DCS系统在热风炉控制中的应用

炼铁厂点检联谊会研讨论文-1-DCS系统在热风炉控制中的应用凌艳莉（炼铁厂设备室高炉一期点检组攀枝花617000）摘要:攀钢3#高炉2005年大修后，高炉控制系统采用的DCS是西屋公司的Ovation系统。该系统在总结4高炉，新3号高炉Ovatin控制系统经验的基础上,进一步使用了最新技术成就和算法功能块，使3#高炉的Ovatin控制系统更加完善可靠。本文以攀钢3#高炉Ovation系统热风炉部分的自动控制程序为蓝本，简要介绍DCS系统在热风炉自动控制系统中的应用，以期对高炉热风炉的生产操作和设备维护有所帮助。攀钢炼铁厂3#高炉现有四座内燃式热风炉，工艺遵从两烧两送的送风制度；热风炉的烧炉过程采用温度－流量串级调节控制；各炉之间的烧炉、闷炉，送风的换风控制分为：自动/单炉转换/手动/非常四种操作控制方式。在整个3高炉Ovation系统中，热风炉部分独立使用了2个控制站和1个监控站。13高炉的Ovation系统的软硬件介绍1.1硬件整个3高炉的OvationDCS控制系统由7个控制站、5个操作员站、1个工程师站和1个OPC服务器构成。如（图1.1-1）所示：每个控制站的配置均为“双机热备冗余控制器”和单I/O的配置构成。每个操作员站均为单主机配双显示器配置，系统约定：210站为1号工长台、211站为2号工长台、212站为卷扬操作站、213站为热风炉操作站、214站为沟下操作站、200站为工程师站、180站为OPC服务器；各控制站和各操作站之间的信息通讯采用双缆冗余的环形以太网结构，3高炉的Ovation系统中的4、5号控制站负责热风炉系统的控制和管理。其中：4号炼铁厂点检联谊会研讨论文-2-站控制1号、2号和3号热风炉，5号站控制4号热风炉和余热回收系统及主干阀门。1.2系统软件1.Unix操作系统Solaris2.8；（180站OPC服务器：采用windowsxpsp2）；2.Ovation软件、PowerTools、组态工具3.Oracle8.0数据库4.AutoCAD5.Applix报表软件6.OPC与第三方接口软件7.快速以太网TCP/IP协议2、高炉热风炉的一般工作原理和控制需求2.1热风炉是高炉重要的生产设备，为高炉的冶炼提供风量、热能和调节风温，是高炉能否正常生产、高产的重要保障。内燃式热风炉的工艺如下附图所示2.2内燃式热风炉的三种工作状态：内燃式热风炉的一般工作状态分为烧炉，闷炉，送风三种状态。根据这三种工作状态的不同工艺和安全需求，上述13个管道阀门的开闭状态也有所不同，如下表所示：2.3内燃式热风炉的过程控制需求炼铁厂点检联谊会研讨论文-3-内燃式热风炉的一般工作状态分为烧炉，闷炉，送风三种状态，这三种状态在一个工作周期里一般要经历：烧炉、烧炉转焖炉、闷炉、焖炉转送风、送风、送风转焖炉、闷炉、焖炉转烧炉8个工艺过程。在各工艺过程中，各阀门的动作过程和控制特点如下：2.3.1烧炉：除F1（冷风阀）、F2（充压阀）、F9（热风阀）、F8（氮气吹扫阀）处于关闭状态外；F3、F4…..F13的其它阀均为全开状态；但F11（助燃空气调节阀）和F12（煤气燃烧调节阀）根据操作台指令（自动或手动），控制煤气和空气流量，实现自动烧炉或手动烧炉。在热风炉的燃烧控制中，工艺要求一开始先烧拱顶温度，这时需要合理的空煤比(低过剩空气燃烧)以充分燃烧，在流量调节方面由拱顶温度的输出作为主调节器，在拱顶温度烧到符合要求的时候转为烧废气温度，对燃烧要求以煤气过剩(空气不足的不完全燃烧)的空煤比燃烧，在烧炉的初期希望空气与煤气量逐步增加稳定的燃烧，烧炉末期则要求空煤量交替减少直至全关。因此3高炉热风炉的烧炉过程控制系统采用以拱顶/废气温度调节器输出作为主设定的温度－流量串级比值双交叉限幅燃烧控制系统。空气流量串级设定的大小由温度调节器的输出、煤气量乘以空煤比低选作为其串级设定，在自动燃烧时空气流量、煤气流量的控制通过比值控制器互相跟踪实际流量来实现双交叉限幅燃烧控制2.3.2烧炉转闷炉A关闭煤气、空气调节阀，当煤气调节阀位关到位时关闭煤气切断阀、开氮气吹扫→关煤气燃烧阀→关空气阀→关闭1＃、2＃烟道阀→开排压阀2.3.3闷炉A：除F13（排压阀）为全开状态外;其余的F1、F2….F12均为全关状态；F13（排压阀）打开，其目的是为了确保烧炉完毕的热风炉的炉内压力接近常压，不至于出现过压情况；闷炉A的工艺目的主要是使热风炉炉内各部温度逐步趋于均衡，提高热交换效率和延长热风炉寿命。2.3.4闷炉A转送风：首先关闭F13（排压阀），系统确认30S后开30%F2（充压阀），230S后开50%，320S后开到100%，当该炉冷风阀前后压差小于5KPa时开热风阀与先行炉并行送风，然后开冷风阀关闭充压阀转换至送风状态。2.3.5送风：除F2（冷风阀）、F9（热风阀）处于全开状态外，其余阀门均处于关闭状态。根据自动控制模型实现自动或手动送风及换炉（即送风转闷炉）2.3.6送风转闷炉首先关闭F1（冷风阀），再关闭F9（热风阀），当热风阀关到位极限发出后，开启F13（排压阀），当炉内压力降至接近常压后关闭F13（排压阀），转入闷炉。2.3.7闷炉：该过程本炉所有阀均处于关闭状态。2.3.8闷炉转烧炉当烟道阀前后压差低于5KPa时，开F3、F4（烟道阀），关闭排压阀，开F5（空气燃烧阀），开F6（煤气燃烧阀）、开F7（煤气切断阀）、最后根据自动控制模型空气调节预开10％，煤气调节与空气调节互相跟踪交叉限幅上升进行燃烧控制，3、3高炉热风炉的1324的换风制度3.1对单座热风炉而言，热风炉的工作过程是烧炉期（积蓄热量）和送风期（释放热量）交替循环的过程，烧炉时间长（积蓄热量多）对提高风温有利，但如果时间过长，则会造炼铁厂点检联谊会研讨论文-4-成废气温度升高，热量损失过大，炉体寿命受影响；烧炉时间过短，则热风炉蓄热不够，影响送风时间不能正常确保和风温质量。送风时间过长，热风炉输出的热量少，对提高风温不利。过短，又会造成蓄热利用不充分，再次烧炉废气升温过快。由此可看出，烧炉期和送风期，对确保送风质量和提高风温是二者相互影响，相互制约的关系；对每座高炉的热风炉系统而言，根据每座高炉所配置的热风炉座数，有效蓄热面积，燃烧效率，合理控制高炉的换风制度制度，对保证热风炉设备安全，充分发挥热风炉设备潜力，努力提高送风质量，确保高炉对风温、风量的要求，有十分重要的意义。故3高炉4座热风炉采用两烧两送，先送先撤的换风制度，设计的自动换炉程序。如下表所示：3.2从热风炉和高炉的地理位置布置上看，一般热风炉和高炉的布置均为不对称分布，或在高炉的左面、或在高炉的右面，这就必然形成每座热风炉至高炉的实际送风路径有长有短，阻损有大、有小。为确保烧炉和送风过程的对称性，努力减小在烧炉期和送风期，对工艺操作的影响；3高炉4座热风炉的自动换炉程序采用了1324的换炉制度。4、热风炉的四种控制操作方式的描述：根据工艺要求，3高炉的热风炉系统的控制操作方式分为：自动/单炉转换/手动/非常四种操作控制方式。4.1自动控制模式下：热风炉系统根据系统设定风温和风量要求，按照1324的换炉制度，自动实现热风炉的换炉控制，各工艺阀门按预订的逻辑控制顺序和要求，自动开启和关闭；同时具备关键条件点的自动监测与异常报警；4.2单炉转换控制模式：操作员对单座热风炉发出换炉指令，系统自动将该炉转换到指定的状态。该方式没有各炉之间的工艺连锁（送风转休止时除外），只有各阀门之间的工艺连锁和各阀门自身的设备连锁。由操作人员在“单炉工艺画面上”分别点击相应的“烧炉”、“闷炉”、“送风”按钮来实现该炉的工艺控制目的（该炉所属的各部阀门，按相应工艺状态的自动连锁条件，实现自动切换）。4.3手动控制模式：当热风炉操作控制模式选中手动时，在相关的操作面板上，人工手动实现该设备的切换；该方式有各阀门之间的工艺连锁和各阀门自身的设备连锁..4.4非常控制模式：当热风炉操作控制模式选中非常时，各部设备无任何连锁条件，在相炼铁厂点检联谊会研讨论文-5-关的操作面板上，人工手动实现该设备的切换；5、3高炉热风炉的燃烧过程控制在热风炉的燃烧控制中，工艺要求一开始先烧拱顶温度，这时需要合理的空煤比(低过剩空气燃烧)以充分燃烧，在流量调节方面由拱顶温度的输出作为主调节器，在拱顶温度烧到符合要求的时候转为烧废气温度，对燃烧要求以煤气过剩(空气不足的不完全燃烧)的空煤比燃烧，在烧炉的初期希望空气与煤气量逐步交替增加稳定的燃烧，烧炉末期则要求空煤量交替减少直至全关。因此，采用温度－流量串级比值双交叉限幅燃烧控制系统，以拱顶/废气温度调节器输出作为主设定，空气流量串级设定的大小由温度调节器的输出、煤气量乘以空煤比低选作为其串级设定，在自动燃烧时空气流量、煤气流量的控制通过比值控制器互相跟踪实际流量来实现双交叉限幅燃烧控制。5.1系统框图如下（图3）所示：5.2控制系统主副调节器控制规律及正、反作用的选择5.2.1主副调节器控制规律的选择针对热风炉烧炉过程控制的主要对象是拱顶温度和废气温度，主调节器起定值控制作用，一般要求无余差，故主调节器选择为PID调节器；副回路调节器控制的是流量，因为流量对象的时间常数和滞后都很小，考虑副回路单独工作时要求稳定，对副回路调节器引入积分和微分作用，副回路调节器也采用PID控制器。考虑增量式PID的优点，在PID算法选型上选择增量式PID算法，Ovation系统Algorithms（算法库）提供功能强大的PID算法，该算法在串级、条件跟踪、手/自动切换方面及参数整定方面都很完善，可以很好对过程量进行控制。炼铁厂点检联谊会研讨论文-6-5.2.2主副调节器正、反作用的选择在主控制器的选择方面，考虑到热风炉燃烧控制时拱顶温度在煤气过剩时将会降低，废气温度在空气量过剩时会降低的因素，主作用对象拱顶温度、废气温度都属于反作用对象，调节阀选用的是EIM系列随动步进式电机属于正作用调节阀，根据自动控制原理KCKVKOKM0实现负反馈的原则，已知KV0,KO0,KM0；得KC0，故拱顶、废气得调节器选择都选择为正作用调节器；流量调节属于副回路调节器，其作用对象随着阀位得增大而增大，减小而减小属于正作用对象，KO0，得KC0,副回路调节器选择为反作用调节器6、结束语对于较复杂的工艺要求，控制系统的先进与否决定了控制质量的高低，目前3高炉热风炉的自动控制采用的Ovation系统是目前世界上先进的DCS控制系统；它有着在数字量逻辑控制方面比较完善和强大的顺序控制功能，系统提供ControlBuilder与CAD13相结合编制Sama图的功能，可以方便的调整逻辑算法的执行时序；热风炉的燃烧控制系统在现场使用中控制良好，在该系统的控制下3高炉4座热风炉为高炉的顺利达产有效地提供了高风温保障，对空煤气的加减量控制波动小，烧炉曲线平滑，空煤比使用比较合理对高强度送风和节能降耗起到了较好的效果。当然，任何先进的控制系统，对设备的控制程序都不可能是唯一的，本文探讨的热风炉自动控制系统程序只是我个人的理解，对于系统中的功能块、工具还要进一步研讨学习，以期对于控制程序的进一步优化完善。