连续推钢式加热炉串级闭环控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种连续推钢式加热炉控制系统，特别是一种连续推钢式加热炉串级闭环控制系统及其控制方法。

背景技术：

连续推钢式加热炉是轧钢车间加热钢料时应用最普遍的炉子，一般加热钢料时温度都在900～1350℃左右，热处理时温度都在700～1150℃左右。在连续推钢式加热炉中，炉子的工作是连续的，钢料由炉温较低的炉尾装入，在机械作用下以一定速度向炉温较高的炉头移动，与炉膛内的热气体反向而行，当钢料被加热到工艺要求的温度时，便不断从炉内排出。现有的连续推钢式加热炉的控制系统，对燃气和热风流量的控制量不够精确，会产生一定量的燃气和热风流量的浪费，在大量的钢料、长时间的处理下，燃气和热能源消耗量极大，大大增加了燃料成本，或者造成燃烧不够充分、nox排放严重超标、温度精度控制不够理想的问题，导致钢料处理质量不佳。因此，现有的续推钢式加热炉的控制系统，存在成本较大的问题或者存在燃烧不够充分、温度精度控制不够理想，nox排放严重超标的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种连续推钢式加热炉串级闭环控制系统及其控制方法。本发明具有节省燃料成本、燃烧充分、温度控制精度高、nox排放低的特点。

本发明的技术方案：连续推钢式加热炉串级闭环控制系统，包括plc控制器，plc控制器分别连接有wincc操作站、烧嘴点火控制器、风压控制器和温度控制pid回路，温度控制pid回路依次连接有流量控制pid回路、位置控制pid回路、位置执行机构、流量检测器和温度检测器，位置执行机构还与位置控制pid回路连接，流量检测器还与流量控制pid回路连接，温度检测器还与温度控制pid回路连接。

前述的连续推钢式加热炉串级闭环控制系统中，所述流量控制pid回路和位置控制pid回路均包括燃气回路和热风回路，流量检测器包括燃气流量计和热风流量计，位置执行机构包括燃气调节阀和热风调节阀，温度检测器采用热电偶。

前述的连续推钢式加热炉串级闭环控制系统中，所述烧嘴点火控制器包括点火控制端子、高压点火线圈和紫外火焰检测器。

前述的连续推钢式加热炉串级闭环控制系统中，所述风压控制器包括风机变频器，风机变频器的出口管道连接有热风压力传感器。

上述的连续推钢式加热炉串级闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、输入温度数据、空燃比配置参数；

b、启动风压控制器，开启烧嘴点火控制器点火；

c、待火焰正常燃烧后，若实际温度与设定温度之间存在温度差值，则温度控制pid回路依次通过流量控制pid回路、位置控制pid回路驱动热风调节阀的动作幅度，控制进风量大小；

d、当热风流量实际值达到热风流量给定值，热风调节阀保持开度位置不变；

e、流量控制pid回路按照空燃比配置参数通过位置控制pid回路，驱动燃气调节阀的动作幅度，控制燃气量大小；

f、当燃气流量实际值达到燃气流量设定值，燃气调节阀保持当前开度位置不变；

g、重复步骤c、步骤d、步骤e和步骤f，直至加热炉内实际温度达到设定的温度，进入稳态燃烧。

前述的控制方法中，所述步骤b具体为，启动风压控制器，开启烧嘴点火控制器点火，火焰检测器检测到火焰正常后点火工作完成，如果三秒钟之后未检测到火焰信号，plc控制器自动切断燃气调节阀。

前述的控制方法中，所述步骤c具体为，待火焰正常燃烧后，若实际温度与设定温度之间存在温度差值，则温度控制pid回路输出温度给定值给流量控制pid回路，流量控制pid回路将温度给定值转换成热风流量给定值，并将热风流量给定值发送给位置控制pid回路，位置控制pid回路将热风流量给定值转换成热风调节阀给定值，根据热风调节阀给定值驱动热风调节阀的动作幅度，控制进风量大小。

前述的控制方法中，所述步骤d具体为，若热风流量实际值与热风流量给定值之间存在差值，则流量控制pid回路将热风差值发送给位置控制pid回路，控制pid回路将热风差值转化为热风调节值，并驱动热风调节阀动作幅度，控制进风量大小，直至热风流量计检测热风流量实际值达到热风流量给定值后，流量控制pid回路稳定输出，热风调节阀保持开度位置不变。

前述的控制方法中，所述步骤e具体为，流量控制pid回路将温度给定值换算成热风流量给定值的同时，根据空燃比配置参数，将热风流量给定值按照设定的比例换算成燃气流量给定值，并将燃气流量给定值发送给位置控制pid回路，位置控制pid回路将燃气流量给定值转换成燃气调节阀给定值，根据燃气调节阀给定值驱动燃气调节阀的动作幅度，控制燃气量大小。

前述的控制方法中，所述步骤f具体为，若燃气流量实际值与燃气流量给定值之间存在差值，则流量控制pid回路将燃气差值发送给位置控制pid回路，控制pid回路将燃气差值转化为燃气调节值，并驱动燃气调节阀动作幅度，控制燃气量大小，直至燃气流量计检测燃气流量达到燃气流量给定值，实际空燃比达到设定的空燃比参数后，流量控制pid回路稳定输出，燃气调节阀保持开度位置不变，完成流量闭环控制。

与现有技术相比，

本发明改进了原有的控制系统，采用流量加位置控制双闭环串级调节系统，将温度控制pid回路依次连接流量控制pid回路、位置控制pid回路，即，温度控制pid回路输出温度调节量，流量控制pid回路根据温度调节量输出流量调节量，位置控制pid回路根据流量调节量输出位置调节量，然后通过位置执行机构控制相应的调节阀，依次调节进风量和进燃气量，完成调节阀的开度位置控制，从而调节加热炉内的温度，温度检测器实时向温度控制pid回路反馈温度数据，实现温度闭环控制；其中，进燃气量根据进风量和空燃比配置参数控制，流量检测器实时反馈流量情况，实现流量闭环控制，精确控制燃气和热风流量，节省燃气和热风资源，减少nox排放，可以每年直接节省燃气成本近两百万，加热炉产值每年近亿元；同时使燃烧更充分，温度区间更平稳，控制温度的精度在±5℃，大大提高温度控制的精度，提高特殊钢料，例如碳素钢、合金钢的处理质量；还可以在炉体内设置不同的分区，每个分区采用本发明的控制系统，从而可以随意配置各分区的空燃比，调节出适合各种特殊钢的火焰氛围，实用性能强，通用性好，适用范围广。因此，本发明具有节省燃料成本、燃烧充分、温度控制精度高、nox排放低的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1所示，连续推钢式加热炉串级闭环控制系统，包括plc控制器，plc控制器分别连接有wincc操作站、烧嘴点火控制器、风压控制器和温度控制pid回路，温度控制pid回路依次连接有流量控制pid回路、位置控制pid回路、位置执行机构、流量检测器和温度检测器，位置执行机构还与位置控制pid回路连接，流量检测器还与流量控制pid回路连接，温度检测器还与温度控制pid回路连接。

所述流量控制pid回路和位置控制pid回路均包括燃气回路和热风回路，流量检测器包括燃气流量计和热风流量计，位置执行机构包括燃气调节阀和热风调节阀。

所述温度检测器采用热电偶。

所述plc控制器采用西门子s7-300plc。

所述烧嘴点火控制器包括点火控制端子、高压点火线圈和火焰检测器。

所述风压控制器包括风机变频器，风机变频器的出口管道连接有热风压力传感器。根据热风流量变化实时按比例改变热风压力设定，根据热风压力传感器反馈适时调节风机变频器频率，以此达到调节目的。由于负压容易回火危害很大，风压保证不大于炉膛压力，使炉体变形。同时风压设置最小值，低于最小值停止系统工作，报警输出。

一种连续推钢式加热炉串级闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、操作人员通过wincc操作站输入需要的温度数据、空燃比配置参数等各项监控参数；

b、打开plc控制器电源，闭合点火控制端子，plc控制器启动风压控制器，分别打开燃气调节阀和热风调节阀，燃气调节阀和热风调节阀的开启程度足够烧嘴点火即可，待燃气压力和风压正常后，开启烧嘴点火控制器，驱动高压点火线圈点火，火焰检测器检测到火焰正常后点火工作完成，如果三秒钟之后未检测到火焰信号，plc控制器自动切断燃气调节阀。

c、待火焰正常燃烧后，热电偶实时检测加热炉内实际温度，并向温度控制pid回路反馈实际温度，若实际温度与设定温度之间存在温度差值，则温度控制pid回路输出温度给定值给流量控制pid回路，流量控制pid回路将温度给定值转换成热风流量给定值，并将热风流量给定值发送给位置控制pid回路，位置控制pid回路将热风流量给定值转换成热风调节阀给定值，根据热风调节阀给定值驱动热风调节阀的动作幅度，控制进风量大小；

d、热风流量计实时检测热风流量,并向流量控制pid回路反馈热风流量实际值，若热风流量实际值与热风流量给定值之间存在差值，则流量控制pid回路将热风差值发送给位置控制pid回路，控制pid回路将热风差值转化为热风调节值，并以此驱动热风调节阀动作幅度，控制进风量大小，直至热风流量计检测热风流量实际值达到热风流量给定值后，流量控制pid回路稳定输出，热风调节阀保持开度位置不变；

e、流量控制pid回路将温度给定值换算成热风流量给定值的同时，流量控制pid回路根据空燃比配置参数，将热风流量给定值按照设定的比例换算成燃气流量给定值，并将燃气流量给定值发送给位置控制pid回路，位置控制pid回路将燃气流量给定值转换成燃气调节阀给定值，根据燃气调节阀给定值驱动燃气调节阀的动作幅度，控制燃气量大小；

f、燃气流量计实时检测燃气流量，并向流量控制pid回路反馈燃气流量实际值，若燃气流量实际值与燃气流量给定值之间存在差值，则流量控制pid回路将燃气差值发送给位置控制pid回路，控制pid回路将燃气差值转化为燃气调节值，并以此驱动燃气调节阀动作幅度，控制燃气量大小，直至燃气流量计检测燃气流量实际值达到燃气流量给定值，实际空燃比达到设定的空燃比参数后，流量控制pid回路稳定输出，燃气调节阀保持开度位置不变，完成流量闭环控制。

g、重复步骤c、步骤d、步骤e和步骤f，直至加热炉内实际温度达到设定的温度，完成温度闭环控制，完成温度、燃气和热风量的调节，加热炉进入稳态燃烧。

实施例1。

a、操作人员通过wincc操作站输入加热炉的温度参数1250℃，空燃比为5：1，热风流量最小给定值为500立方，燃气流量最小给定值为100立方；

b、打开plc控制器电源，闭合点火控制端子，plc控制器启动风压控制器，手动打开热风调节阀15％，燃气调节阀6％，使得热风流量和燃气流量足够烧嘴点火，待燃气压力和风压正常后，开启烧嘴点火控制器，驱动高压点火线圈点火，火焰检测器检测到火焰正常后点火工作完成；

c、此时热电偶检测并反馈加热炉内实际温度为50℃，温度控制pid回路将温度反馈值换算成百分数形式，输出温度给定值给流量控制pid回路，此时由于实际温度与设定的温度参数相差过大，输出温度给定值100％，即全功率燃烧，若热风流量最大值是1500立方，则流量控制pid回路输出热风流量给定值1500立方给位置控制pid回路，位置控制pid回路将热风流量给定值1500立方转换成热风调节阀给定值，根据热风调节阀给定值驱动热风调节阀的动作幅度，控制进风量大小；

d、若热风流量计检测并反馈到热风流量实际为500立方，则流量控制pid回路将热风差值1000立方发送给位置控制pid回路，控制pid回路将热风差值1000立方转化为热风调节值60％，并以此驱动热风调节阀动作幅度，控制进风量大小，直至热风流量计检测热风流量实际值达到1500立方后，流量控制pid回路稳定输出，热风调节阀保持开度位置不变，热风回路调节完毕；

e、流量控制pid回路根据空燃比配置参数5：1，将热风流量给定值1500立方换算成燃气流量给定值300立方，并将燃气流量给定值300立方发送给位置控制pid回路，位置控制pid回路将燃气流量给定值300立方转换成燃气调节阀给定值，根据燃气调节阀给定值驱动燃气调节阀的动作幅度，控制燃气量大小；

f、燃气流量计实时检测燃气流量，并向流量控制pid回路反馈燃气流量实际值，若燃气流量实际值与燃气流量给定值之间存在差值，则流量控制pid回路将燃气差值发送给位置控制pid回路，控制pid回路将燃气差值转化为燃气调节值，并以此驱动燃气调节阀动作幅度，控制燃气量大小，直至燃气流量计检测燃气流量实际值达到燃气流量给定值300，实际空燃比达到设定的空燃比参数5：1，流量控制pid回路稳定输出，燃气调节阀保持开度位置不变，燃气回路调节完毕，完成流量闭环控制。

g、重复步骤c、步骤d、步骤e和步骤f，直至加热炉内实际温度达到设定的温度，完成温度闭环控制，完成温度、燃气和热风量的调节，加热炉进入稳态燃烧。

以上过程中，热风流量最小给定值不能小于500立方，燃气流量最小给定值不能小于100立方，否则plc控制器会自动输出热风流量500立方，燃气流量100立方，保持最小燃烧需要的热风和燃气，避免没有火焰信号导致的停机。