退火炉烧嘴燃烧自动控制系统

       

    热处理工艺要求对退火炉的炉温均匀性比较高,通过对炉体烧嘴的 PID 控制得以实现。但实际情况,由于工件结构的不同,垫铁的摆放位置不合适会影响烧嘴火焰的燃烧,进而影响炉膛温度的均匀性。鉴于此,使燃烧自动控制系统根据炉膛的实际温度,通过自动调整烧嘴的控制模式,使炉温逐步趋于正常,满足热处理工艺对炉温均匀性的要求。

1 前言:

      一般退火炉厂家在设计炉膛烧嘴控制程序时,会根据炉膛的大小和投资规模的具体要求进行控制设计,对于燃烧控制程序所需要的温度信号来自于炉膛内的热电偶元件:而热电偶的布置、信号采集直接决定了炉温的要求和投资成本的大小,具体布置和信号采集有多种方式:一种是一只热电偶控制炉膛对面的一只烧嘴,这种模式虽然会提高炉温均匀性的控制,但会增加热电偶的数量,制造成本会增加,设计制造厂家显然不愿采用这种方式;另一种方式是炉膛分区控制,一只热电偶控制两只对向烧嘴组成的温度控制区或者两只热电偶控制四只烧嘴组成的温度控制区;还有的设计厂家会把炉顶的温度也加入到控制分区内,以增加炉膛温度的均匀性。但实际情况下,受加热工件或垫铁摆放位置的影响,烧嘴的火焰受到阻挡,炉内的环形气流被隔断,相应控制该烧嘴热电偶的实时温度会比工艺要求的温度低,这样该烧嘴会不停地工作,造成该烧嘴正上方的温度会超过工艺要求的温度。在升温段,炉膛的温度差会更大。

系统硬件及网络配置

2.1 控制站的优化

      根据热处理工件的特点和对热处理的工艺技术要求,炉窑的设计厂家在最初的设计中,充分考虑到控制系统硬件、软件的发展趋势以及今后备件和系统升级情况,使该系统具备了先进、可靠、简洁、合理等特点。系统选用西门子公司的高性能 S7-300PLC,采用 ET200 系列模块进行现场信号的采集和控制,达到最佳的性价比。同时,考虑到以后产能的增加,控制系统中,为新炉窑预留的相应的地址、端口。 

2.3 控制网络的设计

      退火炉网络拓扑图如图 2,预留后期增建炉窑网络接口。

3 系统主要控制功能

3.1 炉温控制

      温度控制系统自动执行上位机下达的热处理工艺曲线要求(包括升温速率、目标温度、保温时间、降温速率等)。为了确保炉膛温度的均匀性,设置两个烧嘴为一个控制温区,烧嘴在炉膛内的布置方式采用交叉错位排列,保证炉膛内的燃烧气氛和炉温的均匀性。FB58 是西门子 PLC 程序块中温度控制专用模块,PID 运算是 FB58 的运算核心,主要是通过对偏差信号设定值 SP_INT 与过程值 PV 进行比例、积分、微分运算来得到对阀门、变频器等执行机构的控制信号。炉内温度通过 FB58(程序模块 OB35 中调用 FB58)设定控制。FB58 对设定的温度与热电偶检测到的炉子实际温度进行采样,并按照 PID 算法(即比例、积分、微分算法)计算出偏差值,由偏差值的大小输出一个 4-20 mA 的电流信号。经过信号转换,根据输出数字量的大小控制不同的燃烧控制器和烧嘴,使它们按照一定的时序点燃或熄灭,进而控制退火炉的温度。可以实现正偏差和负偏差两种调节方式,即当 PID 算法计算出的偏差值为正时,FB58 工作在正偏差调节方式,输出电流在 12-20 mA 之间变化。当 PID 算法计算出的偏差值为负时,FB58 工作在负偏差调节方式,输出电流在 4-12 mA 之间变化。当 FB58 工作在负偏差调节方式,并且炉子的温度高于工艺要求的温度范围时,熄灭掉相应的烧嘴以控制温度。各温区的温度模拟量信号进入 PLC 现场子站模块,经过 PLC 的 PID 计算分别输出给两侧烧嘴,控制两侧烧嘴的启动、大小火切换以及大小火的燃烧时间。其主要控制思路如下方块流程图。

      为了满足一些特殊工艺需求,退火炉要求有降温控制功能。降温速率可以根据工艺要求实现自动控制。从温度控制方面而言,加热属于反向控制,降温属于正向控制,完全由 PLC 自动控制完成,其控制要点为:

(1)系统需要冷却的控制指令由上位机按照工件所需的热处理工艺下达给 PLC,当上位机出现故障时,其控制要求由 PLC 自身设定的程序完成。

(2)冷却段时,PLC 自动关闭各烧嘴的燃烧控制器,烧嘴处于非燃烧状态。而烧嘴的风阀继续工作,向炉膛内吹入冷风,实现炉内冷却降温的要求。

(3)在冷却过程中,炉内的热量从烟道排出,PLC 自动将排烟阀开启到最大状态,确保足够的冷却速率。

(4)当进入工艺冷却阶段时,冷却回路自动投入运行。根据热电偶采集的温度信号和工艺要求的冷却温度由 PLC 自动通过 PID 计算,调整各烧嘴助燃风阀的开度大小,实现冷却速率的可控,以满足工件的热处理冷却速率的要求。

3.2 特殊工件的热处理———燃烧控制模式的选择

      部分介绍了正常的温控控制,烧嘴燃烧模式。当超大、异性结构件、铸钢件需要进行热处理时,因为炉内循环气流的隔断,炉温的均匀性可能就会被打破,此时,PLC 会根据炉膛温度异常状况做适应性调整,从一种正常燃烧控制模式自动切换到异常状态模式,如果炉膛温度均匀性在异常模式下能够满足,则系统会在异常模式继续工作,直至热处理工艺的结束。其燃烧模式选择功能方块流程图如图 4 所示。

      工作原理是: 当控制区内炉内两侧温度出现差值异常偏大时,计算机会实时自动比较两侧的温度,计算两侧温差,当温差超过设定温度(允许温度可以在 HMI 设定)时,PLC 首先对这一温度差进行一个时间判断,排除因炉内温度扰动短暂时间内的温度异常。如果长时间处于一种较大温差的情况时,控制系统会从当前的对侧烧嘴控制自动转变成同侧烧嘴控制,即处于炉墙上的热电偶信号进入同侧的烧嘴控制器程序段,实现同侧控制。

3.3 炉压控制

      炉压控制的好坏直接影响燃烧效率、炉膛的密封、炉温的均匀性以及烧嘴的使用寿命等,此参数在燃烧热处理炉上直关重要。炉压检测和自动控制系统由压力变送器(川仪EJA 压力变送器)、PLC 和烟道执行器构成闭环随动调节系统。通过 PID 自动调节电动蝶阀,稳定炉压,使其控制在依10 Pa 以内,以期达到较为理想的燃烧控制效果。

当炉压超过正常范围时,此参数也会参与燃烧的控制,暂时中断燃烧系统的执行,以保证炉体的安全性和可靠性。

3.4 其它控制及安全连锁

3.4.1 区域空气及煤气流量控制

      燃烧控制是建立在煤气和空气的流量控制上,不同的热处理工件需要不同的燃烧氛围即氧化性气体与还原气体。空煤比不合适,会造成燃烧条件不能满足工艺要求,形成过烧、工件表面成分改变等质量缺陷,因此,精准控制煤气、空气的流量配比至关重要。两个流量的控制分别取各自的流量信号,上传至PLC,PLC 通过 PID 计算,一是控制煤气电动调节阀,调节煤气流量,二是控制风机的变频电机,调节风量和风压,使两者的配比始终处在一个合适的需求范围之内。

3.4.2 换热器温度控制

      为了充分利用空气余热,达到节能减排的效果,一般工业炉窑都会设置不同形式的余热利用装置。但过高的空气温度会使得空气换热器加速损坏,为了防止空气换热器温度超过设定水平,当检测到换热器温度超限时,PLC 发出相应控制指令,开启位于主风管稀释风机入口的两个控制阀,对烟道进行掺冷风降温。当换热器下游废气温度低于设定值 500益时,空气走旁通。为保持换热器温度保持在一个安全的水平并防止超过燃烧空气温度,通过放掉一部分热风到大气中来使通过换热器的空气流量减少。

3.4.3 燃烧安全和切断控制

      由于退火炉使用的气体为混合煤气, 为保证安全运行,在煤气、空气或压缩空气压力低时要求煤气能够快速切断,以防止回火引起爆炸。煤气切断后自动进行氮气吹扫。在实际操作中,当出现下列情况之一时,为了保证人员和设备的安全,燃烧控制自动切断或者自动锁定或继续。同时,设置在控制室内电控柜上的声光报警器会发出报警指示。

切断条件:

(1)系统跳电。

(2)动力气源压力低。

(3)燃烧空气压力低。

(4)煤气压力低。

(5)操作急停。

      结论:通过对炉温的多种控制方式的应用,提高了系统的响应速度,炉内温度的均匀有了明显的改善,既降低了能耗,更能很好的完成对工件的热处理。烧嘴燃烧模式的选择,使系统燃烧控制方式有了很大改进,退火炉的工作能力有了很大的提升,生产需求得到了拓展。