高炉热风炉自动控制系统.doc

高炉热风炉自动控制系统
1.l 概　　述
1.1.1 研究背景
高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。
热风炉是一个非线性的、大滞后系统，影响热风炉的因素有很多，并且各种因素相互牵制，因此导致它的控制过程非常复杂，很难用精确的数学模型描述。用传统的方法建模，使整个控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性及应变性，很难胜任对复杂系统的控制。
1.1.2 国内热风炉控制系统现状及存在的问题
目前许多钢厂热风炉控制系统采用由可编程控制器（PLC)与过程控制器（或集散系统）分别完成电气与仪表控制的方法进行控制。例如改造前的广钢3#高炉热风炉采用HONEYWELL S9000过程控制器完成仪表控制，采用西门子S5115U可编程控制器完成换炉控制；莱钢1#750M3高炉热风炉控制系统采用美国MODICON公司的E984-685 PLC完成顺序控制和回路控制；鞍钢10号高炉热风炉采用英国欧陆公司生产的网络6000过程自动化（DCS）控制系统完成热风炉燃烧控制，通过接口与MODICON(PLC)通讯，由PLC完成热风炉自动换炉、送风控制；宝钢1#高炉热风炉电控系统采用日本安川CP-3500H PLC,仪表控制系统采用日本横河CENTUM-CS集散控制系统，上位机采用HP-9000，电气的PLC和仪表的现场控制站间以V-NET网连接，上位机间通过以太网连接，V-NET网和以太网间通过ACG（通信接口）连接。
这类热风炉存在的问题主要有两方面：
（1）基础自动化控制系统设计不合理
大都采取用可编程序控制器和过程控制器（或集散系统）分别完成的方法进行控制。这种方法的缺点是为了将各部分连接成一个统一的系统，必须投入相当大的工程费用、时间和专门知识将不同类型的软件和用户接口予以配置、编程、调试和测试。这使得整个控制系统变得复杂、维护困难。
（2）热风炉燃烧控制问题
传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量,并计算出空燃比。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求,以获得最佳经济效益。由于热风炉的燃烧过程是一个连续的动态变化过程，控制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能通过输出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。因此，欲实现燃烧过程的实时控制，所需的数学模型相当复杂。此外，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气的具有三眼燃烧器的热风炉来说,由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入,因此需分别进行高炉煤气和焦炉煤气流量控制,且需进行高炉煤气和焦炉煤气流量比例控制,这使得系统回路更多、更复杂，同时还需设置煤气成分分析仪,这种仪器不仅昂贵,而且还需要良好的维护。一座高炉通常都带有4个(或3个)热风炉，如果每座热风炉都建立数学模型、设置煤气成分分析仪，不仅所设的仪表和控制回路较多,而且投资也相当大，因此国内很少有工厂采用。
许多工厂,包括广钢3#号热风炉大都使用较简单的控制系统,即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位自动控制,而阀位的设定值或开度由人工控制。由于人工控制难以在预热煤气和空气温度、高炉所需鼓风温度和流量、助燃空气压力等变化时以及热风炉蓄热量尚有富裕时及时修正热风炉加热的煤气和空气量,因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。
如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热，达到最佳燃烧效率，以确保向高炉送风的温度和时间，又能最大限度的减少能源消耗，防止热风炉拱顶过烧，以延长热风炉寿命是各大钢厂亟待解决的问题之一。
1.1.3 热风炉智能控制系统研究的意义
为了节能、降耗、改善环境，目前许多钢厂正积极进行技术改造。本智能控制系统成功运用在广钢球式热风炉上，为解决热风炉控制问题提供了一种新的思路。
在工业生产中，传统的DCS系统已经不能满足90年代自动化过程控制系统的设计标准和要求，本智能控制系统中的硬件设计采用西门子公司的SIMATIC PCS7控制系统，它为我们提供了一个统一的、开放的技术平台，省却了以往为将各系统连接在一起而必须花费大量的人力、时间进行接口编程、调试的麻烦。在此基础上，根据热风炉控制系统的工艺要求，本智能控制系统利用西门子公司提供的编程软件进行了程序设计。实践证明，这种方法大大提高了热风炉控制系统的可靠性，降低了系统维护的费用。
在高炉系统的生产工艺中,热风炉的燃烧控制是一个相当重要的部分,由于热风炉燃烧控制系统的复杂性和多样性,采用常规的系统建模、分析和控制的方法难以对它进行综合控制。人们尝试采用更先进的控制方法解决热风炉燃烧控制问题。智能控制是近年发展起来的一类控制方法，它的最大特点在于不需要对象精确的、定量的数学模型。智能控制的核心是控制决策，它采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。因此智能控制现已成为解决热风炉燃烧问题的主要手段。 智能控制系统的类型有很多，各种类型可以相互结合，形成新的控制方式。本论文采用模糊控制与神经网络相结合的方式实现热风炉燃烧控制，它将智能控制的研究成果应用于热风炉工业过程的控制中，丰富和发展了智能控制的内容，为解决复杂工业过程控制问题提供了一种新的途径。
1.2 高炉热风炉工艺流程及控制要求
本节介绍了某钢铁集团公司3#高炉热风炉需控制的设备情况、工艺流程以及工艺控制要求。
1.2.1 高炉热风炉系统概况
高炉热风炉共设置四座球式热风炉，每座热风炉由燃烧室、蓄热室、混风室以及各种阀门和相应的管道构成。四座热风炉共用二台助燃风机，二台助燃风机一台工作一台备用。热风炉设置烟气余热回收装置。

冷风充压阀
热风阀
高炉煤气
切断阀2
高炉煤气
调节阀2
助燃空气
燃烧阀2
冷风调节阀
热风炉
M
M
M
助燃空气管
热风管
煤气管
冷风总管
M
煤气管
助燃空气管
废气管
助燃空气
燃烧阀1
烟道阀
冷风阀
废气阀
M
高炉煤气燃烧阀2

高炉煤气
切断阀1
高炉煤气
调节阀1
高炉煤气燃烧阀1

助燃空气
调节阀1

助燃空气
调节阀2

图1.1 热风炉系统结构图

n 单座热风炉阀门
每座热风炉阀门分为送风系统阀门以及燃烧系统阀门。送风系统阀门有：冷风阀(LFF)、热风阀(RFF)、冷风充压阀(LCF)、冷风调节阀（LTF）等。燃烧系统阀门有：废气阀(FQF)、烟道阀(YDF)、助燃空气燃烧阀(ZQF)、助燃空气调节阀（ZTF）、高炉煤气燃烧阀(RSF)、高炉煤气切断阀(MQF)、高炉煤气调节阀(MTF)等。每座热风炉需要开关到位控制的阀门共11个。
n 热风炉公用系统阀门
热风炉公用系统阀门有：热风炉倒流休风放散阀、混风切断阀、混风调节阀。热风炉公用系统需要控制的阀门共有3个。热风炉系统图如图1.1所示。
1.2.2 热风炉工艺流程及工艺控制要求
n 热风炉工艺流程
热风炉主要任务，是将由冷风总管送来的冷风经热风炉送风系统阀门送至热风炉加热后，再送到高炉。
n 热风炉的工作状态
热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。
(1) 热风炉燃烧状态
热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。
(2) 热风炉送风状态
热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。
(3) 热风炉闷炉状态
热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。
n 热风炉工作状态的转换
热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。
热风炉工作状态改变周期顺序如下：
燃烧 休止 送风 休止

1.2.3 高炉热风炉仪表控制要求
n 高炉热风炉仪表控制的主要功能
(1) 助燃空气总管压力检测和控制
本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。
(2) 净煤气总管温度检测、压力检测和控制
(3) 热风炉燃烧控制
高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。燃烧控制得好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。
(4) 热风炉混风温度控制
热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。在基本工作制时,靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送,故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。
n 高炉热风炉仪表控制的主要参数
高炉热风炉控制系统主要参数有：拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、净煤气总管压力和净煤气总管流量。
1.3 热风炉燃烧过程智能控制
1.3.1 热风炉的燃烧过程
热风炉燃烧所用的燃料为焦炉煤气(ＣＯＧ)和高炉煤气(ＢＦＧ),两种燃料进入热风炉燃烧室后,在燃烧混合器内进行混合,再与助燃空气一起通过陶瓷烧嘴进行燃烧。热风炉的燃烧时间约为110min左右。燃烧时，炉体温度达1050度左右，拱顶温度最高不得超过1350度。热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值（空燃比）来实现。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说,包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。
热风炉的燃烧过程如图4.1所示，它分为加热期和蓄热期。在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限(图4.1中350℃),否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。

燃烧期
蓄热期
t
烟气温度

煤气流量

助燃空气量

拱顶温度

350℃
280℃

图1.2 热风炉燃烧过程原理图
1.3.2 热风炉燃烧控制系统方框图
根据图1.3.1热风炉燃烧控制系统方框图所示，在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350℃内，当废气温度达到350℃时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。

空气流量检测
煤气流量检测
空气流量
调节阀
煤气流量
调节阀
废气温度调节单元
煤气流量
设定单元
空燃比
设定单元
低选单元
运算单元
煤气流量调节单元
空气流量调节单元
煤气初期开度设定单元
空气初期开度设定单元
废气温度检测
拱顶温度检测

图7.3 热风炉燃烧控制系统框图
1.3.3 燃烧控制器设计
根据热风炉在加热期控制的主要目标是拱顶温度以及在蓄热期控制的主要目标是废气温度,本论文设计的控制器包括两个部分:根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器和根据废气温度调节的废气温度控制器。在加热期使用拱顶温度控制器，当烟道废气温度达到280℃时，废气温度控制器投入自动。
n 最佳空燃比控制器
最佳空燃比控制器为PID控制器，输入量为拱顶温度，输出量为最佳空燃比。
n 废气温度控制器
废气温度控制器为PID控制器，输入量为废气温度，输出量为煤气流量。

1.4混风温度控制方案
1.4.1混风温度控制要求
n 混风温度控制的目的
为保证高炉的稳定工作，要求:
送风温度保持在1000℃，不能出现大的波动,如图1.4所示。
开始送风时风温较高，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风。风温达到可以使用PID调节时，转换为自动，进行PID调节。

图1.4 温度控制要求
1.4.2 混风温度控制系统的主要参数
（1） 热风炉风温对象传递函数：
（2） 要求控制风温：1000℃左右可设定
（3） 要求控制风温在±10C°
（4） 新炉送风时，相当产生t=20C°的扰动。
1.4.3 混风温度控制策略
高炉热风炉混风温度控制系统工艺情况如图1.5所示 ，为单炉送风即每次一座热风炉送风，经过一段时间后，热风温度下降，第二座热风炉送风，第一座热风炉转燃烧，如此循环下去保证热风不间断。

图1.5 热风炉温度控制系统工艺
1HS-4HS -1-4号热风炉，SEQ顺序控制程序，ZI-阀位指示， M-电动调节阀 HC-手动控制输出, TIC-温度PID控制
送风温度控制通过调节混风阀的开度来控制往热风中送入的冷风，来控制送风温度。为安全起见，在送风管道上安装有两只热电偶，选择其中之一作为测量值。送风温度控制设计为PID控制回路，以确保较高精度的控制。
为了补偿新的炉送风时风温较高，可在新炉送风时，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风，然后设置为自动进行自动调节。
1.2.4 混风温度控制的实现
根据控制需要，将 PID功能块与逻辑控制相结合，可适应各种控制回路。所以利用SFC很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式。
图1.6显示了热风炉混风温度控制系统顺序控制的工作流程：

各个热风炉的状态转换由电气换炉控制系统控制，当送风管道里面混风后的风温低于要求温度的时候，对各个热风炉的工作状态进行切换，将新的热风炉转为送风状态，原送风炉转为燃烧状态。
开始

N
混风全自动？

Y

N
有新炉送风？

y
PID调节置手动

N
PID回路手动？

y
置初始开度

置PID回路自动

N
退出？

y
结束

图1.6 热风炉混风温度控制系统的工作流程
1.5 高炉热风炉智能控制系统的软件设计
高炉热风炉智能控制系统的软件设计主要包括三部分：燃烧控制、风温控制和换炉电气部分软件设计

1.5.1 高炉热风炉自动化部分软件设计
1.5.1.1 系统功能图的建立
用CFC编辑程序包括从库中拖放功能块、给功能块分配参数、功能块的相互连接等，其中，PCS7中提供了大量标准的过程工业功能块，如FUZZY控制、阀门控制、电机控制等。使得在编辑程序过程中更加简便。
（1） 打开CFC编辑器
已经建好的"ggglrfl"项目，先点S7 Program的属性，把过程名称改成Process，同样把Unit改成Unit1，插入一个CFC图，在右半窗口出现CFC1,用右键点属性修改它的名称，把它改成CFC_COMB1。
双击CFC_COMB1打开CFC编辑器。每个CFC图分为六页，可以用放大/缩小功能改变显示，还可以使用总貌和页面两个按钮在总貌和页面之间切换，在窗口下方的状态显示当前工作在哪一级或哪一个页面，如果想进入某一级或某一页面，使用菜单命令EDIT>GO TO>SHEET选择按钮1－6之一进入到相应的页面，也可以在总貌画面双击某一页面的空白区直接进入到相应的页面。
（2）从库中拖放功能块
打开CFC编辑器后就可以从库中拖放需要的功能块进行编程。自己编制的控制块经过编辑在库中注册后，可作为标准模块使用。
首先点击目录按钮，打开功能模块目录。然后选择所需功能块所在的卷，也可以在搜索框中输入功能块的名称进行搜索。找到所需功能块之后将所需要的功能模块拖放到页面1。
将功能模块移到页面1的适当位置。双击功能块的标题，在Properties对话框中输入名称点击OK，关闭对话框，该功能块的名称被改变。如果要求更进一步的了解这些或者其它模块的信息，例如，块中的哪个输入有哪个功能，选择相应模块然后按F1键。 在线的帮助将提供更进一步的关于模块及输入和输出的信息。
模块的选择是根据图7.3.2热风炉燃烧控制系统原理图所需要的模板去选择，从而实现燃烧控制的要求。
（3） 给功能块分配参数
前面组态的功能模块还应设置参数，既没有相互连接的输入必须分配正确的参数。分配参数在Object Properties对话框中进行。
只要双击该功能模块的标题，打开对象属性，进入Inputs/Outputs表页去修改自己所需要的参数值，修改完后关闭属性菜单即可。
在功能模块属性菜单中，可以设置参数为可视（Visibles）或不可视（Invisibles）,不可视参数只显示在功能模块的属性菜单中，而不显示在功能模块的CFC图中。

图7.7 CFC结构图
（4） 功能块的相互连接
功能块的I/O相互连接时，连线将自动生成，连线的位置不影响连接的功能，只要点击功能块的输入或输出的一端，在点击功能块的输入或输出的另一端，连线将自动生成。如图4.2，点击功能块INPUT_U的输出V,然后点击功能块INT_P的输入VTRACK,这两点的连线将自动生成。同样，点击功能块INT_P的输出V，然后点击功能块LIA的输入U，这两点的连线也将自动生成。如果连线错误，右键点击连线的输入或输出，然后选择Delete interconnection,删除错误连线。并且功能块的互相连接可以在不同的页面和不同的功能图之间进行。还有操作功能块不必与其他功能块连接，该块只是存放操作员输入的数据。
掌握了以上几个步骤，再根据系统图就可以进行编辑了，程序的模块的选择和连线见附录中所附的程序，程序的第一页为燃烧控制的烟气回路控制部分，第二页和第三页为空气回路控制部分，第四页、第五页以及第六页为煤气回路控制部分。
1.5.1.2 顺控功能图的建立
与回路控制协调工作的顺控功能图的建立可参见电气换炉程序设计部分。
1.5.2 热风炉电气控制系统的软件结构
将热风炉的控制软件结构分为如下三层：
第一层为主干控制层，其控制对象为四座热风炉，其控制功能为决定四座热风炉的运行方式，热风炉之间的送风顺序等。第二层为单炉控制层，单炉控制程序根据主干程序或操作人员在CRT上发出的换炉指令，给出各个热风炉各种状态改变的指令。第三层为单炉阀门控制层，单炉阀门控制层根据单炉控制层发来的指令，完成热风炉各种状态转变时各个阀门动作的顺序。
1.5.2.1.热风炉主干控制功能
主干控制层控制的对象为四座热风炉，其根据各种设定值，决定四座热风炉的运行方式，热风炉之间的送风顺序等。其主要控制功能为：
（1）热风炉自动换炉，"送风换炉信号"的产生有两种方式，一是"按时间"方式产生、二是"按送风温度"方式产生。
1) 按时间方式换炉是指热风炉在自动方式运行时，其送风换炉指令是由正在送风的热风炉送风时间到信号发出的；2) 按温度方式换炉是指热风炉在自动方式运行时，其送风换炉指令是由仪表"送风温度到"信号发出的。
"送风换炉信号"指令一发出，按事先设定好的送风顺序，下一座该送风的热风炉自动地由"燃烧"或休止（"闷炉"）状态转换为"送风"状态。
（2）热风炉半自动换炉，是指热风炉在完全同"自动"方式运行的条件下，仅其"送风"换炉指令是由操作人员在CRT画面上发出。
（3）热风炉送风顺序指令
热风炉换炉指令给出后，要求热风炉按照事先设定的送风顺序自动地进行相应的状态转换。当某座热风炉发生故障或停止运行时，自动地按照事先设定的送风顺序选择下一个该送风的热风炉送风。热风炉在"自动换炉"、"半自动换炉"方式下给出的送风"换炉指令在程序中是并联关系。在送风"换炉指令发出后，具体是哪一座热风炉的状态发生转换则是由"送风顺序指令"决定。
1.5.2.2.热风炉单炉控制层控制功能
热风炉单炉控制层控制功能根据主干程序或操作人员在CRT上发出的换炉指令，自动地给出各个热风炉各种状态改变的指令。热风炉状态转换时，换炉逻辑会对所输入的换炉指令进行逻辑判断，对于非法的换炉指令则会拒绝执行（如要求转入该热风炉已在的状态或是要所有热风炉同时退出送风状态的指令等）。
1.5.2.3热风炉单炉阀门控制层控制功能
单炉阀门控制程序根据单炉控制层发来的状态转换指令，自动地完成热风炉各种状态转变以及逻辑联锁。
1.5.3 高炉热风炉基础自动化部分程序流程图
热风炉单炉控制层、主干控制层采用西门子公司的SFC顺控图进行编程，单炉阀门控制层采用STL逻辑图进行编程。热风炉单炉控制层如图7.8、主干控制层顺序控制框图如图7.9所示。

开 始
送风转燃烧标志置1
燃烧转送风标志置1

转休止标志置1
热风阀自动关
送风转休止
冷风阀自动关
休 止
煤气阀1，2自动关
燃烧阀关
助燃空气阀1，2关
燃烧转休止
烟道阀关
冷风均压阀开
热风不阀开
冷风均压阀关
冷风阀开在送风中标志为1
标志判断
结 束
CFC自动转手动置0.0
休止
冷风阀关
CFC手自动切换，置0.0

煤气阀1,2关
燃烧阀1,2关
助燃空气阀1,2关
烟道阀关
热风阀关
送风转休止
转休止标志为1
废气阀自动开
烟道阀自动开
废气阀自动关
助燃空气阀1、2自动开
燃烧阀1、2自动开
煤气阀1、2自动开
在燃烧中标志为1

图1.8 单炉控制层框图
n 单炉控制层
图1.8单炉控制程序中有三个转换指令：转燃烧、转送风、，转休止。每个转换指令有不同的程序对应一个执行过程：
若程序给的是转燃烧指令，则：
（1） 程序将使转燃烧指令标志置一，同时还要使转送风和转休止指令位置零，防止程序未执行完时由于错误的操作被迫使热风炉转停止状态。
（2） 程序自动对整个过程扫描，如果废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、助燃空气流量调节阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀、高炉煤气调节阀都在关的状态，冷风阀、热风阀、冷风充压阀、冷风调节阀处在开状态，则表示当前热风炉处在送风状态。
（3） 此时，程序就会首先给热风炉一个休止指令，使热风炉的燃烧系统阀门按顺序关闭，即：先关冷风及冷风流量调节阀，再关热风阀，此时热风炉转入休止状态，然后程序给热风炉一个“燃烧指令”。在这个过程中，从程序开始的时候就同时使一个保护定时器置一，开始计时，若时间到程序还没有转休止状态还没有执行完，程序将会停止，然后检查故障。
（4） 在第一步执行完后，若从程序扫描的信号是炉子处于休止状态则程序将直接送给热风炉一个“燃烧指令”。
（5） 程序给出“燃烧指令”后，起保护作用的定时器置零。
（6） 同时，热风炉打开废气阀，热风炉内的压力表若达到了设定置，则首先打开烟道阀，然后按顺序关掉废气阀、打开助燃空气燃烧阀、燃烧阀，煤气阀。此时，转燃烧过程就结束了，程序执行完就进入等待状态，直到下一个转换指令的到来。
若程序给的是转送风指令，则：
（1） 程序将使“转送风指令”标志置一，同时还要使转燃烧和转休止指令标志置零，防止程序未执行完时由于错误的操作迫使热风炉转停止状态。
（2） 然后程序自动对整个过程扫描，如果烟道阀、助燃空气燃烧阀、燃烧阀、煤气阀都在开的状态，冷风阀、热风阀在关的状态则表示当前热风炉处在燃烧状态。
（3） 此时，程序就会首先给热风炉一个休止指令，使热风炉的燃烧系统阀门按顺序关闭，即：先关煤气阀，再依次关燃烧阀、助燃空气阀，最后关闭烟道阀，此时热风炉转入休止状态，然后程序给热风炉一个“送风指令”。在这个过程中，从程序开始的时候就同时使一个保护定时器置一，开始计时，若时间到程序还没有转休止状态还没有执行完，程序将会停止，然后检查故障。
（4） 在第一步执行完后，若从程序扫描的信号是程序处于休止状态，则程序将直接送给热风炉一个“送风指令”。
（5） 程序给出“送风指令”后，起保护作用的定时器置零。
（6） 同时，热风炉打开冷风均压阀，热风炉内的压力表若达到了设定置，则依次打开热风阀，关闭冷风均压阀然后最后打开冷风阀。
此时，转送风过程就结束了，程序执行完就进入等待状态，直到下一个转换指令的到来。
若程序给的是转休止指令，则：
（1） 先程序使转休止指令标志置一。
（2） 若检查当前热风炉在燃烧状态，则先关煤气阀，再依次关燃烧阀，助燃空气阀，最后关闭烟道阀，此时热风炉转入休止状态。
（3） 若检查当前热风炉在送风状态，则：先关冷风阀，再关热风阀，此时热风炉转入休止状态。
（4） 转入休止状态后，程序就进入等待状态，直到下一个指令的到来。
在上述三个状态换过程中，程序扫描热风炉状态时，如果热风炉不在燃烧状态、送风状态，也不在休止状态，则表明热风炉阀门不能使热风炉工作正常，程序将不执行。
n 主干控制层
图1.9热风炉主干控制程序实现三种送风工作制度，将工艺要求中的两烧一送工作制度归为单炉工作制度中，因此程序有三个转换指令：转全交叉并联送风、转单纯并联送风及转单炉送风。每个转换指令有不同的程序对应一个执行过程：
若程序转全交叉并联送风标志为1时，则：
（1） 首先程序使换炉指令=1，接着将2炉、4炉转送风，1炉、3炉转燃烧，每台炉子之间由定时器定时错开1/4个周期，接着将2炉、4炉转燃烧，1炉、3炉转送风，每台炉子之间由定时器定时错开1/4个周期，如此循环。
（2） 当从手动转为自动时，根据转全交叉并联送风时炉子所处的状态，分别从CH1,CH2,CH3三点切入程序。
若程序转单纯并联送风标志为1时，则：
（1） 首先程序使转单纯并联送风标志复位，接着将2炉、4炉转送风的同时1炉、3炉转燃烧，然后将2炉、4炉转燃烧的同时1炉、3炉转送风，如此循环。
（2） 当从手动转为自动时，根据转单纯并联送风时炉子所处的状态，从PCH1点切入程序。
若程序转单炉送风标志为1时，则：
（1） 首先程序使转单炉送风标志复位，接着将2炉转送风，1炉转燃烧，3炉转送风，4炉转燃烧，由定时器定时，定时时间到，将2炉转燃烧，1炉转送风，3炉转燃烧，4炉转送风，如此循环。
（2） 当从手动转为自动时，根据单炉送风时炉子所处的状态，分别从OCH1,OCH2,OCH3三点切入程序。
开 始
全交叉运行标志=1
并联送风标志=1

单炉运行标志=1
换炉脉冲=1
2炉转送风
1炉转燃烧2炉转送风定时器复位
CH1：复位1炉转燃烧
4炉转送风
3炉转燃烧复位4炉转送风定时器复位
CH2:3炉转燃烧复位
1炉转送风
2炉转燃烧复位1炉转送风定时器复位
2炉转燃烧复位1炉转送风定时器复位
CH3:复位2炉转燃烧
3炉转送风
4炉转燃烧复位3炉转送风定时器复位
复位4炉转燃烧复位换炉脉冲
CH1
CH2
CH3
PCH1
并行送风标志=0
2炉转送风
1炉转燃烧复位2炉转送风
复位1炉转燃烧定时器复位
4炉转送风
3炉转燃烧复位4炉转送风
PCH1:复位3炉转燃烧
1炉转送风
2炉转燃烧1炉转送风复位
3炉转送风
4炉转燃烧复位3炉转送风定时器复位
复位4炉转燃烧
单炉复位标志=0
2炉转送风
1炉转燃烧 复位2炉转送风定时器复位
OCH1:复位1炉转燃烧
3炉转送风
2炉转燃烧复位3炉转送风定时器复位
OCH2:复位2炉转燃烧
4炉转送风
3炉转燃烧定时器复位复位4炉转送风
OCH3:复位3炉转燃烧
1炉转送风
4炉转燃烧复位1炉转送风定时器
复位4炉转燃烧
OCH1
OCH2
OCH3
自动燃烧标志=0
自动燃烧标志=1
交叉运行标志=1
并行送风标志=1
单炉换炉标志=1
结 束

图1.9 热风炉主干控制层框图
1.5.4 SFC顺序控制系统的建立
以下将说明如何建立SFC功能图，如何将参数值分配给SFC功能图中的功能块。
使用SFC编辑器，建立整个功能图的拓扑结构。
（1）双击打开SFC功能图，进入SFC编辑器。
因为是新建功能图，它只包含两步（Start和End）及一个转移条件（Transition）。步（Step）是指PLC内处理分配的操作（Action）的控制点，它将一直执行到下一个转移条件满足。
(2)建立拓扑结构
在窗口左边的元件图中有六个按钮：
· 点击插入步和转移条件按钮，将步加转移条件功能插入到转移条件的下方
· 点击插入分支按钮，移动小十字光标，点击鼠标，分支被插入。
(3)命名步和转移条件
· 选择Select按钮，双击转移条件，在对象属性的General表中命名，点击Apply按钮。
· 为了移到下一个转移条件，点击向下按钮。
· 按Close按钮改变对象属性对话框。

图1.10 SFC对象属性对话框
(4)定义步
在SFC编辑器中，可以把参数值分配给CFC功能块的输入
· 双击步，在对象属性中选择Initialization表页，将看到过程步的空表。
· 点击Browse，打开对话框，在对话框中建立连接，此时CFC功能图的表格打开，清单中包括属于该项目的所有CFC功能图。
· 点击CFC功能图，点击清单中的CTRL功能块，打开该功能块的I/O清单。
· 双击输入变量，Browse对话框退到后面。将选择的路径作为第一行的第一个地址输入。
· 然后光标在第二列中闪烁，在此输入值，光标移到下一行。
· 点击Apply，完成步的设置。
(5)定义转移条件
转移条件包含顺序控制从一步转移到下一步的条件，其参数分配与步的参数分配类似。
· 双击转移条件，选择Condition表页。
· 点击Browse，在CFC Charts表页点击功能图。
· 点击功能块名，双击输出，该输出被插入到转移条件的当前行。
· 在第二列输入操作码，按下Tab键。
· 点击Apply，输入完成后，SFC组态就完成了。

图1.11 SFS功能图
1.5.5. 单层阀门控制层工作原理
热风炉阀门分为电动阀门和液压阀门。其中电动阀门包括：冷风阀、冷风充压阀、冷风调节阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀、高炉煤气调节阀。液压阀门包括：热风阀、废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、助燃空气流量调节阀。电动阀实际上是通过控制电机的正反转来控制阀门的开与关，而液压阀实际上通过控制电磁阀来控制油的走向。所以本设计利用STL逻辑图对每个阀门进行控制。每个阀门均分为自动、手动、故障3种情况加以考虑，同时为安全起见，每个阀门加互锁环节。由于有多个阀门需控制，控制的程序较长，所以附图中只节选少数阀门的控制程序。

图1.12 单层阀门控制图
2 在广钢球式热风炉中的应用及结论
2.1系统现场运行数据
本测控系统设计调试完成后，己在现场进行了试运行，具体运行数据见图6-1至6-8。

图2-1 助燃空气流量1趋势图

图2-2 助燃空气流量1趋势图

图2-3 拱顶温度趋势图

图2-4 废气温度趋势图

图2-5 煤气压力趋势图

图2-6 热风温度趋势图（后部为调整给定值时的响应曲线）