（控制理论与控制工程专业论文）燃气泡沫玻璃窑炉控制系统研究.pdf

t 夕， 、 r 、 t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fg a sf o a mg l a s sk i l n b y p a n h o n g q i a o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rt r a n s m i s s i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rq i a n gm i n gh u i a p r i l ，2 0 1 1 2删2 肿2删5脚8 伽8删 舢y ， t 。 k _ 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：潘渤甸 日期：纱年 瑚如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 治础 哆乃 e l 期：沙一年月刃日 日期：7 e 1 1 年易月9 日 一 。 ， ， 目录 摘要i ii a b s t r a c t iv 第1 章绪论1 1 1 引言j 1 1 2 燃烧式窑炉控制系统的发展现状2 1 3 论文研究内容4 第2 章泡沫玻璃窑炉燃烧控制研究5 2 1 炉型介绍5 2 2 泡沫玻璃窑炉生产过程分析5 2 3 燃气泡沫玻璃窑炉燃烧控制系统研究6 2 3 1 燃烧控制6 2 3 2 窑炉的窑温控制8 2 3 3 窑炉气氛控制9 2 3 4 窑炉的窑压控制1 0 2 3 5 空燃比调整1 0 2 3 6 安全控制1 1 2 4 控制要求分析1 l 2 5 小结1 2 第3 章燃气窑炉温度的预测p id 串级控制研究13 3 1 控制策略简介1 3 3 1 1 串级温控系统结构1 3 3 2pld 控制1 4 3 3 预测控制算法1 5 3 3 1 预测控制算法的产生和发展1 5 3 3 2 预测控制算法的原理和特点1 6 3 4d m c p i d 串级控制器的设计1 9 3 4 1 d m c 原理2 1 3 4 仿真研究2 4 3 5 小结2 5 第4 章燃气泡沫玻璃窑炉控制系统设计2 6 4 1 控制系统硬件设计2 6 i ， 一 4 1 1 燃气控制主阀组系统2 7 4 1 2 烧嘴燃气比例控制系统2 7 4 2 控制方法2 9 4 2 i 燃烧控制2 9 4 2 2 温度控制2 9 4 2 3 压力控制2 9 4 2 4 气氛控制3 0 4 2 5 安全保护措施3 0 4 4 控制系统软件设计3 1 4 4 1 $ 7 - 3 0 0 项目创建3 l 4 4 2 $ 7 - 3 0 0p l c 程序的总体结构3 2 4 5 上位监控设计3 4 4 5 1 上位机监控系统开发平台3 4 4 5 2 上位机监控系统功能的设计3 4 4 6 小结3 7 结论和展望3 8 参考文献3 9 致谢4 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 3 摘要 在泡沫玻璃的生产中，泡沫玻璃窑炉是生产工艺的关键，是泡沫玻璃生产中 最重要的热工设备，在综合指标消耗最小的情况下获得满足工艺要求的良好产 品。 本论文以燃气泡沫玻璃窑炉控制系统为研究对象，分析了泡沫玻璃生产过 程，对窑炉燃烧控制、温度控制、气氛控制和安全控制等各种控制原理和方法进 行了研究，提出了“基于i p c + p l c + p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统”解决方案， 研究并构建了泡沫玻璃窑控制系统。 工业窑炉的控制系统的优劣直接决定了产品的质量和能源的利用率。窑内温 度易受外界因素影响，如不及时稳定调节，将严重影响产品的成品率和能源的浪 费。因此有效及时控制窑内温度成为一个非常重要的研究课题。针对泡沫玻璃窑 炉控制系统中的温度具有非线性，大延迟，时滞性等复杂特点，对窑炉温度，燃 气压力及助燃气体压力，燃气流量等相关关系作了详细分析，结合此项目的具体 情况和要求，设计了运用d m c - p i d 串级控制策略来对泡沫玻璃窑炉温度进行控制 的方案。控制结构分d m c 夕t 环控制和p i d 内环控制，其中窑炉温度为主参数，通过 d m c 控制器来调节，完成细调任务；燃气压力为副参数，使用p i d 控制器，在控制 中起着粗调的作用。研究结果表明，这一控制方法应用在泡沫玻璃窑炉控制系统 温度控制中可以取得良好的效果。 最后，本系统应用于燃气泡沫玻璃窑炉控制系统，成功的实现了控制系统的 远程监控，数据的存储和管理，实现泡沫玻璃窑炉的先进控制及优化。 关键词：泡沫玻璃；天然气；预测控制；窑炉；监控系统；p l c i i i ， t a b s t r a c t i nt h e p r o d u c t i o no ff o a mg l a s s ，f o a mg l a s s f u r n a c ei st h e k e yt o t h e p r o d u c t i o np r o c e s s f o a mg l a s sp r o d u c t i o ni st h em o s t i m p o r t a n t t h e r m a l e q u i p m e n t ，i n t e g r a t e di n d i c a t o r si nt h ec a s eo ft h em i n i m u mc o n s u m p t i o nm e e tt h e t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t st oo b t a i nag o o dp r o d u c t i nt h i st h e s i s ，g a sb u b b l eg l a s sf u r n a c ec o n t r o ls y s t e mf o rt h es t u d y ，a n a l y s i s o ft h ef o a m g l a s sp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ef u r n a c ec o m b u s t i o nc o n t r o l ，c l i m a t e c o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o la n ds e c u r i t yc o n t r o la n do t h e rc o n t r o lp r i n c i p l e sa n d m e t h o d s ，c o n t r o ls y s t e m sb a s e do nt h ei p c + p l c + p r o f i b u s d pf i e l d b u si s p r o p o s e d w er e s e a r c ha n db u i l dac e r a m i cr o l l e rk i l nc o n t r o is y s t e m c o n t r o ls y s t e mo ff o a mg l a s sk i l n w i l l d i r e c t l y a f f e c tp r o d u c tq u a l i t ya n d e n e r g yu t i l i z a t i o n t h et e m p e r a t u r ei nk i l ni sa f f e c t e de a s i l yb ye x t e r n a lf a c t o r s i f n o tt o r e g u l a t es t a b l y t h e w a s t e e n e r g y w i l la f f e c tt h er a t eo ff i n i s h e d p r o d u c t s t h e r e f o r e c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lp r o je c t t a k i n gi n t ot h ef a c tt h a tk i l nt e m p e r a t u r ei sn o n l i n e a r , l a r g ed e l a y , d e l a yo fs e x u a la n do t h e rc o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s ，d e t a i l e da n a l y s i sa r e m a d et ot h e r e l a t i o n s h i pa m o n gk i l nt e m p e r a t u r e ，g a sp r e s s u r e ，c o m b u s t i o n p r e s s u r e a n d g a sf l o w w i t h t h es p e c i f i cc o n d i t i o n sa n d r e q u i r e m e n t s ，t h e d m c - p i dc a s c a d ec o n t r o ls t r a t e g yi s d e s i g n e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fg a s f o a mg l a s sk i l n c o n t r o l l e rs t r u c t u r ei sm a d eu po fo u t e rl o o pc o n t r o l l e rd m ca n d i n n e rl o o pc o n t r o l l e rp i d d m ca d j u s t st h et e m p e r a t u r eo fg a sf o a mg l a s sk i l na n d c o m p l e t et h et a s ko ff i n e - t u n i n gw h i l ep i dg a sp r e s s u r ea n dr o u g ht u n e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h i sc o n t r o lm e t h o dc a ng e tt h eg o o dq u a l i t yw h e nt h ea p p l i c a t i o nm a d e i nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fg a sf o a mg l a s sk i l n 。 t h es y s t e mh a sb e e nu s e di nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fg a sf o a mg l a s s k i l ni nt h ee n d ，w h i c hs u c c e s s f u lr e l i z e sc o n t r o ls y s t e mf o rr e m o t em o n i t o r i n g ，t h e d a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t a n da c h i e v et h ea d v a n c e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n o ff o a mg l a s sk i l np r o d u c t i o n k e yw o r d s ：f o a mg l a s s ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；k i l n ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；p l c ； i v ， 顶 ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，新兴发展起来的保温隔热建筑材料一泡沫玻璃，已逐渐在许多领域 崭露头角。泡沫玻璃是1 9 3 5 年首先由法国s t 6 0 b a i n 公司发明的，它是由碎玻璃、 发泡剂、添加剂和促进剂等，经过粉磨混合形成配合料，并放到特定的模具中， 经过预热、烧结、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃材料。 在泡沫玻璃的生产中，泡沫玻璃窑炉是生产工艺的关键。是泡沫玻璃生产中 最重要的热工设备，在综合指标消耗最小的情况下获得满足工艺要求的良好产品， 当今窑炉的发展趋势是由自动化、大型化向绿色( 环保节能型) 窑炉方向发展。 窑炉是伴随文明社会的出现而诞生的工程技术系统。我国窑炉生产历史悠久， 历史上的宋代就有五大名窑之说，包括汝窑、官窑、哥窑、定窑和钧窑。 窑炉是指在工业生产中用燃料或者电能产生热量，将物料或工件进行冶炼、 焙烧、烧结、熔化、加热的热工设备。窑炉是一种用耐火材料砌成的用以煅烧物 料或烧成制品的设备，被煅烧的原料和燃料往往共处一个空间，或燃烧区与煅烧 区直接相通，常见的有砖窑、石灰窑、炭窑。 窑炉结构是否合理，选型是否正确，直接关系到产品的质量、产量和能量消 耗的高低等。 现代窑炉技术涉及热工过程及设备、热工学、燃料燃烧学、工程热力学、传 质传热学、工程流体力学、热工过程自动调节、耐火材料、电子电工、计算机、 自动化等多门专业和多种技术。 通常，描述一个窑炉的基本理化指标包括烟温、流量、含氧量、二氧化硫、 氮氧化物、烟道静压、颗粒物( 烟尘) 等7 个参数，此外作为一个生产系统，人们 还关心其热效率、成品率、生产效率等经济技术指标。 在窑炉生产过程中，能源的利用效率和环境保护始终是人们关注的重点。能 源利用效率，是指设备为达到特定目的，供给能量的有效利用程度在数量上表示， 它等于有效能量占供给能量的百分数。现代窑炉由于采用了电子自动化技术和新 材料技术，能源利用率明显提高，正朝着节能、环保、高效的方向发展“1 。 燃气泡洙玻璃窑炉拾制系统研究 1 2 燃烧式窑炉控制系统的发展现状 经过二十多年的努力，我国的窑炉技术水平得到了很大提高，以陶瓷窑炉为 例，窑炉技术呈现了如下特点。 ( 1 ) 窑炉发展辊道化：辊道窑具有产量大、质量大、能耗低、自动化程度高、 操作方便、劳动强低、占地面积小等优点，是当今窑炉的发展方向。 ( 2 ) 燃料煤气化：气体燃料具有干净、雾化燃烧完全、温度稳定、产品质量 好、能耗低、操作方便等优点，因而广泛应用于陶瓷窑炉。 ( 3 ) 窑炉轻型化：近几十年来，随着国产的各种性能优良的轻质耐火材料( 如 莫来石、低铁聚轻球、飘珠、陶瓷纤维等) 不断面世，使得当今窑炉的厚度和重 量大大减轻，辊道窑炉的重量也大大减轻，大大降低了窑炉基础的造价，也节约 了大量的施工时间。 ( 4 ) 广泛使用自动控制技术：现在，从产品进窑、出窑、温度、压力、排烟、 急冷、点火、迭砖报警等都可自动控制，窑炉的可靠性、安全性、成品率以及环 保和节能指标都得到了明显提高。 ( 5 ) 窑炉趋向大型化：为提高劳动生产率，减少占地面积，提高经济效益， 目前窑炉在向大型化方向发展，并能烧制高、中、低温等各种规格尺寸的产品。 此外，辊道干燥器不断短型化、高速烧嘴国产化、棍棒大型化，成效明显。 部分窑炉余热和废气、废渣得到了一定程度的利用和处理，窑炉的操作管理水平 普遍大幅度提高。 在工业窑炉的能源结构中，主要以烧煤为主，另有一部分窑炉以油、天然气 为燃料。对燃油、燃气的窑炉而言，其燃烧效率较高；而对燃煤窑炉而言，其燃 烧效率较低，且燃烧稳定性较差，不易使气氛与温度稳定。 燃料的燃烧是一个复杂的过程，燃烧用空气、温度和燃烧时间对燃料的燃烧 有着很重要的影响，不同的燃烧阶段对这三个燃烧条件的要求也各不相同很好地 组织这些燃烧条件可以取得良好的燃烧工况。 目前，国内现有的燃烧式窑炉控制系统由组合仪表分散控制系统、计算机集 中控制系统、计算机集散控制系统3 种，现有的泡沫玻璃窑炉窑炉过程控制系统按 拓扑结构，主要有仪表组合分散控制系统、计算机集中控制系统、总线型控制系 统等4 种结构。 ( 1 ) 仪表组合分散控制系统结构 2 硕 ! 位论艾 曼曼曼曼! ! 皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼i 一一一曼曼曼蔓 图1 1 仪表组合分散控制系统结构不恿图 由于被控过程的生产规模和复杂程度，单靠那些相互独立的控制回路来保持 整个生产过程的安全、稳定、经济和协调变得越来越困难，而且窑炉的生产过程 已经成为一个各部分相互关联的有机整体。随着生产过程的不断强化，这个有机 整体中各个部分的相互作用和相互影响愈加强烈，如不能及时地协调和很好地处 理各部分之间的关系，在几秒钟之内整个生产过程就可能瘫痪。 ( 2 ) 计算机集中控制系统结构 图1 2 计算机集中控制系统结构不慝图 这种所谓的集中控制方式只是控制仪表和运行人员在地理位置上的集中，而 就整个系统的控制任务而言，仍然是由许多控制器分别完成的，某一局部的控制 器发生故障，不会对整个系统造成严重影响。此外，系统主要用一台计算机控制 全厂所有的生产过程，这样就造成了整个系统控制任务的集中。一旦计算机发生 故障，生产就陷于瘫痪。系统的可靠性问题有待解决。 ( 3 ) d c s 结构示意图 3 燃气泡沫玻璃窑炉拧川i 系统研究 计算机 0千 调节仪表1 + jl 调节仪表n ， 千0 电动执行器1 电动执行器n 传感器l 传感器n j l j 0 1 r 燃烧器1 燃烧器n |上 燃烧式窑炉 图1 3d c s 结构示意图 控制系统主要特点是分散控制，集中管理。具有一定可靠性和智能程度。但 所有调节仪表的信息都通过各自的信道同上位机通信，当仪表数量较多时，信息 的堵塞将严重影响控制系统的正常运行。以上控制形式代表了不同时期的工业生 产现场控制水平，各自有优点与缺点。 综上所述，研究新的窑炉控制系统，提高泡沫玻璃生产行业的自动化水平， 设法降低窑炉生产的能耗，提高能源利用率，并减少污染排放有着重大的现实意 义。 1 3 论文研究内容 本文以泡沫玻璃窑炉( 发泡窑) 为控制对象，采用燃烧效率高、环境污染小 的天然气作为燃料，并根据泡沫玻璃的生产工艺和技术要求，对燃烧控制作深入 研究，综合考虑了实际情况，对多个控制方案进行分析和比较，采用先进的控制 技术、计算机技术、传感器技术等，设计一套燃气泡沫玻璃窑炉控制系统，实现 泡沫玻璃生产过程智能监控和自动控制。 ( 1 ) 分析泡沫玻璃生产过程，对窑炉燃烧控制、气氛控制、温度控制和安全控 制等各种控制原理和方法进行了详细研究，以此来构建合适的控制系统。 ( 2 ) 分析窑炉温度控制的要点，研究符合实际情况的控制方法，选择合适的控 制策略，设计泡沫玻璃窑炉温度控制器。 ( 3 ) 根据确定的控制方案，进行控制系统硬件、软件设计，利用组态软件设计 了上位机的监控系统。 4 硕 ：学位论文 第2 章泡沫玻璃窑炉燃烧控制研究 2 1 炉型介绍 ( 1 ) 此炉体适用温度不超过1 1 0 0 摄氏度，最大发热功率4 6 0 k w ，适合工件的 连续化加热和气氛保护烧结，工作温度在1 0 0 0 度以下时炉体设计使用寿命5 年以 上。 ( 2 ) 此燃气泡沫玻璃加热窑炉( 发泡段) 为生产泡沫玻璃而设计的专用加热 窑炉，利用天然气加热。 ( 3 ) 窑炉分3 个温区，每个温区3 米。第一个温区设置5 个烧嘴，底层3 个，上 层2 个；第二、第三温区各设置4 个烧嘴，底层和上层各2 个：每个温区又分为上下 独立控制的温区，顶部3 只热电偶反馈控制上区燃烧器，下部热电偶反馈控制下温 区燃烧器。热电偶可以在空位多装几只，信号采集后更利于生产控制。 ( 4 ) 炉膛内轨梁为高铝砖，炉膛内墙为轻质保温砖，外墙为耐火隔热砖，内 外墙夹层和炉顶为陶瓷纤维毯。 ( 5 ) 炉体第一次烤窑温升为每小时3 0 。c ，在1 0 0 。c ，3 5 0 。c ，5 3 0 。c 时保 温2 小时以上后继续升温，达至u 9 0 0 。c 后设定调试生产温度曲线，以后烤窑每次温 升4 0 5 0 。c 每小时。 ( 6 ) 推进架护轨为不锈钢2 5 2 0 钢板折弯，3 - 6 个月更换。推进架和模具根据 使用情况及时更换。 ( 7 ) 生产能力为每8 0 - 9 0 秒进一副料，最大成品尺寸6 1 0 车4 6 0 事1 5 0 ，年产能 1 2 0 0 0 m 3 。 ( 8 ) 部分技术参数：a 助燃空气压力7 0 0 0 - 1 0 0 0 0 p a 可调，风量1 5 0 0 立方4 , 时，变频器调节控制压力来调节风量。b 天然气压力7 0 0 0 p a ，流量每小时5 0 标准 立方。 2 2 泡沫玻璃窑炉生产过程分析 泡沫玻璃窑炉按工艺要求可将其分为：预热、烧结、发泡、退火4 个过程。在 泡沫玻璃制品的烧成过程中，其温度控制曲线如图2 1 所示： 5 燃气泡沫玻璃窑炉摔制系统研究 啦 一：一一了一一_ _ 一一一i 一- 一一一一一一一一一一二 一 喇 。，妇抽髓蛙捆妇址灶 图2 1 温度控制曲线 2 3 燃气泡沫玻璃窑炉燃烧控制系统研究 燃烧式窑炉包括炉温控制和最佳燃烧工况的控制( 空燃比控制；窑压控制； 燃料压力、温度、和助燃空气压力、温度等辅助参数控制) 。 泡沫玻璃窑炉中的控制对象是多变量的，必须从总体的角度来综合考虑，但 其中最主要的部分就是温度制度、气氛制度和压力制度。 本文以某燃气泡沫玻璃窑炉为背景，针对窑炉的控制方法进行研究和分析， 达到节约能源、改善炉内气氛、减少环境污染的目标。 2 3 1 燃烧控制 燃料的燃烧是一个复杂的过程，燃烧用空气、温度和燃烧时间对燃料的燃烧 有着很重要的影响，不同的燃烧阶段对这三个燃烧条件的要求也各不相同很好地 组织这些燃烧条件可以取得良好的燃烧工况。 改善炉窑内的燃烧过程可以降低气体的不完全燃烧损失。对于燃气炉窑，保 证天然气与空气的良好混合是完全燃烧的关键。精确配比的空燃比控制策略，可 以完全燃烧消除能源消费。 燃烧控制是燃气泡沫玻璃窑炉的核心控制功能之一，如何进行控制从而使烧 嘴的燃烧处于最佳状态，并且安全节能是设计控制程序的首要考虑的问题。 目前调节燃气量的方法有两种，一是采用脉冲控制技术，二是采用连续方式 控制执行器的开度。 在传统的燃烧控制方式中，加热炉加热一般是通过调节燃料和空气的流量使 之充分混合、燃烧来完成的，即在加热的过程中，燃料和空气的流量是连续变化 的。但在燃料热值较高，或者炉子加热负荷需求较小时，使用少量的燃料就可以 6 硕 ：学位论文 满足热处理工艺的要求，因此燃料和空气的流量都比较小，输送燃料的管路截面 也比较小，如果采用连续燃烧的方式进行控制，控制燃料流量的碟阀就要做得很 小，而控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要，因此控制温度的误差是较 大的。在传统的工业炉，当炉子完成升温阶段，进入保温阶段时，供入的热量主 要补偿炉体散热和烟气带走的热量，需要的燃料量急剧减少，通过调节进入烧嘴 的天然气和空气流量来实现，根据燃烧机理，容易导致炉温不均匀。连续燃烧拦 制中燃料的测量和调节不断调节的，受到各种因素的制约，往往控制效果不佳。 连续燃烧控制形式大致可分为两种：( 1 ) 计算机输出信号至两组执行器，由 两组执行器分别调节助燃空气和燃气蝶阀开度大小，从而实现对烧嘴火焰量大小 的控制；( 2 ) 计算机输出信号至一个执行器，由执行器控制助燃空气或燃气的阀 门，并带动比例调节器连续按比例调节燃气或助燃空气流量的大小来实现对烧嘴 输出功率大小的控制。这两种方法的设计思路基本类似，均需通过执行器对阀门 开度大小进行控制，其缺点是控制精度低、机械损耗大。 脉冲燃烧系统是一种新型燃烧系统。脉冲燃烧系统最根本的特点就是该系统 通过助燃空气支管上的电磁阀来实现脉冲烧嘴的“开 和“关两种状态或 者说是“最大火和“最小火”两种状态。也就是说，脉冲燃烧系统只有“开” 和“关 两种状态，系统输入的控制信号为脉冲开关量信号。与传统燃烧系统 相比，脉冲燃烧系统可以使窑炉的控制和操作变得更加容易、更加灵活，调节比 大、温度均匀性好、精度高，并且能够节约大量的能源。 脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节 燃烧时间的占空比( 通断比) 实现炉子的温度控制。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，自动切换为大火燃烧，脉冲时间长( 烧嘴燃烧时间加长) ，间 断时间减小：需要降温时，采用小火燃烧，脉冲时间短( 烧嘴燃烧时间减小) ，间 断时间加长。脉冲燃烧控制能实现炉内温度场的均匀性，并达到热处理工艺要求 的控制精度“1 。脉冲燃烧控制理论的总体结构如图2 2 所示。主要由调节单元、 非线性处理单元和输出控制单元3 部分组成。 图2 2 脉冲燃烧控制结构图 7 燃气泡沫玻璃窑炉控制系统研究 ( 1 ) 调节单兀 主要完成对实测温度和设定信号进行处理。调节单元通常选择p i d 控制，其输 入和输出关系如下： 删= k p e ( t ) + k l f e ( t ) d t + k o 警 ( 2 1 ) ( 2 ) 非线性处理单元 其非线性变化关系为： f 0 i 尸p ) i _ d o f o ( t ) = p o ) d o d 时，说明系统输出偏差很大，应该将所有烧嘴打开；当d o - l p o ) i 一 d ， 时，采用脉冲时序控制，保证有较好的过渡过程和控温精度； 当l p ( t ) l - d o 时，即 进入控制死区，系统在加热和冷却转换之间，这时控制输入视为零，不加热也不冷 却。 ( 3 ) 控制输出单元 s ( t ) 为描述每一个烧嘴输出的函数，如下所示，其中t 。为烧嘴打开的持续时间。 u 。表示每一个烧嘴打开时燃料的给进量，u ( t ) 为任意时刻加到火炉中总的燃料量， u ( t ) 则为： u ( f ) 一2 u s ( t 一) ( 2 3 ) t ；由下式确定： 【，。= e 。，。( t ) d t i ( 2 4 ) 此外，为了达到烧嘴的最佳燃烧状态，要求天然气和空气的压力恒定，且空 燃比最优。连续燃烧控制和脉冲燃烧控制两种控制方式各有优缺点，控制策略的 决定要根据设计方案设备选型而定。 2 3 2 窑炉的窑温控制 温度控制是窑炉燃烧的核心，它不仅是窑炉热技术的反映，还关系到窑炉产 品质量的好坏、窑炉的经常运行于否。窑炉温度是影响泡沫玻璃生产的主要因素。 泡沫玻璃窑炉系统是一个具有大惯性、大滞后、强非线性效应的时变分布参数系 统，泡沫玻璃窑炉在生产过程中还可能受到多种扰动因素的影响。如果温度控制 不稳定、控制精度不高，在泡沫玻璃的制造过程中，会有大泡、凹陷、瓷化、底 8 硕 ：学化论艾 部孔洞、连通孔、内外层气孔不均匀、粗孔、炸裂等常见的缺陷。这些缺陷的产 生有的是原料选用不当造成的，但大部分都是发泡、退火过程操作控制温度不当 造成的。准确地控制泡沫玻璃窑炉的温度分布是比较困难的，主要有以下几方面 的原因。 ( 1 ) 被控量( 燃气、助燃空气的流量) 的变化难以测量和控制。泡沫玻璃窑 炉焙烧的温度比较高，不仅要求燃料利于检测仪器和控制阀门的使用，而且对燃 料的准确测量和控制是保证泡沫玻璃窑能获得令人满意的热工性能的关键因素。 ( 2 )生产工艺流程复杂，泡沫玻璃窑较长，体积较大，焙烧过程中的物理 化学反应复杂且约束条件比较多，难以建立焙烧过程的精确的数学模型。焙烧过 程中有燃料的燃烧过程等，因此工艺结构比较复杂，不易掌握，这也给控制增加 了难度。 ( 3 ) 泡沫玻璃窑由于其体积较大，和周围环境的接触面积也大，因此很容易 受外界环境的影响。 ( 4 ) 泡沫玻璃窑由于其温度带较长，而且各温度带都不是独立的，而是相互 影响的，即各温度带之间存在着很强的耦合作用，对某一温度带的调节都势必会 影响其他温度带的状态，因此，独立地对某一温度带进行控制，在实际运行中有 很大困难。 ( 5 ) 泡沫玻璃窑焙烧是一个连续的热工过程，时刻都有物料从进料口进料， 这会给窑内的温度造成一定的干扰 窑炉中的温度控制实际是一项复杂、多参量而又相互相关的系统工程。窑炉 各个点的温度控制除受喷气量多少影响外，还受到供燃烧助燃气体气压，供燃气 的气压等因素的影响。还有前段窑炉温度的变化，会影响到后段窑炉温度的变化， 因此要实现对泡沫玻璃窑炉的温度控制，必须用系统工程、多参量控制的观念来 对待。因此，制定一个合理有效的控制方案，为在综合消耗最小的情况下获得满足 工艺要求的良好制品，成为研究的重要任务。 2 3 3 窑炉气氛控制 工业窑炉气氛的控制不仅是保证产品质量的重要因素，而且是节能、环保以 及降低成本的关键环节，同时也是工业窑炉热工参数控制中较难控制的一种。泡 沫玻璃窑炉气氛的控制就是燃烧状况的控制，即利用最少的燃气量和最佳的空燃 配比，获得最高的炉温。若空气不足，燃料少全燃烧，造成燃料损失。空气过量 ( 超过最佳值) ，会降低燃烧产物的温度，降低被加热物传热效率，增加排烟热 损失，增加天然气耗量。 9 燃气泡沫玻璃窑炉拧制系统研究 通常，多采用氧化锆分析仪测量烟气中含氧量作为控制目标，来对助燃风量 进行调节，构成氧气调制式的送风控制系统，由于氧化锆探头安装位置的选择受 诸多因素的限制和烟道漏风的影响，难以准确地测出烟气中含氧量的真值，无法 实现高精度控制，并且在线氧化锆分析仪一直存在价格高寿命短( 探头易氧化) 等问题。 目前大多数窑炉采用人工控制，或采用自寻优控制方案，即节省了氧化锆分 析仪，又实现空燃配比在线优化，以达到窑炉气氛控制的目的。人工控制主要靠 操作人员观看火焰来调节，不仅比较粗略，实时性差，而且不同人员控制效果不 同，对操作人员依赖性大，许多窑炉现场助燃风始终处于一种流量，很少调节： 自寻优控制方案算法简单，易实现，但缺点是：指标函数不易确定，实际应用中 比较粗略，优化调试点对窑炉产生影响，且对目前窑炉内空气过剩系数未知。 2 3 4 窑炉的窑压控制 窑温、窑压和气氛称为窑炉烧成的三大制度。其中，窑压是关键，窑压的波 动将影响窑内温度分布和气氛的分布。泡沫玻璃窑炉窑压控制是稳定窑炉热工制 度必不可少的重要参量，窑压波动会影响窑炉的火焰空间的燃烧状况，会引起实 际燃烧的“风一天然气”比变化。窑压低，吸进空气，增加天然气消耗。这时过量 空气产生的烟气会从炉内由排烟而带走大量热量，相反，窑压高会降低窑炉使用 寿命，热量从窑炉内喷出，也损失了热量，因此，工艺要求窑压控制在微正压。 窑炉的压力控制主要包括1 个助燃空气、1 个天然气主管道、3 个天然气支管道 和炉膛的压力控制。在生产过程中，根据工艺的要求，采用单回路控制系统控制 相应的介质压力达到规定的范围。 2 3 5 空燃比调整 工业窑炉中使用气体燃料时，燃料与空气先进行混合，得到一定要求的混合 比例，俗称空燃比，然后在炉窑内进行燃烧。空燃比的大小，直接影响着产品质 量、数量、燃料消耗量及环境卫生等问题。各个方面都满足得较好的空燃比，即 得到燃料与空气最佳的比例是各企业在调整窑炉时所追求的。从节能的角度来分 析，找到最佳空燃比才能获得的节能效果。过去在燃气炉窑改造中，广泛推广新 型高效燃烧装置，改善燃烧方法，提高热效率，曾相继采用平焰烧嘴、高速烧嘴、 自身预热烧嘴、低n o 。烧嘴等，均收到过较好效果。应指出，如果只从烧嘴的空燃 比上控制空气系数，而炉膛内有冷风漏入或炉内热气外溢现象，仍会造成热损失 增加，燃料浪费。调整空燃比的意义： ( 1 ) 在保证燃料完全燃烧的条件下，使助燃空气量超过所需的理论量最少， 1 0 帧f ：学位论文 亦即空气过剩系数最小，则炉内燃烧温度最高，炉膛换热情况改善：相反，空气 过剩系数过大或过小，都会使炉温降低，使炉内辐射交换状况变坏，最终导致燃 料消耗增加。 ( 2 ) 正确控制空燃比，可减少烟气生成量或避免不完全燃烧气体的产生。根 据资料介绍，将过大的空燃比减少到正常值，可以减少烟气的生成量，从而减少 离炉烟气带走的物理热损失。将原来过小的空燃比增加到正常值，可使气体完全 燃烧，从而降低离炉烟气的化学热损失，因此，正确控制空燃比，可以有效地降 低燃料的消耗量。 ( 3 ) 炉窑不完全燃烧会排放出：一氧化碳、氮氧化物、烃类、硫化物等有害 气体，既污染环境，有危害人体健康。 2 3 6 安全控制 天然气属于易燃易爆物，一旦具备爆炸三要素时，易发生事故，泡沫玻璃工 厂环境较差，高温，因此，必须重视安全问题，做好天然气管路、设施安全检查 工作。 燃气泡沫玻璃窑能否安全运行是设计的一个重点。助燃空气供应不足、熄火 后没有及时关闭天然气，造成天然气在窑内混合聚集；燃烧废气排放不畅等情况 都会造成安全事故，所以燃气泡沫玻璃窑的安全防护成了设计的一个重点。为此 应该设置完善的安全联锁系统和故障报警系统。主要包括燃烧火焰的监控、系统 连锁量的监控、天然气高低压报警、各个炉区的温度超高报警、助燃空气压力过 低报警、烧嘴故障报警等，点火启动前确认系统条件是否满足，即燃气压力正常： 燃气高压开关断开。燃气低压开关闭合。此为，通过吹扫系统在烧嘴点火前启动， 对炉膛进行吹扫( 3 0 s ) ，防止炉膛内残留可燃性混合气体在点火时爆炸。 2 4 控制要求分析 控制系统的性能要求：整个燃气泡沫玻璃窑控制系统要求具备良好的通信能 力，能够将数量众多的传感器、执行器、检测仪表和上位机组建成网。既能传输 各种现场数据、状态参数以及故障信息，又能将各种控制、维护命令发送到控制 现场。窑炉生产工艺复杂要求所设计的控制系统具有良好的开放性和扩展性。此 外，泡沫玻璃窑网络化控制系统工作在高温，多尘，嘈杂的恶劣环境中，还要面 临工业生产的各种干扰，要求系统具有良好的抗干扰能力。 泡沫玻璃窑焙烧过程的控制就是为了保证各种物理、化学反应的充分进行， 反应时的温度对反应进行得是否彻底与有效起至关重要的作用。也就是说，温度 1 1 燃气泡沫玻璃窑炉拧：6 4 系统研究 控制是泡沫玻璃窑控制的关键。影响泡沫玻璃窑温度的因素很多，燃料的温度、 压力、流量，进料量以及各种随机干扰都对温度有影响，考虑各种因素，对于烧 成带温度的控制主要涉及以下三方面。 ( 1 ) 保证烧成带温度稳定的前提条件是燃料流量的良好控制。根据使用燃料 的不同，选取合适的被控量，采取必要的控制措施，以保证烧成带的温度控制。 ( 2 ) 空气和燃气的比例即空燃比对于烧成带的温度也有很大的影响。空气量 不足，助燃效果差，燃烧不充分产生的热量少，燃料浪费大，而且会影响反应的 顺利进行：空气量过多，过剩的氧气与燃气中的气体成分等发生发应，会带走大量 的热量，使窑内温度降低，也会造成能量的浪费。所以将空气与燃气的比例关系 维持在一个适当的水平是很必要的。 ( 3 ) 系统受到的随机干扰是在所难免的，在提高系统抗干扰能力的同时，还 需要使系统在受到某些干扰，产生温度的冲击变化后，能够在尽可能短的时间内 使其恢复到稳定的温度范围之内，以保证焙烧的质量，这就要求系统的动态响应 要快，调节时间要短。 从上述可见，用传统的方法不能对这类系统进行有效的控制，必须探索更有 效的控制策略与方法。 2 5 小结 本章结合工程实际情况，介绍了泡沫玻璃生产工艺流程，并对生产过程进行 了详细的分析，并对燃气泡沫玻璃窑炉燃烧控制系统研究，即窑炉的燃烧控制、 温度、压力、气氛等，并分析了控制要求和控制难点，为控制好这些变量为控制 系统和确定算法奠定了基础。 1 2 硕 学位论文 曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼量曼! 曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼鼍! 皇曼曼曼! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍皇ii 曼曼! 曼曼皇曼皇! 曼曼皇曼皇皇皇曼曼曼曼曼曼 第3 章燃气窑炉温度的预测p id 串级控制研究 3 1 控制策略简介 在泡沫玻璃窑炉中使用天然气作燃料，燃料与空气先进行混合，得到一定要 求的混合比例，俗称空燃比，然后在窑炉内进行燃烧。空燃比的大小，直接影响 着产品质量、数量、燃料消耗量及环境卫生问题。控制手段是根据窑内温度控制 天然气和空气的流量和比例。 对泡沫玻璃窑炉控制系统而言，窑中烧成系统是控制的重点和难点。在燃烧 控制中，根据实际经验，可得出烧成带温度的变化趋势：增加燃烧时间和频率， 烧成带温度升高，减少燃烧时间和频率，烧成带温度降低；窑炉窑体是用保温、 隔热材料筑成，当改变控制量如加大燃气量，使窑内温度升高时，窑内气体进行 对流传热，窑体将吸收一部分热量使得自身温度升高，在这一过程中窑体蓄热， 因此造成包括烧成带温度在内的状态量变化滞后。同时对于窑炉来讲，窑体尺寸 较大，质量也大，表现出一定的惯性，且状态量对控制量的变化反应缓慢，具有 一阶惯性环节特性。 窑炉使用天然气作为燃料，燃气炉控温精度和炉内温度均匀性在很大程度上 取决于主管道燃气流量是否满足要求，燃气流量过大，无法实现低温控制。燃气 流量过小，高温上不去。主管道燃气给定量受很多参数影响，控制过程存在着大 量的不确定因素，如炉内温度、外部环境、燃气压力等。但主要与炉内设定温度 和燃气压力有关，即燃气压力与设定温度决定主管道燃气流量。 温控系统如采用传统的p i d 单回路控制，基本上能满足一般的工艺要求，但燃 气泡沫玻璃窑炉是一个典型的大惯性非线性时变的复杂系统，过渡时间长，并且过 程受燃烧助燃气体气压，燃气的气压等因素的影响。还有前段窑炉温度的变化， 会影响到后段窑炉温度的变化，进料口外界温度的影响。因此采用传统的控制算 法往往不能满足要求，应设计复杂控制系统。 3 1 1 串级温控系统结构 泡沫玻璃在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度偏差不断 超过5 。c 。所以烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一。因此将窑炉温 度作为被控变量。如果采用简单控制系统，实践证明这种控制方案的控制质量很 差，远远达不到生产工艺的要求。原因在于从控制阀到窑炉烧成带滞后时间太长， 如果天然气的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化， 燃气泡沫玻璃鬻炉榨制系统研究 必引起温度的波动。也就是说，发现了偏差也得不到及时调节。如果燃料压力干 扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用p i d 的什么控制作用，还是参 数整定，都得不到满意的控制效果。 综上所述，燃气泡沫玻璃窑炉是一个典型的大惯性非线性时变的复杂系统， 干扰因素很多( 燃料压力、燃料热值的变化、助