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脉冲燃烧控制方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种燃烧控制方法，特别涉及一种用于工业窑炉的脉冲燃烧控制系统的脉冲燃烧控制方法。

    背景技术

    工业窑炉内工件加热质量的提高与燃烧控制技术有着密切的联系。目前国内普遍采用比例控制、双交叉限幅控制等形式，但其实现往往受燃料量的测量和调节这一关键环节的制约，存在一些弊端。为了克服传统燃烧控制的弊端，近来国际上又出现了颇具革命性的脉冲燃烧控制技术，脉冲燃烧控制技术已经被称为“未来工业炉控制技术的发展方向”。这种控制系统是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉子的温度，适用的燃料为高热值的天然气或者洁净的煤气，它具有动态性能好、控制温度波动小、节约燃料等优点，因而得到了广泛的重视和应用。

    通常，脉冲燃烧控制系统由PLC系统和脉冲控制器两部分组成，经PLC系统PID单元运算后输出4～20mA信号到脉冲控制器，实现脉冲控制。目前脉冲控制器大多要使用德国KROM//SCHRODER公司生产的脉冲控制器，价格比较昂贵。而如今，PLC硬件价格大幅下降，可靠性逐步增强，如果能采用PLC编程实现脉冲控制器的功能，达到脉冲控制的良好效果，既能降低实现脉冲控制所需的成本，又能很好地满足工艺对温度控制的要求，这样，就将为脉冲燃烧控制技术更加广泛的应用开辟了新的前景。

    【发明内容】

    本发明的目的是提供一种采用PLC(S7‑300)编程实现脉冲燃烧控制的方法。

    一种脉冲燃烧控制系统，其特征包括：点火系统，每一个烧嘴配设一套点火系统，点火系统将天然气输至烧嘴内，点燃烧嘴喷出的天然气；火焰监视系统，设置在烧嘴内的火焰监视器监视相应烧嘴的点火状况；脉冲燃烧控制系统，包括PLC系统，通过脉冲燃烧控制系统实现精确控温。

    点火系统包括：设置在天然气输送管路上的燃气电磁阀，控制点火燃烧的烧嘴控制器和点火变压器。烧嘴点火时，烧嘴控制器控制燃气电磁阀打开，天然气经空气/燃气比例调节阀的旁通孔至烧嘴内，烧嘴控制器同时控制点火变压器输出高频电压打出小火花点燃天然气。

    火焰监视系统：烧嘴内装有电离式火焰检测元件，检测是否有小火。如果点火失败，烧嘴控制器报警并切断相应燃气电磁阀，且操作员站画面上没有火焰显示；如果点火成功，操作员站画面上有火焰显示。

    脉冲燃烧控制系统：在空气输入管路上设置空气电磁阀，在天然气输入管路上的空气/燃气比例阀。空气电磁阀为电动切断蝶阀，具有开阀和关阀两种状态，其开度可预先设定为小火所需的开度和大火所需的开度。空气/燃气比例阀为弹簧机械式阀，用Ф10紫铜管将空气电磁阀后空气管道内的空气引至空气/燃气比例阀内，以此空气压力作为打开空气/燃气比例阀的动力。在空气、天然气压力稳定的前提下，空气电磁阀打开时(开度为预设好的开度)空气/燃气比例阀亦跟随打开，空气/燃气比例阀使空气、天然气流量配比合理，燃烧充分，即大火充分燃烧；空气电磁阀关闭时(开度为预设好的开度)空气/燃气比例阀亦跟随关闭，空气/燃气比例阀的旁通孔与空气电磁阀的预设小开度使空气、天然气流量配比合理，燃烧充分，即小火充分燃烧。PLC系统输出开关量信号控制每个烧嘴对应的空气电磁阀开或关，从而控制同一加热段内每个烧嘴大火燃烧的频率和持续时间，使每个烧嘴都按一定的时序依次大火脉冲燃烧。

    脉冲燃烧控制主要由调节步骤、非线性处理步骤和输出步骤三部分组成。调节步骤，对实测温度和设定温度进行PID运算处理；非线性处理步骤，利用PLC系统，将PID运算输出的值(0～100％)转换成烧嘴大火持续燃烧的时间并使同一加热时段内的烧嘴脉冲燃烧；输出步骤，PLC系统输出开关量信号，打开烧嘴相应的空气电磁阀，控制烧嘴大火持续燃烧的时间，控制天然气流量，并实现烧嘴脉冲燃烧；空气电磁阀打开的时间即为在非线性处理步骤中转换出的烧嘴大火持续燃烧的时间，从而控制天然气流量，实现烧嘴脉冲燃烧。空气电磁阀控制(即大小火控制)分为手动控制与自动控制两种控制方式，手动控制优先，两种控制均通过PLC系统实现。

    非线性处理步骤的边界条件是：

    一、如果实测温度不高于设定温度6℃(可调)，不低于设定温度10℃(可调)，烧嘴按脉冲时序有规律的大小火切换燃烧；如果实测温度高于设定温度6℃(可调)，全部或者部分烧嘴小火燃烧；如果实测温度低于设定温度10℃(可调)，全部或者部分烧嘴大火燃烧。

    二、判断PID控制单元输出百分比在5％(可调)与95％(可调)之间；如果输出大于95％(可调)，提前使全部烧嘴大火燃烧；如输出在5％(可调)与95％(可调)之间，则使烧嘴按脉冲时序有规律的大小火切换燃烧；如果输出小于5％(可调)，提前使全部烧嘴小火燃烧；。

    本发明就是采用西门子S7‑300编程代替德国霍科德公司生产的脉冲控制器实现脉冲控制。本发明不仅节约了购买脉冲控制器所需的大量成本，而且控制效果较脉冲控制器更加灵活，控制精度亦能满足工艺要求(实际温度和设定温度差不超过±5℃)。

    【附图说明】

    图1是本发明脉冲燃烧控制结构示意图。

    图2是本发明一个加热段内烧嘴布置示意图。

    图3是本发明确定大火燃烧时间的流程图。

    图4是本发明实现脉冲燃烧流程示意图。

    图5是本发明烧嘴的工作时序图。

    图6是本发明空气电磁阀控制流程框图。

    图7是本发明脉冲控制FB块示意图

    【具体实施方式】

    脉冲燃烧控制有两种形式，一是大小火脉冲，二是开闭式脉冲，两种脉冲形式所用的程序完全相同。脉冲控制适用的燃料可以为高热值的天然气或者洁净的煤气。本发明以控制系统采用大小火脉冲方式，燃料采用天然气为例进行说明。

    本发明的脉冲控制系统由点火、火焰监视和大小火脉冲燃烧控制三部分组成，系统主要结构如图1所示，包括：火焰监视3(计算机画面显示)、烧嘴控制器4、点火变压器5、燃气电磁阀6、空气/燃气比例阀7、空气电磁阀8、PLC温度控制系统9、温度检测器10、温度检测器15。

    每个烧嘴配备一套点火和火焰监视系统，主要组成部分有：烧嘴控制器4、点火变压器5、火焰监视器、燃气电磁阀6组成。点火时，烧嘴控制器4控制燃气电磁阀6打开，打开的持续时间为6秒，天然气经过空气/燃气比例调节阀7的旁通孔供到烧嘴A，烧嘴控制器4同时控制点火变压器输出高频电压打出小火花点燃天然气。位于烧嘴内的电离式火焰检测器检测是否有小火，如果没有监视到火焰，表明点火失败，烧嘴控制器4报警并切断相应的燃气电磁阀6，且操作员站的相应画面上没有小火显示。这时，需在控制室操作员站的画面上复位烧嘴控制器4并重新点火。根据工况要求，可调节空气/燃气比例调节阀的旁通孔径的大小，从而调节小火的大小。烧嘴功率可调比是1∶10，小火为长明火，用于点燃大火。

    大小火脉冲燃烧控制系统，主要由PLC系统9，空气电磁阀8，空气/燃气比例阀7组成。空气/燃气比例阀7为弹簧机械式阀，用Ф10紫铜管将空气电磁阀8后空气管道内的空气引至空气/燃气比例阀7，以此空气管路的压力作为相应空气/燃气比例阀7的动力，从而实现大火时空气燃气配比合理，燃烧充分。使用这种控制方式控制空气和天然气流量的配比，可以减少中间控制环节，提高系统的快速响应能力。空气电磁阀为电动蝶阀，阀打开时的开度和关闭时的开度可设定，例如，小火时开度为10％；大火时开度为90％。开度设定的原则是：小开度时要保证小火充分燃烧，大开度时要保证加热能力满足工况。PLC系统9输出开关量信号控制各个烧嘴空气电磁阀8的开关以控制温度，当开关量信号为“0”时，空气电磁阀关闭，开度为预设的小开度(例：预先设定开度为10％)，以供小火燃烧用。当开关量信号为“1”并该烧嘴有小火时，空气电磁阀打开，开度为预设的大开度(例：预先设定开度为90％)，相应空气/燃气比例阀也打开，烧嘴为大火燃烧。

    脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节大火燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。这个系统并不调节某个加热段内燃料输入的大小，而是调节在给定加热段内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是事先给定的，每个烧嘴都按事先给定的开度和与热量需求成正比的频率开闭。燃料流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时，各个烧嘴大火燃烧时间加长；要降温时，烧嘴大火燃烧时间减小。同一加热段内各个烧嘴不同时点燃，而是按照一定的时序依次点燃，其间隔时间是固定的。

    脉冲燃烧控制主要由调节单元、非线性处理单元和输出单元三部分组成。

    (1)调节单元

    主要对实测温度和设定温度进行处理。调节单元通常选择PID(比例积分)控制，其输入和输出关系见公式(1)：

    p(t)＝kPe(t)+kI∫e(t)dt+kDde(t)/dt公式(1)PID算法公式

    e(t)——实测温度与设定温度的差值

    p(t)——PID调节模块输出，数值为0～100％

    kP——比例增益；kI——积分时间；Kd——微分时间

    调试中，要根据实际工况输入合理的P(kP)I(kI)D(kD)值，使温度调节平稳，响应快速，超调量小。

    (2)非线性处理单元

    其非线性变换关系见公式(2)：

     公式(2)非线性变换公式

    式中，f(t)——烧嘴大火燃烧时间

    p(t)——PID调节模块的输出，数值为0～100％

    T——大火燃烧周期时间

    D₀，D₁——上下限定值(数值在0～100％之间)

    当p(t)＞D₁(例95％)时，说明实测温度持续小于设定温度，烧嘴将满负荷持续大火燃烧；当(例5％)D₀＜p(t)＜D₁(例95％)时，采用脉冲时序控制，烧嘴大火燃烧时间为p(t)x T，保证有较好的过渡过程和控温精度；当p(t)＜D₀时，说明实测温度持续大于设定温度，烧嘴将空负荷持续小火燃烧。

    从上式可以看出，脉冲控制的作用实际上是把传统PID的比例、积分作用的相对强弱根据p(t)的大小不同来回改变。当p(t)较大时，相当于PID的比例作用较强；当p(t)较小时，相当于PID以积分作用为主，可以减小超调量和稳态误差，从而提高温控精度。从等效的控制器作用来看，时序脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分的PI控制器，当实际温度远远低于设定温度时，系统给出最大输出，相当于比例作用增强，积分作用减弱，控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。同时，当温度偏差较小时，控制烧嘴脉冲方式燃烧，相当于比例作用减弱，积分作用增强，进而减小温度的超调量和稳态误差，因此采用这种控制系统一般不会出现温度振荡。

    本发明的燃烧脉冲控制方法以同一加热段设四只烧嘴为例进行说明，加热段内烧嘴布置示意见图2。

    大火燃烧周期时间T为定值，根据实际工况可在相应的操作画面中设大小，本系统设定为60S。因系统一个加热段设四只烧嘴，所以每个烧嘴间隔大火燃烧时间T₁为燃烧周期时间T的四分之一，即本系统设定为15S。本方法在大火燃烧周期时间T和每个烧嘴间隔大火燃烧时间T₁确定后，再判断边界条件，最后将根据PID调节模块的输出值(数值为0～100％)确定同一加热段内每个烧嘴是小火燃烧还是大火燃烧及大火燃烧的时间，见图3。

    如图3所示，本发明的燃烧脉冲控制方法首先确认实测温度不高于设定温度6℃(此数值可根据情况调整)，不低于设定温度10℃(此数值可根据情况调整)。如果实测温度高于设定温度6℃，为快速降温，程序将使A～D烧嘴全部小火燃烧。如果实测温度低于设定温度10℃，为快速升温，程序将使A～D烧嘴全部大火燃烧。这为控制的边界条件。通常，边界条件的设定只为应对设定值突然增加或减少，及其它突然的不可预测的系统扰动的发生。在热处理过程中，控温要平稳、精度要全程满足工艺要求，即实测温度不低于设定温度10℃、不高于设定温度6℃。即要求烧嘴在整个热处理过程中均能按脉冲形式有规律的大小火切换燃烧，不能频繁因实际温度比设定温度高太多而切换到小火、或实际温度比设定温度低太多而切换到大火，即温差不能频繁到达边界条件。据此原则，在满足工艺精度要求的情况下，温差范围应越宽越好，这样，同等条件下，温差不容易达到边界条件。

    另外，控温平稳的先决条件是使PID控制单元中P、I、D值设置合理，确保在没有特殊扰动的工况下，烧嘴均能按脉冲形式有规律的大小火切换燃烧。

    本发明的控制方法在判断完第一个边界条件后，再判断PID控制单元输出百分比是否在5％与95％之间。如果输出大于95％，说明实际温度持续小于设定温度，为了快速升温和避免空气电磁阀频繁开关，提前控制全部烧嘴大火燃烧；如果输出小于5％，说明实际温度持续大于设定温度，为了快速降温和避免空气电磁阀频繁开关，提前控制全部烧嘴小火燃烧。

    在满足控温精度和热处理炉两侧加热温度均匀的前提下，大火燃烧周期时间T应越长越好，即间隔时间越长越好。这样，在相同控温精度下，空气电磁阀开关频率将降低，有助于延长空气电磁阀及继电器的寿命。

    经过上述过程得出同一加热段每个烧嘴应小火燃烧还是大火燃烧及大火燃烧时间，这为非线性处理的第一步。

    第二步要做的是：实现同一加热段内四个烧嘴时序脉冲燃烧，具体实现的方法见图4。

    如图4所示，本发明将PID输出值0～100％转换为四个烧嘴时序脉冲燃烧。当然，本发明以同一加热段设四只烧嘴为例进行了说明，如果工艺要求同一加热段需要设六只或八只烧嘴，程序原理基本相同，同样适用。即燃烧周期时间T设定60S，对应间隔时间T₁设定为燃烧周期时间T的六分之一或八分之一。可以看出，这种脉冲控制方法非常灵活，应用范围更加广泛。

    以上两步即为实现非线性处理单元的步骤。

    图5中更加形象表示了脉冲工作的时序(以四只烧嘴为例)：在图5中，横轴表示大火燃烧周期时间T，纵轴表示与当前p(t)(PID调节模块的输出值)对应的烧嘴燃烧功率占满负荷燃烧全功率的百分数，为线性关系。

    以上详述了调节单元和非线性处理单元两部分，下面介绍输出单元。

    输出单元就是控制烧嘴对应的空气电磁阀的开闭。本系统的空气电磁阀分手动控制与自动控制两种方式，手动控制优先，均通过编程实现，非常方便。其控制框图如图6所示。

    手动控制是很必要的。在投产前的调试过程中，需要提前查验接线是否正确，这时需要手动打开空气电磁阀；在投产后的生产过程中，操作员想手动控制某一烧嘴大小火，这时也需要手动打开或者关闭空气电磁阀。而使用脉冲控制器实现脉冲燃烧控制的系统，如要实现手动控制空气电磁阀这一功能就需要设计者设计复杂的硬线连接，将增加很大的工作量和成本。

    图7示意了编程实现脉冲控制的子程序块(FB块)。图中，左侧为输出拐角，各拐角要输入的变量如图7所示。如果IN8拐角即“加热段手自动选择，，输入为0，则此段A～D烧嘴将据升温或降温要求自动有规律切换大小火实现精确控温。如果IN8拐角即“加热段手自动选择”输入为1，拐角IN4～IN7输入的信号对应控制此段A～D烧嘴。右侧为输出拐角，即输出信号控制相应空气电磁阀。

    本发明所带来的优点是：

    (1)节约了大量成本。热处理炉需要配置PLC系统，本发明利用已配置的PLC系统实现精确控温，节省了购买脉冲控制器所需的大量成本。德国霍科德生产的脉冲控制器可以控制两个加热段，如果一台热处理炉分成四个加热段，则需要购买两台脉冲控制器，一台控制器大约需要花费人民币三万元。如果一台热处理炉分成更多加热段，则需要购买更多台脉冲控制器，用本发明会节约更多的成本。

    (2)控制更加平稳，灵活。前面讲到，由于程序提前判断了实测温度与设定温度的差值，即设有边界条件，这样，较脉冲控制器可以提前应对突然的系统干扰，使控温过程更加平稳，超调量小。本发明可以轻松实现手动控制大小火燃烧，而脉冲控制器要实现手动控制则需要设计大量的硬线连接。

    (3)扩展性强大。本专利以同一加热段配置四只烧嘴为例进行了说明，如果工艺需要同一加热段配置多只烧嘴，本发明也同样适用，具有很强的扩展性。而脉冲控制器输出四个开关量信号控制空气电磁阀，无法扩展。