這種控制系統(tǒng)一般情況下不會出現(xiàn)溫度振蕩的情況。此外，與連續(xù)燃燒控制系統(tǒng)相比，這種控制系統(tǒng)使用兩位閥控制燃料輸出，由于兩位閥只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，因此可以克服連續(xù)燃燒控制系統(tǒng)中碟閥的非線性死區(qū)對控制溫度的影響，充分提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

    從對圖1的分析可以看出，當(dāng)爐子溫度發(fā)生擾動時，適當(dāng)調(diào)整PI調(diào)節(jié)器的比例和積分參數(shù)，可以影響燒嘴在脈沖燃燒時的燃燒時間，即影響圖3中的t，改變t在跟隨溫度變化時的跟隨性和過渡過程。如果跟隨過慢，可適當(dāng)加大比例系數(shù)，反之亦然。如果過渡過程太長，可減少積分時間，反之亦然。

    在時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，由于燒嘴在不同的區(qū)域以一定的時序點燃或熄滅，因此可能出現(xiàn)爐膛內(nèi)溫度控制不均勻的情況。從對圖2的分析可以看出，適當(dāng)改變圖2中脈沖信號的占空比，可以改變燒嘴被循環(huán)點燃的時間間隔，控制脈沖燃燒的節(jié)奏，進(jìn)而改善溫度控制不均勻的情況。當(dāng)然這樣做會對控制系統(tǒng)在其它方面的性能產(chǎn)生影響。

    在實際應(yīng)用中，要對上述因素全面考慮、綜合分析，根據(jù)實際情況反復(fù)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，以達(dá)到最佳匹配，提高溫度控制的精度。

    3、運行情況及存在的問題

    北臺球墨鑄鐵管廠退火爐是由德國IOB公司全套設(shè)計、調(diào)試和生產(chǎn)的，自1994年投產(chǎn)以來，控制系統(tǒng)的可靠性和安全性都是很好的。5、6區(qū)的溫度波動范圍低于±10℃，控制系統(tǒng)動態(tài)性能良好，控制精度達(dá)到了1.5％，滿足了工藝要求，同時能耗也較低，是一種代表當(dāng)今世界燃燒控制技術(shù)發(fā)展趨勢的新型燃燒控制方式。但我們在實際應(yīng)用中也遇到了一些難以解決的問題，主要有：煤氣質(zhì)量不好導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能下降。由于北臺球墨鑄鐵管廠沒有安裝壓力調(diào)節(jié)裝置、熱值調(diào)節(jié)裝置、煤氣過濾裝置等，煤氣壓力和熱值波動較大，焦油含量也較大。有時因為煤氣壓力和熱值波動過大，不得不使用手動工作方式維持生產(chǎn)。此外，點火燒嘴的煤氣管路較細(xì)，焦油含量過大可以導(dǎo)致煤氣流動不暢，燒嘴不易點燃。為此，今后在引進(jìn)和自行設(shè)計時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)時，首先要考慮配套設(shè)施的完善，充分提高煤氣的質(zhì)量，這是保證控制系統(tǒng)是否能可靠運行的重要因素。