温度控制理论

环形加热炉在热轧无缝钢管生产线中的作用是将管坯锯锯切之后的合格定尺管坯由常温（20℃）加热到1280±5℃，以供穿孔机组进行穿孔工序。环形加热炉是目前世界上用于加热圆管坯的最理想的工业炉炉型。此炉型的特点是炉底呈环形，在炉底驱动装置的作用下承载管坯由入料端旋转至出料端，再由出料机从出料炉门将加热好的管坯取出。在管坯随炉底运动过程中通过炉墙、炉顶等处的烧嘴加热达到合格的出料温度，并满足温度均匀性要求。环形加热炉是坯料在环形的旋转炉底上边移动边加热的连续加热炉。

3.1 硬件配置

环形加热炉整个控制系统设计了两个功能级：零级系统和一级系统。其中零级系统包括现场装置和检测仪表等，一级系统包括环形加热炉使用的电气和仪表控制系统，其控制系统图配置见图3.1。

HMI 1HMI 2打印机一级系统 交换机ethernetsfibuorp零级系统 PLCPLC各段炉温各段流量炉压装出炉信号炉底转动信号环 形 加 热 炉图3.1 环形加热炉控制系统硬件配置图

3.2 炉温控制系统

本环形加热炉炉温控制系统主要由炉温检测和炉温调节两个系统组成,检测与控制流程见图3.2(只给出均热I、II段流程,其它四段流程基本相同) 。

FE-501FT501FT502FE-502TIC501TU501FIK501FIC501FIC502UA502FIK502FV-501NSUA501NSFV-502TT501TT502TE-501TE-502… …均热一段PLC系统完成的功能TT流量孔板FT压差变送器(流量)流量调节阀热电偶温度变送器图3.2 检测与控制流程图 炉温检测系统:环形炉每段设2支热电偶检测炉膛温度,检测信号通过温度

变送器转换进入PLC A I模块,通过程序判断取其中一个参与炉膛温度调节。每加热段的空气和天然气的流量检测仪表为流量孔板与差压变送器,差压变送器将4～20 mA DC信号送到PLC A I模块,通过程序计算得出流量瞬时值,并参与炉膛温度调节。

炉温调节系统:环形炉共有6段炉温自动控制,每段有两个流量调节阀,分别为空气支管上的流量调节蝶阀和天然气支管上的流量调节蝶阀。当加热炉正常生产时, PLC系统接收来自现场的炉膛温度值,通过控制程序的P I运算及一系列边界条件的处理输出控制信号,在保证设定空燃比的前提下,控制空气支管及天然气支管上调节蝶阀的开度,由此调节该段助燃空气及天然气流量相互限幅而又交替上升或下降,从而调节炉膛各个燃烧段的温度值达到设定温度值。现场调试时反复调节P ID参数,使燃烧过程达到最佳,炉温曲线达到最优,炉温平稳变化不超调，且响应时间最短,由此确定P、I参数值,作为PID调节的最终参数;并且设置权

限,避免操作工误操作,影响程序的正常运行。但由于温度变化比较缓慢,即使空气流量和天然气流量已达到合理值,所要控制的温度仍未增加或减小到设定值,这样阀门开度将继续增大或减小,等温度达到设定值时,流量已偏离合理值,这样温度将反复波动甚至振荡,而且在环形炉正常生产过程中,存在其它影响炉温稳定的因素,所以,必须采取一系列措施避免或减弱因此而引起炉温的大幅振荡。

3.3 炉温控制基本原理

炉温控制系统的主要目的是将炉温控制在允许的范围内,并保证燃烧的合理性,力求达到最佳的燃烧状态。在燃烧过程中,如果空气过剩则会氧化所加热的钢坯；如果天然气过剩则会浪费燃料,污染环境。本环形炉炉温控制基本原理为双交叉限幅燃烧控制系统,在升温或降温的过程中,空气流量和天然气流量交替的跟踪对方流量值的增大或减小,从而使空燃比始终保持在设定空燃比的允许范围内,使空气流量和天然气流量受到燃料过剩界线和空气过剩界线的限制。从而严格控制了空燃比,以保证在炉温调节过程中,燃料和空气都达到充分燃烧,这样既可节约能源,减少烧损,又可防止环境污染。

温度控制总体思路是：通过传感器把环形加热炉实际炉温检测变送与设定值进行比较，如果差值大于或者小于正常的温度范围则调节调节器，调节器把相应的控制信号发送到执行机构，通过执行机构调节发生器，直到输出范围在正常温度范围内为止。总体控制思路为一个单闭环负反馈系统。如图3.3所示：

温度给定值+-调节器执行机构被测对象温度测量值测量变送

图3.3单回路负反馈控制系统方框图

在实际的环形加热炉炉温控制系统中，环形加热炉炉温是主参数，煤气流量和空气流量为主要流量，如果以单回路系统控制，很难控制煤气和空气这两种流量，从而不能使环形加热炉温度达到很好的控制，所以在单回路的基础之上采用串级比值控制，其原理图见图3.4。

F1F1CTCK环形加热炉F2CF2

图3.4串级比值控制原理图

3.4 串级比值控制分析

环形加热炉一般分为六段，即预热段两段、加热段两段、均热段两段，在本设计中主要是针对加热段而设计，选择加热一段来设计和说明。

在该控制系统中，环形加热炉加热一段温度为主参数，只有保证炉温稳定才能够满足无缝钢管的质量要求，所以合理的控制方案是保证产品质量的前提。煤气流量是控制炉温的主要燃烧物质，故选择煤气流量为主流量并且作为副参数加以控制。于是组成一个以环形加热炉温度为主参数、煤气流量为副参数的串级控制系统。空气在燃烧控制过程中也必不可少，其供给量的多少也直接影响环形加热炉的炉温，所以把空气流量作为副流量加以控制。

在该串级比值控制系统中，如果主参数即加热炉炉温发生改变，则通过热电偶检测，检测信号通过温度变送器送回系统与设定值进行比较，如果超出了正常范围则通过调节温度调节器来影响煤气流量调节器进而改变煤气阀门的开度使煤气流量发生改变；煤气流量发生改变后，通过煤气流量测量变送装置把所采集的信号反馈回来作用于比值控制器，比值控制器接收信号后，根据设定的比值采取相应措施来调节空气流量调节器，空气流量调节器再作用于调节阀，改变调节阀的开度来改变空气流量的大小；在温度调节器控制煤气流量调节阀的同时，它也把信号传送到比值控制器上，实现了煤气流量和空气流量同时控制的目的，这样，既满足了空气流量和煤气流量的比值关系，使他们保持稳定，又避免了空气

流量调节的滞后，使环形加热炉温度得到了很好的控制。串级比值控制框图见图3.5所示：

SV+-温度调节器+-煤气流量调节器调节阀煤气流量测量变送煤气对象Q1主对象Q2y比值控制器+-空气流量调节器调节阀空气流量测量变比温度测量变送空气对象图3.5 串级比值控制系统方框图

3.5 仪表选型及PID调节

1、测温装置的选择

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克效应，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而此电动势称为热电势[18]。

图3.6 热电偶

环形加热炉温度是自动控制的重要参数，温度测量要求很高的精确度和很小的误差，而热电偶具有测量精度高、测量范围广、构造简单使用方便等优点，所以在本设计中测温装置选用热电偶。

2、流量检测仪表选用

一体化孔板流量，可广泛应用于石油、化工、天然气、冶金、电力、制药等行业中，各种液体、气体、天然气及蒸汽的体积流量或质量流量的连续测量。

当充满管道的流体流经孔板时，将产生局部收缩，流束集中，流速增加，静压力降低，于是在孔板前后产生一个静压力差，该压力差与流量存在着一定的函数关系，流量越大，压力差就越大。

图3.7 孔板

差压变送器利用差动电容检测原理将差压转换为电信号。该变送器具有坚固耐振、量程、零点、阻尼现场连续可调。精确度高、稳定性好等特点。使用对象：液体、气体和蒸汽。

图3.8 差压变送器

差压变送器是测量变送器两端压力之差的变送器,输出标准信号(如 4~20mA,1~5V)。差压变送器与一般的压力变送器不同的是它们均有2个压力接口, 差压变送器一般分为正压端和负压端，一般情况下, 差压变送器正压端的压力应大于负压段压力才能测量。

加热段的空气和天然气的流量检测仪表为流量孔板与差压变送器，差压变送器将 4～20mADC信号送到PLC中 A I模块，通过程序计算得出流量瞬时值，并参与炉膛温度调节。所以流量检测选用差压变送器。

3、阀门选用

工业专用蝶阀的特点是耐高温，适用压力范围也较高，阀门公称通径大，阀体采用碳钢制造，阀板的密封圈采用金属环代替橡胶环。大型高温蝶阀采用钢板焊接制造，主要用于高温介质的烟风道和煤气管道。

煤气和空气管道的阀门选择时，要求其反应速度要快，调节性能良好，这样才不至于有太大的滞后产生，而蝶阀有启闭方便迅速、省力、流体阻力小，可以经常操作、结构简单，体积小，低压下，可以实现良好的密封，调节性能好，重量轻的特点满足工艺要求，故煤气管道和空气管道选用蝶阀进行调节对应的流量大小。

图3.9蝶阀

4、PID调节

当加热炉正常生产时，PLC系统接收来自现场的炉膛温度值，通过控制程序中的PI运算及一系列边界条件的处理输出控制信号，在保证设定空燃比的前提下，控制空气支管及天然气支管上调节蝶阀的开度，由此调节该段助燃空气及天然气流量，从而调节炉膛各个燃烧段的温度值达到设定温度值。现场调试时反复调节PID参数，使燃烧过程达到最佳，炉温曲线达到最优，炉温平稳变化不超调，且响应时间最短，由此确定P、I参数值，作为 PID调节的最终参数，但由于温度变化比较缓慢，即使空气流量和天然气流量已达到合理值，所要控制的温度仍未增加或减小到设定值，这样阀门开度将继续增大或减小，等温度达到设定值时，流量已偏离合理值，这样温度将反复波动甚至振荡，而且在环形炉正常生产过程中，存在其它影响炉温稳定的因素，所以，必须采取一系列措施避免或减弱因此而引起炉温的大幅振荡[18]。

理想PID：G(s)u(s)1Kc〔1Tds〕 e(s)TisTs1DFTIsFusKcF实际PID：Gs

T1es1DKITIsKDs1积分调节规律（I）： G(s)U(s)1c E ( s ) T i s

t1t u(t)e(t)dtS0e(t)dt00T i

Ti为积分时间，So为积分速度。积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使用积分调节作用。

Kctdet比例积分调节规律（PI）：uKceTi0t11 edetTi0 GcsUs111 EsTsIP、I调节器中，比例占主导地位，积分次要。它的调节特点是：无差调节、调节及时、浮动调节。

PD快速调节：当实际温度与设定值偏差大于等于10℃，程序自动启动PD快速调节程序，P、I被赋给较大的参数值，加快了调节速度，因此避免了炉温大幅度变化。当然 ， P、I参数值是经过反复调试 ,并且研究炉温曲线使其达到最佳而确定的[18]。

理想PD：u1de11TDu0 Gcs1TDs dt1TDs1实际PD：Gcs

TDs1KD整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间以及微分时间的大小，使参数调节后达到对温度的合理控制。

3.6 加热炉炉压的控制

3.6.1 加热炉炉压控制的意义

炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要参数。炉压过高时，火焰就会从

装、出料口大量冒出，不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也易烧坏炉子的钢结构和炉墙钢板，降低炉子的使用寿命。同时，炉压过大引起的冒火还会导致工作环境的恶化。炉压过低时，会吸入大量的冷风，不但增加炉子的热耗还会增加钢坯的氧化烧损，甚至引起烧钢，因此必须对炉压进行控制。

图 3.10环形加热炉炉压控制示意图

3.6.2 加热炉炉压控制的方法

将炉压控制在 15～25 Pa 之间比较适宜，在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制可以通过控制烟道闸门的开启度来实现，而炉温对烟道闸门开度的变化非常敏感，如果通过传统的PID方式调节炉膛压力，那么频繁的烟道闸门开度变化必然会带来炉温的波动，这在轧钢工艺是要尽量避免的，因为会导致轧出的钢品质降低[19]。另外，炉膛压力控制系统为大时滞系统，控制对象反应速度较慢，因此，如何保证炉压既在期望的范围之内，又不使闸门频繁变化，成为炉压控制的关键环节。

设定值+PID控制器-执行机构被测对象输出测量变送器

图 3.11单回路PID控制系统方框图

炉膛压力调节系统设置了自动与手动 2种控制方式，通过控制烟道闸板的开度来调节炉膛压力。正常情况为自动控制， PLC系统接收现场检测到的炉膛压力信号，通过控制程序的P I D运算得出输出信号，调节闸板开度，保证炉膛压力在工艺要求范围内。