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1、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
2、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。1 3高炉的 Ovation系统的软硬件介绍1.1 硬件整个 3高炉的 Ovation DCS 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
3、）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
4、统软件1. Unix 操作系统 Solaris 2.8；（180 站 OPC 服务器：采用 windows xp sp2 ） ；2. Ovation 软件、Power Tools、组态工具3. Oracle 8.0 数据库4. Auto CAD5. 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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、
11、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
12、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.炼铁厂点检联谊会研讨论文 - 5 - 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
13、，在相关的操作面板上，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
14、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，可以很好对过炼铁厂点检联谊会研讨论文 - 6 - 程量进行控制。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
