热风炉燃烧控制系统

陈廷军

[摘 要]本文阐述了混凝土输送管热处理生产线燃烧控制系统的设计，并全面分析了燃气加热系统的组成和控制原理。在燃烧控制系统设计中，基于S7-300和PROFIBUS现场总线构建了燃烧硬件控制系统，基于组态王监控平台和Step7编程工具开发了燃烧软件控制系统，实现了燃烧系统的集中管理和分散控制，保证了烧嘴高效燃烧和炉膛温度均匀，达到了节能环保的效果。

[关键词]输送管 燃烧控制 PLC 节能

中图分类号：S763 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0195-03

Heat Treatment Combustion Control System Design of Concrete Delivery Pipe

[Abstract]This paper describes the combustion control design of the concrete delivery pipe heat treatment production line， and a comprehensive analysis of the composition of the gas heating system and combustion principle. Combustion control system design， combustion hardware control system is built based on the S7-300 and PROFIBUS Fieldbus， burning software control system has developed based on the Kingview monitoring platform and Step7 programming tools， Combustion system of centralized management and decentralized control is achieved， the efficient burner combustion and furnace temperature uniformity is ensured， to achieve the energy saving effect is achieved.

[Key words]Delivery pipe Combustion control PLC Energy-saving

0、引言

現有输送管热处理生产线采用积放式淬火，生产效率低下，不能满足生产要求。为了提高输送管产能和质量，设计了连续式淬火输送管热处理线，该生产线能够大大提高输送管的产能和质量，为公司创造更大的效益。由于天然气加热具有能源成本低、能利用燃烧生成物的动量均匀加热及在一定限度内可以进行强化加热的特点，该输送管热处理生产线加热炉前段采用天然气加热方式。

目前，绝大多数热处理加热炉的燃烧控制主要还是采用手动控制，燃气流量和空气流量的大小由人工凭经验手动调节，加热炉温度波动较大，造成燃气的巨大浪费。基于PLC的燃烧集散控制系统实现了燃烧过程的自动控制，保证了燃烧过程的高效、节能、稳定，达到了炉膛温度均匀的效果。

1、系统分析

输送管热处理生产线加热炉采用箱式连续加热炉，该加热炉具有无炉门、输送管采用悬挂方式、炉子高和炉体长的特点，对加热炉燃烧控制提出了严格的要求。

天然气加热处于加热炉入口段，因此影响燃烧控制系统的因素较多：

（1） 加热炉炉膛高，会造成加热炉上、中、下层温度不均。

（2） 在入炉口会受到外部冷空气的影响，形成炉底进风，炉顶会有少量热量流失的现象。

（3） 炉顶开口部分会有少量热量流失。

（4） 冷输送管进入加热炉，带动炉内气流流动以及输送管吸热都会使炉内温度产生变化。

（5） 排烟系统排烟阀开度调节对炉膛压力及温度的影响。

2、系统总体方案

针对加热炉天然气加热段的特点，在加热炉入口安装风幕，将烧嘴安装在加热炉侧壁上，分为上、中、下三层，在加热炉上部，安装4个排烟阀，通过引风机将加热炉多余热量引到回火炉进行利用，达到节约能源的效果[1]。

加热炉天然气燃烧控制系统主要由送风系统、燃料系统、烧嘴点火系统、温度控制系统、排烟系统组成。

2.1送风系统

送风系统如图1、2所示，由助燃风机向空气管路送入一定风速和风量的空气，通过调节风机的速度和助燃风机风门的开度来调节空气管路的压力，通过空气压力来调节空燃比例阀的开度，达到调节燃气流量大小的目的。送风系统由空气主管道送出，通过各个分管道送到每个烧嘴，一个电动调节蝶阀控制4个烧嘴的空气流量。通过手动或自动控制电动调节蝶阀的开度来调节空气流量的大小，达到调节火焰大小的目的。送风系统设有低压检测开关和压力传感器，当空气主管道压力过低时，燃气切断阀断电，燃烧系统停止工作；压力传感器实时检测空气主管道压力，压力信号反馈给PLC，PLC通过程序对助燃风机速度进行调节，保持空气主管道压力稳定。

空气主管道压力受烧嘴点火及火焰大小调节影响，压力实时变化较大，因此系统采用PID对空气主管道压力进行调节，通过西门子S120变频器控制助燃风机的速度，维持空气主管道压力稳定。

2.2燃料系统

燃料系统如图1、2所示，燃料系统的功能在于保证烧嘴燃烧所需压力稳定的天然气。燃料系统设有多重安全措施，包括机械式安全切断阀、安全放散阀、高＼低压检测开关、安全切断阀。燃气主管道装有压力传感器，在工控机界面上实时显示燃气主管道压力。高压和低压检测开关对燃气管路压力进行高低压限制，当压力过低或过高时快速断开燃气切断阀，起到安全保护的作用。endprint

2.3点火系统

点火系统如图2所示，点火系统采用点火控制器发出点火信号，由点火变压器进行点火，同时进行火焰信号的检测和点火状态的显示、报警，点火不成功进行手动和自动复位操作，并自动进行重新点火操作。烧嘴在点火过程中，采用分组点火的方式，避免系统压力波动大，造成系统不稳定。烧嘴采用空气过剩系数固定方式燃烧，确保天然气与空气均匀混合进而在一定的火焰区域内完全燃烧[2]。

2.4温度控制系统

烧嘴在加热炉侧面按上、中、下三层布置，横向4个烧嘴为一个区，用两个热电偶进行测温，一个只用于检测该区温度，另一个热电偶将采集到的温度信号反馈给智能温控仪表，智能温控仪表对该区烧嘴火焰大小进行调节，进而调节该区温度。

2.5排烟系统

在加热炉燃气加热段上部，装有四个排烟阀，通过排烟阀的开度来调节炉膛压力。利用微差压传感器检测炉膛压力，压力信号反馈给PLC，PLC采用PID进行实时炉膛压力调节，维持炉膛微正压。排出的热量通过引风机引向回火炉，提高热量的利用率。

3、硬件系统设计

根据输送管热处理生产工艺要求，加热炉燃烧控制系统采用基于组态王、智能仪表控制和PLC现场控制的分散控制、集中管理的智能控制系統；采用UPS电源供电，保证系统可靠稳定运行。

系统采用UPS电源进行供电，提高供电系统电源的质量，在意外断电情况下保持燃烧控制系统持续供电，维持系统正常稳定运行，防止意外断电造成系统数据丢失和系统停止运行，导致输送管报废和加热炉因过快降温而损坏。

系统由SIEMENS PLC 317-2DP CPU、PROFIBUS网络、ET200M远程站、S120变频器、温控仪表、工控机、点火控制器、传感器、执行器等组成。下面根据确定的控制系统方案，按照现场层、控制层、监控层的结构分别进行详细的系统硬件设计。燃烧控制系统硬件结构如图3所示。

3.1燃烧控制系统现场层的硬件结构

在燃烧控制系统中，现场层主要负责现场信号的采集、处理、动作的执行及设备的手动控制等任务。现场层设备包括传感器、阀、助燃风机、点火设备等。对于设备的手动控制，设置现场控制和中控室两套操作系统，方便系统操作和设备可靠运行。

3.1.1传感器

传感器主要负责现场信号的采集及处理工作，燃烧控制系统传感器包括一体化热电偶温度变送器、压力传感器、高/低压开关。

一体化热电偶温度变送器从加热炉采集温度信号，通过温度变送器将温度信号变换成4～20mA的DC电流信号，送给ET200M远程站。

压力传感器包括空气主管道压力传感器和燃气主管道压力传感器，用于反馈管道实时压力，PLC控制器根据反馈的压力信号对空气主管道压力进行调节，燃气主管道压力反馈信号用于实时监控燃气主管道压力。

高/低压开关包括空气主管道低压压力开关、燃气主管道高压压力开关和低压压力开关，当空气主管道压力低、燃气主管道压力高或压力低时，断开燃气切断阀，起到安全保护的效果。

3.1.2阀

阀包括电动调节碟阀、燃气切断阀、电磁阀。

电动调节碟阀采用连续控制信号，可以对阀位做精确调节，用于在烧嘴点火完成后，调节空气管道风量，进而调节烧嘴火焰的大小。

燃气切断阀属于液压作用常闭安全阀，当切断供电后，油压会立即释放，在弹簧作用下，阀门会在1秒钟内迅速关闭。燃气切断阀用于在异常情况下快速切断燃气，起到安全保护的作用。

电磁阀用于在烧嘴点火时，打开该烧嘴支路燃气，点火不成功则关闭该电磁阀，防止燃气泄漏，对系统起到安全保护的作用。

燃气切断阀属于液压作用常闭安全阀，当切断供电后，油压会立即释放，在弹簧作用下，阀门会在1秒钟内迅速关闭。燃气切断阀用于在异常情况下快速切断燃气，起到安全保护的作用。

电磁阀用于在烧嘴点火时，打开该烧嘴支路燃气，点火不成功则关闭电磁阀，防止燃气泄漏，对系统起到安全保护的作用。

3.1.3 助燃风机

助燃风机用于向空气主管道吹入空气，通过调节助燃风机风门和助燃风机速度达到恒定的空气主管压力。

3.1.4点火设备

点火设备包括点火变压器、点火控制器、烧嘴。

点火变压器产生高压电打火，点火控制器发点火信号给点火变压器后，点火变压器产生5KV高压电进行烧嘴的点火。

点火控制器用于烧嘴燃烧的自动点火和火焰监测。当点火控制器得到点火命令后，发出点火信号给点火变压器，在安全时间内接收到火焰监测电流信号，点火控制器显示点火成功，否则显示点火故障，需要重新点火。

烧嘴采用高速烧嘴，该烧嘴的燃烧室体积小、热负荷高、出口燃气速度快，从而强化对流传热，促进炉内气流循环，达到均匀炉温的目的。

3.2燃烧控制系统控制层的硬件结构

燃烧控制系统控制层由西门子S7-300控制器、人工智能温控仪表、ET200M远程站、S120变频器组成。S7-300控制器分为两条通讯链路：一条与ET200M远程站通讯，另一条与西门子S120变频器通讯，采用PROFIBUS现场总线通讯，通信速率187.5Kbps。人工智能温控仪表基于AIBUS协议的RS485总线通讯，采用先进的人工智能调节算法。人工智能温控仪表在烧嘴点火成功后，根据设定的温升曲线通过对烧嘴火焰大小的调节，从而实现对加热炉的温度调节[3]。

3.2.1西门子S7-300控制器

控制器选用西门子CPU317-2DP控制器，采用模块化结构设计，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，指令处理时间0.6～0.1μS，具有多种不同的通讯接口，用来连接AS-i接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统，具有模块信号诊断功能等。endprint

3.2.2人工智能温控仪表

温控仪表选用宇电人工智能温度控制器，输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级，采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。

3.2.3ET200M远程站

ET200M远程站由接口模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块组成，各模块之间通过背板总线进行通讯。ET200M远程站负责现场信号的采集、处理、与PLC进行通讯、输出等工作。

3.2.4 S120变频器

助燃風机采用基于模块化设计的西门子S120变频器，该变频器由控制单元、功率模块、存储卡和BOP20面板组成。

3.3燃烧控制系统监控层的硬件结构

燃烧控制系统监控层由工控机、显示器及工业以太网组成。工控机通过RS-485总线与温控仪表进行通讯，通过工业以太网与PLC进行通讯，实时显示生产过程中的实际画面与过程参数变化情况，对现场故障进行报警及记录，根据需要进行手动自动切换、修改设定值、调整控制信号、操纵现场设备、以实现对生产过程的控制。

4、软件系统设计

系统的软件设计包括两部分，即下位机的PLC控制程序和上位机监控程序。

4.1下位机PLC控制程序

下位机PLC控制程序设计采用Siemens STEP7控制程序开发平台，上位机监控程序设计采用组态王组态软件开发平台。下位机程序实现空气主管和燃气主管压力控制、烧嘴系统的点火和火焰状态调节、炉膛温度控制、炉膛压力调节等功能[3]。下位机主程序流程图如图4所示。

炉膛压力调节流程图如图5所示。

4.2上位机监控程序

上位机监控程序采用组态王开发软件设计了一系列上位机界面和程序，具体包括参数设置、参数显示、烧嘴手动点火/关闭、烧嘴状态显示/故障复位、烧嘴火焰手动调节、烧嘴自动点火及火焰调节、系统故障报警、实时/历史监控曲线绘制、打印报表等。

上位机监控程序如图6所示。

5、结论

本文采用集散控制方法设计了输送管热处理燃烧控制系统，该燃烧控制系统经过现场安装、调试，已经用于输送管的生产当中。在实际生产过程中，燃烧控制系统稳定，加热炉燃气加热段温度均匀，燃烧充分，节能效果良好，输送管产品质量和产能得到明显提升。

参考文献

[1] 吴光英.现代热处理炉（第一版）.北京：机械工业出版社，1991

[2] 杨献勇.热工过程自动控制.北京：清华大学出版社，2000

[3] 高洪斌.西门子PLC与工业控制网络应用.北京：电子工业出版社，2006

[4] 陈宗浩.热处理炉的温度测量与控制（第一版）.北京：机械工业出版社，1990endprint