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    近年來，隨著燃燒控制技術的不斷發展，一些熱值較高的燃料(如：天然氣、重油等)被逐步應用于熱處理工藝中。在傳統的燃燒控制方式中，給加熱爐加熱一般是通過調節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，如果采用連續燃燒的方式進行控制，控制燃料流量的碟閥就要做得很小，而控制系統的響應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進行了研究和應用。這種控制系統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。由于它具有動態性能好、控制溫度波動小、節約燃料等優點，因而得到了廣泛的重視和應用。我國自90年代初開始引進這項新技術，經實際應用驗證，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為例，介紹這種控制系統的組成和控制原理。

    1、工藝簡介

    北臺球墨鑄鐵管廠退火爐是1994年從德國IOB公司引進的，具有世界先進水平。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行退火。爐子的結構為臥式，共有6個區，其中1區為加熱區，溫度控制在1010℃；2、3區為保溫區，溫度控制在970℃；4區為冷卻區；5、6區為低溫區，溫度控制在700℃。管子在爐內運輸鏈的帶動下，以一定的速度由1區進入，從6區輸出。按照設計要求，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區進行了加熱處理，到達5區時溫度仍然在500℃以上，因此5、6區的熱負荷較低，所用煤氣的流量較小。5區共有4個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量為250m3/h左右。6區共有6個燒嘴，全部燃燒時煤氣總流量為350m3/h左右。5區煤氣管路直徑為100mm，6區煤氣管路直徑為120mm。為了滿足工藝要求，5、6區采用了時序脈沖燃燒控制系統。由于5、6區控制系統在設計上基本是一樣的，為此，本文僅以5區為例介紹時序脈沖燃燒控制系統的組成和控制原理。

    2、控制系統

    2.1 組成及工作原理

    控制系統的硬件結構簡圖如圖1所示。

圖1 控制系統硬件結構簡圖

　　其工作原理如下。爐子的溫度是通過PI調節器設定的。PI調節器對設定的溫度與熱電偶檢測到的爐子實際溫度進行采樣，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。這個電流信號經過A/D轉換器轉換成數字量以后，送給S5－115UPLC控制系統。S5－115U產生一系列時序脈沖信號，并根據輸入數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，進而控制退火爐的溫度。圖1中，PI調節器采用PHILIPS公司的KS4290系列數字式調節器。這種調節器是PHILIPS公司于90年代初生產的新型智能化調節器，可以實現正偏差和負偏差兩種調節方式，即當PI算法計算出的偏差值為正時，調節器工作在正偏差調節方式，輸出電流在12～20mA之間變化。當PI算法計算出的偏差值為負時，調節器工作在負偏差調節方式，輸出電流在4～12mA之間變化。S5－115U可以根據A/D轉換器輸出的數字量的大小來識別調節器工作在哪一種調節方式。當調節器工作在負偏差調節方式，并且爐子的溫度高于工藝要求的溫度范圍時(5區的溫度范圍為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 軟件設計

    在時序脈沖燃燒控制系統中，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定溫度和爐子實際溫度的偏差值決定的。因此如何產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需要解決的關鍵性技術問題。為了確保系統的可靠性，該控制系統采用S5－115UPLC控制系統來生成時序脈沖信號和控制燒嘴的燃燒時間。

    5區共有4個燒嘴，對稱分布在爐內兩側。S5－115U使用4個擴展脈沖計時器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轉換器轉換以后得到的數值。計時器是通過S5－115U的一個中間標志字節FY29的4個標志位的信號狀態來啟動的，即當標志位FY29.3的信號狀態為1時，啟動計時器T3，點燃4＃燒嘴；當標志位FY29.2的信號狀態為1時，啟動計時器T2，點燃3＃燒嘴；依此類推，當標志位FY29.0信號狀態為1時，啟動計時器T0，點燃1＃燒嘴。為了使標志位的信號狀態能依次被置位和復位，進而產生時序脈沖信號，圖2為一個循環的程序流程框圖。

圖2 產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。當脈沖1到來時，執行第1個判斷Y以后的程序，FY29.3置位為1，FY29.2、FY29.1、FY29.0為0。第1個脈沖過去后，執行第1個判斷N以后的程序，各標志位的狀態將維持5s。第2個脈沖到來時，信號狀態為1的位，將由FY29.3移至FY29.2，FY29.3將由0補充。同時，由于執行了第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，這個狀態仍將維持5s，……當第5個脈沖到來時，將執行兩個判斷Y以后的程序，重新置位FY29.3，開始下一個循環。由程序流程圖產生的各個標志位及各個計時器的信號狀態如圖3所示。

圖3 各標志和計時器信號狀態圖

    圖3中各標志位置位的時序即是各燒嘴被依次點燃的時序，計時器的信號狀態即是燒嘴的工作狀態。每個燒嘴經過20s被循環點燃一次。時間t即是燒嘴的燃燒時間，是由PI調節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能力，這是決定該控制系統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年代初研制生產的IFS110IM型燃燒控制器。燒嘴采用該公司同期生產的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，其控制系統線路原理如圖4所示。

圖4 燃燒控制器和燒嘴控制系統線路原理圖

    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。當控制某一個燒嘴的時序脈沖信號到來并且K3已經吸合時，與該脈沖信號對應的計時器置位，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。當計時器達到計時值時，計時器復位，K1斷開，主煤氣閥及主空氣閥關閉，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閉，才能實現脈沖燃燒控制。這樣可以充分保證燒嘴具有快速的響應能力，以提高控制系統的性能。

    圖4中，檢測回路是根據煤氣在燃燒時具有導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生一個4V左右的控制電壓，當點火燒嘴未點燃時，該輸出端對地是開路的；當點火燒嘴點燃時，由于煤氣在燃燒時具有導電性，該輸出端對地形成回路，并產生一個大于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。當因為某種異常的原因導致點火燒嘴熄滅時(如：煤氣熱值過小、控制系統出現故障等)，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斷，避免煤氣泄漏給人身和設備帶來危險。

    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中，當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。這是保證控制系統能否達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年代初生產的MK5型閥來控制煤氣的流量，并采用德國LANDISGYR公司同期生產的SKP20110B27型氣動比例調節閥來控制空氣的流量。MK5型煤氣控制閥可以實現慢開啟、快關斷功能，即當閥得電時緩慢打開，而失電時快速關斷。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型氣動比例調節閥通過一個連接管路和主煤氣管路相連，當主煤氣閥打開時，氣動比例閥通過連接管路對煤氣流量進行采樣，并按照一定的比例打開主空氣閥。當煤氣流量變化時，空氣流量按一定比例跟隨變化。當主煤氣閥關斷時，主空氣閥也即刻關斷。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節，提高系統的快速響應能力。

    2.5 爐壓控制

    為了確保燒嘴具有良好的燃燒狀態，5、6區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，通過調整擋板的開度來控制爐壓。擋板是由執行器驅動的。PID調節器采用了PHILIPS公司90年代初研制的KS4290系列數字化調節器。爐子壓力通過PID調節器來設定。PID調節器對設定的爐壓和壓力變送器回饋的爐子實際壓力進行采樣，并按照增量型PID算法計算出偏差值，由偏差值的正、負控制執行器的正轉和反轉，由偏差值的大小控制執行器轉動量的大小。在實際生產中，燒嘴是在微正壓的狀態下燃燒的，爐子壓力應控制在5Pa為宜。

    2.6 系統動態性能分析

    動態性能好壞是衡量一種控制系統質量好壞的重要標志。從對圖3的分析可以看出，時序脈沖燃燒控制系統可以實現連續燃燒和脈沖燃燒兩種狀態。當熱電偶檢測到的實際溫度遠遠小于設定溫度時，PI調節器輸出的電流最大，計時器的計時值t大于20s，這樣，某一個已經被啟動的計時器在沒有達到計時值時，被下一個到來的時序脈沖信號重新啟動，計時器的信號狀態始終為1(4個計時器都是這種情況)。此時，各燒嘴處于連續燃燒狀態。當實際溫度接近設定溫度時，燒嘴由連續燃燒狀態轉變成脈沖燃燒狀態，并且燃燒時間逐漸減小。當實際溫度等于或大于設定溫度時，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相當于一種變比例、變積分PI控制器，當實際溫度遠遠低于設定溫度時，系統給出最大輸出，相當于比例作用增強，積分作用減弱，控制系統通過連續燃燒使爐子獲得最快的升溫速度。同時，當溫度偏差較小時，燒嘴處于脈沖燃燒狀態，相當于比例作用減弱，積分作用增強，進而減小溫度的超調量和穩態誤差，因此采用這種控制系統一般情況下不會出現溫度振蕩的情況。此外，與連續燃燒控制系統相比，這種控制系統使用兩位閥控制燃料輸出，由于兩位閥只有開、關兩種狀態，因此可以克服連續燃燒控制系統中碟閥的非線性死區對控制溫度的影響，充分提高了控制系統的動態性能。

    從對圖1的分析可以看出，當爐子溫度發生擾動時，適當調整PI調節器的比例和積分參數，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，可適當加大比例系數，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中，由于燒嘴在不同的區域以一定的時序點燃或熄滅，因此可能出現爐膛內溫度控制不均勻的情況。從對圖2的分析可以看出，適當改變圖2中脈沖信號的占空比，可以改變燒嘴被循環點燃的時間間隔，控制脈沖燃燒的節奏，進而改善溫度控制不均勻的情況。當然這樣做會對控制系統在其它方面的性能產生影響。

    在實際應用中，要對上述因素全面考慮、綜合分析，根據實際情況反復調整有關參數，以達到最佳匹配，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公司全套設計、調試和生產的，自1994年投產以來，控制系統的可靠性和安全性都是很好的。5、6區的溫度波動范圍低于±10℃，控制系統動態性能良好，控制精度達到了1.5％，滿足了工藝要求，同時能耗也較低，是一種代表當今世界燃燒控制技術發展趨勢的新型燃燒控制方式。但我們在實際應用中也遇到了一些難以解決的問題，主要有：煤氣質量不好導致控制系統性能下降。由于北臺球墨鑄鐵管廠沒有安裝壓力調節裝置、熱值調節裝置、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。此外，點火燒嘴的煤氣管路較細，焦油含量過大可以導致煤氣流動不暢，燒嘴不易點燃。為此，今后在引進和自行設計時序脈沖燃燒控制系統時，首先要考慮配套設施的完善，充分提高煤氣的質量，這是保證控制系統是否能可靠運行的重要因素。