新型梭式窑炉燃烧控制系统

贾华;关福彪;魏学;郭晓阳;安婷

【摘 要】根据某厂35m3梭式窑炉自动控制系统应用及烧成过程工艺要求，针对传统控制方式控制精度低、调节时间长、控制不稳定等的问题，提出专家PID控制在工业窑炉温控系统中的应用，解决了建模困难、非线性等技术难题，并对燃烧系统、炉温自动控制进行专项研究，通过硬件组态、软件算法程序编写、上位机界面设计，构建了燃烧系统和炉温控制系统一体的综合监控系统，实现了现场信息采集和窑炉自动控制功能。实际应用证明，系统安全可靠、稳定运行，具有很好的控制效果。

【期刊名称】《制造业自动化》 【年(卷),期】2014(000)010 【总页数】5页(P4-8)

【关键词】专家PID控制;燃烧系统;监控系统 【作 者】贾华;关福彪;魏学;郭晓阳;安婷

【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院，包头 014010;内蒙古科技大学信息工程学院，包头 014010;东北大学机械与自动化学院，沈阳 110089;内蒙古科技大学信息工程学院，包头 014010;内蒙古科技大学信息工程学院，包头 014010 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273

工业窑炉是烧成过程工艺必要的生产设备，而梭式窑是高耗能工业窑炉的代表，其结构特殊、运行环境恶劣、控制手段落后，所以研究梭式窑炉燃烧系统及炉温控制系统对提高制品质量、节约能源具有重大的意义。在全面分析梭式窑炉烧成过程工艺基础之上，充分研究燃烧系统，针对炉温时变非线性、多耦合和纯滞后等问题，将专家系统与PID控制相结合，提出了一种专家PID控制器并将其实际应用于梭式窑温度控制系统中[1]，改善了传统PID算法超调大、调节时间长等不足。在实现温度控制的基础之上，对压力及气氛制度进行辅助调节，上位机采用Wincc监控系统，通过Profibus-DP总线搭建自动控制系统，使温度、压力参数双双按照趋势曲线变化，长期的实际运行结果说明此方法可行且效果极佳，具有很好的参考价值。

在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量，或者将电能转化成热量对工件或物料（非金属）进行加热的设备，称为工业窑炉，其中烧成过程的自动化程度是衡量窑炉性能的重要指标。梭式窑的烧成工艺主要包括温度、压力、气氛制度，通常应用窑炉烧成自动控制系统设定温度、压力曲线进行煅烧[2]，而烧成自动控制系统的好坏主要以预期的烧成曲线与实际运行曲线的拟合程度作为评价标准，具体采用什么样的烧成曲线，取决于制品本身的质量要求，同时考虑应用性、经济性等问题。由于梭式窑极具灵活性，所以对于不同的制品，只要知道其热工制度，便能实施控制及生产。

对于长石质瓷制品，烧成过程一般分为三个阶段：低温阶段（常温—900℃），应用对流换热，使窑炉温度按一定的升温速率到达设定烧结点，使坯体在300℃之前排出在干燥过程中残余的水分和气泡，固体颗粒紧密靠拢发生少量的收缩，随后进入升温阶段，碳酸盐分解、排除结构水、石英晶型转，其中升温不宜过快，若不能保证温度分布均匀，易产生烟熏、起泡的缺陷；高温阶段（900℃—烧成温度），氧化气氛时低速升温，加强烟气流通量，提高空气过剩系数，完成强氧化到强还原

气氛的过渡尤为重要，进入玻化成瓷期（烧结过程），完成扩散传质、液相的高粘度化、致密化，强度、硬度增大；降温阶段（烧成温度—常温），保持均温下降，且在特定温度区间不宜降温过快，伴随温度的降低，坯内液相粘度增大，瓷坯固化。总之，温度制度在对应时间段的变化直接影响烧成质量，所以控制好温度变化具有重要意义。

图1为某梭式窑设定的烧成温度、压力和排烟风机运行及助燃风曲线图，按影响因素分六个区：Ⅰ区：氧化气氛区（负压）；Ⅱ区：强氧化气氛(微负压)；Ⅲ区：强还原气氛（零压）；Ⅳ区：弱还原气氛（微正压）；Ⅴ区：氧化气氛(微正压)；Ⅵ区：氧化气氛（正压）。

其中强氧化气氛时，空气过剩系数α取值1.6～2.0之间，而强还原气氛时CO浓度在3%～7%之间，α小于1.0。满足这些烧成工艺中的要求，制品的质量才会有保证。由于工艺的复杂性，所以对窑炉的基本结构、控制系统都是巨大的挑战。本文在窑炉燃烧室内应用高速脉冲烧嘴燃烧天然气，通过燃气燃烧使窑内温度升高，调整排烟风机、助燃风机、二次风机的供给量来改变窑内的压力和气氛，其中各个因素的严重耦合使得控制难度增大，提出应用专家系统PID算法在梭式窑中[3]，很大程度上解决了烧成过程曲线的控制。

烧成过程主要设备包括窑体、台车、燃烧系统、一二次风管道、天然气管道、调压系统和控制设备等组成[3]，其中对烧嘴的控制要求高，空气、天然气按比例混合燃烧，提高燃料的利用率。不同梭式窑控制系统设计的要求不同，本文依据某电瓷生产厂35m3燃气梭式窑的实际情况，系统共有14个温度检测点、14个烧嘴火焰检测器、7个温区、2个压力检测点（部分如图2所示）。

燃烧系统作为控制重点，主要由烧嘴控制器（如图）构成，其中包括点火控制器、复位继电器、点火变压器、火焰监测系统。高速脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式，PLC系统对输入温度与传感器检测炉内实际温度进行专家PID计算，

得出最佳系数并通过电压或电流信号传递到脉冲燃烧控制器，使用脉冲宽度调制技术，通过调节燃烧时间的占空比实现窑炉的温度控制。在应用霍科德IFS系列高速脉冲烧嘴时与脉冲控制器配合，喷射燃烧气体速度快，使周围大部分时间呈现微负压状态，延长了烟气与制品接触的时间，当一个烧嘴功率达到最大时候，另一个达到最小，通过这种方式来加剧气流流动，消除局部热点，以此来改善窑内温度场、气氛场、压力场的均匀性和稳定性，提高传热效率[4]。

空/燃气比例阀（FV）为弹簧机械阀，通过连接到空气管路上的10mm紫铜管导压管来接收空气压力调节信号，根据开度比例控制了进入烧嘴的燃气量，最终调节烧嘴的功率，从而实现大小火时空气、燃气配比合理，燃烧充分。使用这种阀门来控制空气和燃气的配比，可以减少中间环节,提高系统的响应能力。考虑到工作窑炉到主控室距离远，设计远程控制和就地控制两种点火方式，既可以在控制室通过上位机操作画面点火、复位，也能通过现场就地箱控制按钮点火。

稳压系统包括排烟风机、助燃风机、二次风机，通过控制器对变频器设置拖动各个风机进行压力调节，为了确保烧成生产的顺利完成，务必要使窑内压力按温度值变化维持在所需气压下，既保证了窑内热量不流失，又可阻止窑外冷空气进入窑内，也可以减少能源浪费使窑内烧成温度分布趋于稳定，同时提高烧成效率和质量。为了最大程度上利用炉内高温热风，结合窑内实际工况在烟气的出口有换热器进行余热回收，给一次空气进行预热，实现资源有效利用。

专家系统控制器主要包括信息获取与处理、数据库与知识库、推理机、控制与操作机构和PID控制器组成。在线获取实时检测到的数据与状态[5]，经过在数据库与知识库中的查找和匹配，更新重要数据与知识，为推理机提供特征信息，利用推理信息获得PID控制器的Kp、Ki、Kd参数，控制与操作机构把获取到的PID参数信息嵌入到PID算法中，实现实时在线更新。专家控制器是电瓷梭式窑炉自动控制系统设计的核心，而其中专家系统推理规则是专家控制器的核心。

控制模式自学习，是规则库和环境互相作用中不断使自身得到修改和改善。采用统计学习方法，认为某规则以一定的概率成立，概率越大，规则越可信。它利用实际操作结果与预测结果相近出现的统计频率来近似规则成立的概率，即式中， P为第j组规则成立的概率；R、F j分别为推理系统的准确和错误程度，即： R和F的具体取值：

其中，r1是含氧量误差，燃烧天然气加入量误差，炉内压力误差，定义 Pj＜0.5时对规则进行补充及修正。

隶属函数采用正态分布函数：，带自调因子的模糊推理机全论域内的推理规则可表示，其中E为温度设定值与实际值偏差，EC为偏差变化率，α为自调因子。 专家PID控制器根据实际运行状态在线修改Kp，Ki，Kd参数。

由于模糊控制规则确定的三个参数Kp，Ki，Kd是动态变化的，其中为初值，pkΔ、为模糊规则输出数值[6]。

Rule1：IF是弱氧化阶段AND e（t）＞20℃THEN减少燃烧天然气h(t)10.5m3并且增加二次风机鼓风量5.3m3。

Rule2：IF是弱氧化阶段AND e（t）＞12℃THEN减少燃烧天然气h(t)5.4m3并且增加二次风机鼓风量2.7m3。

Rule3：IF是弱氧化阶段AND e（t）＞5℃THEN减少燃烧天然气h(t)2.8m3并且增加二次风机鼓风量1.5m3。

Rule4：IF是弱氧化阶段AND 2℃≤|e（t）|＜5℃ THEN减少燃烧天然气h(t)0.9m3并且增加二次风机鼓风量1.0m3。

Rule5：IF是弱氧化阶段AND |e（t）|＜2℃THEN减少增加燃烧天然气h(t)0.4m3并且增加二次风机鼓风量0.6m3。

Rule10：IF是强氧化阶段AND e（t）＞20℃THEN减少燃烧天然气h(t)9.8m3并且增加二次风机鼓风量4.8m3。

Rule36：IF是弱还原阶段AND e（t）＜-20℃THEN增加燃烧天然气h(t)10.3m3并且增加二次风机鼓风量5.2m3。

根据梭式窑炉工艺特点，本设计采用西门子WINCC软件设计上位机界面，界面包含数据初始化模块、监控主界面、设置温控曲线、压力趋势曲线、历史数据生成报表、报警窗口及用户设置等功能，如图5所示。

其中数据初始化模块主要是记忆历史数据输入、上下限报警数据的输入、各类生成报表格式，可以默认设置将上次使用过的烧成制度数据作为本次烧成数据的初始化；窑炉监控主画面应用所有烧成监控数据（各个温区实时温度数据、压力数据输出、比例阀的开度情况）动态显示，并且带有实时棒状图，提供用户根据数据变化进行烧成操作；设置烧成曲线可以通过多种途径，主要优点是可以根据烧成情况修改当前运行状态下的烧成曲线，通过数据初始化模块调出历史数据直接输入，亦可直接在界面直接画出曲线，还可以在界面上输入温度分区、上升时间、保温时间等；压力趋势曲线对比显示设定压力与输出压力曲线；历史数据生成报表可以调出以往任何时间的实际温度、压力曲线、设置的烧成曲线，所有历史数据都能生成多种格式的图表，方便编辑、打印、修改；报警窗口不仅提供上下限的温度值、升温速度过快、各类开关量报警，还具有自诊断、短时断电自复位功能。

由实际运行按照前文所述的从生产工艺出发，充分考虑性价比、预留备用等因素认真进行硬件选型，分别对上位机组态、下位机编程，现场仪表控制器实际安装，初步上电运行并经过反复测试到后期投产，系统一直维持稳定可靠的运行，综合误差范围控制在±1.8℃以内，达到预期要求。

专家PID控制系统在实际应用的结果显示，不仅使窑炉内烧成制品质量满足要求，而且大大的节约了能源，降低了生产成本，实现了全自动化生产，为整个工业窑炉烧成技术提供了很好的参考价值应用前景非常可观。

【相关文献】

[1]蔡志端,毛建华,王培良.基于模糊免疫自适应PID的工业电炉多点温度协调控制[J].制造业自动化,2013(1):40-43.

[2]曾令可,李可,刘艳春.陶瓷窑炉实用技术[M].北京:中国建材工业出版社,2010:415-437 [3]孙优贤,褚健.工业过程控制技术[M].北京:化学工业出版社,2006:180-195. [4]张燕连.脉冲燃烧控制技术的应用实践[J].现代冶金,2009,37(3):4-7. [5]张雷.梭式窑温度控制算法及系统设计研究 [D].洛阳:河南科技大学,2012.

[6]刘增环,王利珍,何广祥.脉冲燃烧加热炉炉温模糊控制策略[J].自动化与仪表,2011(04):31-33.