PID控制在舞钢新线3#加热炉燃烧控制中的应用

供稿|张亮亮 / ZHANG Liang-liang

内容导读

文章介绍了PID控制的特点和基本控制原理及参数调整的原则。为了实现加热炉自动烧钢控制功能，提高板坯加热质量，需要完成热风和天然气流量的准确测量，实现炉内温度的准确控制。PID控制在舞钢新线3#加热炉的燃烧控制中的应用明显提高了热风和天然气流量控制准确性，空燃比控制合理，残氧量降低，天然气消耗降低，是PID算法在工业控制应用上的典型实例。

在过程控制中，按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

舞钢新线3#加热炉燃烧系统是用温度设定控制空燃流量，再用流量控制各阀门开口度的一套自动控制系统。PID控制的应用使温度控制更精确，空气燃气的配比更合理，减轻操作者的工作强度的同时一定程度上降低了能源的消耗。

PID控制的特点和原理

PID控制的特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，是工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型以及控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

PID控制的原理

◆ 比例控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

◆ 积分控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

◆ 微分控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时抑制误差的作用为零。因而，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的。比例项的作用仅是放大误差的幅值，而增加“微分项”能预测误差变化的趋势。具有比例+微分的控制器能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。

PID参数的调整原则

PID参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行细调：(1)被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P；(2)被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。

舞钢新线3#加热炉燃烧系统

加热炉本体

加热炉分设第一加热段上下、第二加热段上下、均热段上下6段控制供热。空气由设置在烟道中的换热器预热后进加热炉燃烧，天然气以常温形式进加热炉燃烧。

加热炉分为六个燃烧控制段，各燃烧控制段的控制方式相同。六个燃烧段分别为：上均热段、下均热段、第二上加热段、第二下加热段、第一上加热段、第一下加热段。在每个控制段上各设置4支热电偶，每个热电偶分别将信号送给PLC，热电偶的测量信号由PLC进行处理并在HMI画面上显示。

各段天然气流量经孔板流量检测后送PLC进行处理，经PID控制方式输出调节信号至天然气流量调节阀，按炉温需要调节天然气流量。

各段助燃空气流量用孔板检测，经差压变送器转为电信号后送PLC进行处理，输出调节信号至助燃空气流量调节阀，按空/燃比需要调节助燃空气流量。

加热炉控制系统

◆ 硬件系统

加热炉仪表自动化控制系统由SIEMENS PCS7控制系统作为系统主控制器，I/O采用分布式控制结构ET200M系统，现场总线采用PROFIBUS-DP总线结构将主控制器和ET200M I/O站相连接，工作站(HMI)与控制器连接方式采用工业以太网形式组成。PLC系统拟采用SIEMENS公司S7-400系列可编程序控制器和工作站系统，通过网络进行通讯。PLC控制器用于生产过程的逻辑和顺序控制，闭环调节控制、数据采集、计算和过程I/O处理等。工作站用于参数设定、操作和修改、报警和事故显示、过程画面显示、系统状态显示等。

◆ 软件系统

系统编程组态软件采用SIEMENS PCS软件，PCS7控制系统完成对生产过程中各种参量、数据的采集，输入输出信号的变换、处理、显示、记录、运算、连锁报警、回路控制、逻辑控制、数据通讯等功能。自动烧钢功能的实现主要依据PID的运算合理调节各阀门的比例积分微分参数，达到最佳响应状态，在不同流量偏差下采用不同的PID参数。根据现场操作经验，编写5种不同加热速度，适应各钢种工艺需求。

Wincc画面显示各监视、控制所必须的各种操作、监视画面。仪表画面有：

系统总貌画面、汽化冷却系统画面、报警总貌画面、参数设定画面、分段显示画面、控制回路画面、实时趋势画面、历史记录画面。

PID控制在舞钢新线3#加热炉燃烧控制中的应用

典型程序

OB1

CALL “Isolating Value”

CALL “Recycle Pump”

CALL “Discharge Value”

CALL “Aerif i cation Fan”

CALL “Replenishing Value”

CALL “mode_select”

CALL FC 50

CALL FC 65

OB35

CALL FC 1

CALL FC 2

CALL FC 3

CALL FC 4

CALL FC 5

CALL FC 6

CALL FC 7

CALL FC 17

CALL “Cumulation”

CALL “Attention”

CALL “PID select1”

CALL “Filter”

CALL “Alarm”

CALL “PID select2”

CALL “Communication with Lv2”

CALL FB 10, "FIC#304"

SP :="Range_Limit#302".SPout_Gas

PV :="FT#304".OUT

Kp :=2.000000e-002

Ki :=0.000000e+000

Kd :=0.000000e+000

IN_Dead_line :=2.500000e+001

OUT_Dead_line:=1.000000e-002

Limit_step :=2.000000e+000

Limit_Hi :=8.000000e+001

Limit_Lo :=3.500000e+000

OUT_end :="FIC#304".OUT_end

OUT_P_end :="FIC#304".OUT_P_end

OUT_I_end :="FIC#304".OUT_I_end

OUT_D_end :="FIC#304".OUT_D_end

OUT :="FIC#304".OUT

IN :="FVO#".FV304

L “FIC#304”.OUT

T “FVO#”.FV304

NOP 0

参数设定

◆ 简介

自动烧钢功能的实现主要依据PID的运算合理调节各阀门的比例、积分微分参数，达到最佳响应状态，在不同流量偏差下采用不同的PID参数；手动、半自动、自动三种操作模式灵活操作，其之间操作实现无扰动切换；根据现场操作经验，编写5种不同加热速度，适应各钢种工艺需求；助燃风压采用PLC的PID控制功能实现恒压变频控制，可实现恒压控制和频率控制两种控制方式。以均热段下部的自动燃烧程序为例，介绍其参数的应用。

◆ 温度对燃气流量的PID控制

均热段下部原来有两个测温点，一个是均热东炉侧TE302A，一个是均热西炉侧TE302B，为了使温度的测量更精确后添加一个测温点TE3022B。炉温的参考值是取以上三点测量温度的平均值作为参考值”PID#Peremeter3”.TIC302_PV。温度的设定值”PID#Peremeter3”.TIC302_SP来自HMI画面中设定的温度值。温度的设定值有一定的范围限制，当这个值被设定的大于1350℃或小于900℃时，原设定值无效，程序中按1200℃给定这个值。当这个值在900℃到1350℃之间时，程序采纳这个设定值。在PID控制程序块中Kp为8，Ki为0，Kd为3.5，ID_Dead_Lim为3即实际温度值与设定温度值的差值在3℃时就启动调节，OUT_Dead_Lim为1即实际温度值与设定温度值的差值在1℃时就停止调节，Limit Step为200即对燃气流量调节的步幅为200 m3/h，Limit_Hi是燃气流量设定值的最高限是1100 m3/h，Limit_Lo是流量设定值的最低限是0，”FT#304”.OUT为实际燃气的流量。实际燃气的流量是现场仪表采纳的信号经过程序的变送输送过来参与控制并显示在HMI画面上的。这些参数经过PID程序块计算后得到”TIC#302”.OUT即是燃气流量的实时设定值。

◆ 通过燃气流量来控制空气流量

空气流量的设定值是跟随燃气的流量设定值变化的，以满足不同燃气量下燃烧所需的氧气量。根据天然气和氧气的化学特性以及空气中氧气的含量，大致的空燃比为10，即空气的流量是天然气流量的10倍，但是受到各种因素(如气体的温度、燃烧的气氛、烟气带走的流量等)的影响，空燃比是一个变化的值，程序中对其做了约束。空燃比”PID#Peremeter3”.SCALE302_SP来自HMI画面中的设定。当空燃比设定大于11时，程序按11来采纳；当空燃比设定小于9，程序按9采纳；在9和11之间，采纳画面中的输入值。”TIC#302”.OUT燃气流量设定值乘以”PID#Peremeter3”.SCALE302_SP空燃比设定值得出”Range_Limit#302”.Spout_Air空气流量的设定值。程序也根据”FT#303”.OUT实际空气流量与”FT#304”.OUT实际燃气流量的比值计算出一个当前的实际空燃比并输送到HMI画面显示。

◆ 燃气流量对燃气阀门开口度的PID控制

“TIC#302”.OUT被重新定名为”Range_Limit#302”.Spout_Gas，为燃气流量设定值，”FT#304”.OUT为实际燃气流量。在PID控制程序块中Kp为200，Ki为0，Kd为0，ID_Dead_Lim为25，即实际燃气流量值与设定燃气流量值的差值在25时就启动调节，OUT_Dead_Lim为0.01，即实际燃气流量值与设定燃气流量值的差值在0.01时就停止调节，Limit Step为2，即对燃气阀门阀位调节的步幅为2，Limit_Hi是燃气阀位设定值的最高限是80，Limit_Lo是燃气阀位设定值的最低限是3.5，”FT#304”.OUT为实际燃气的流量。这些参数经过PID程序块计算后得到”FV0#”.FV304即是燃气阀门阀位的实时设定值，这个值通过一定的程序变送后变化为电信号直接控制燃气阀门的开口度。

◆ 空气流量对空气阀门开口度的PID控制

“Range_Limit#302”.Spout_Air为空气流量设定值，”FT#303”.OUT为实际空气流量。在PID控制程序块中Kp为1500，Ki为0，Kd为0，ID_Dead_Lim为250，即实际空气流量值与设定空气流量值的差值在250时就启动调节，OUT_Dead_Lim为100，即实际空气流量值与设定空气流量值的差值在100时就停止调节，Limit Step为1.5，即对空气阀门阀位调节的步幅为1.5，Limit_Hi是空气阀位设定值的最高限是80，Limit_Lo是空气阀位设定值的最低限是1。这些参数经过PID程序块计算后得到”FV0#”.FV303即是空气阀门阀位的实时设定值，这个值通过一定的程序变送后变化为电信号直接控制空气阀门的开口度。

操作界面修改

图1是PID 控制操作界面。在燃烧系统画面点击“TI101B/TI102B/ TI201B/TI202B/ TI301B/TI302B”等各温度显示框均可出现“参数自动控制设定界面”，通过此界面，六段燃烧可以任意实现手动、半自动、自动的燃烧控制，可以实现一级或二级目标温度设定及空燃比和加热速度等的设定。

在“参数自动控制设定界面”勾选“二级设定”选择框设定二级控制目标温度，“二级设定”在程序中为二级控制功能预留接口。在未勾选“二级设定”选择框下，点击“SP”输入框可设定目标温度和空燃比，点击“手动”、“半自动”、“自动”等按钮可实现三种模式的控制和切换，六段燃烧控制方式互不干扰。“自动”是操作工只设定各段温度，由程序控制燃烧；“半自动”是操作工设定燃气流量，空气流量由程序给定；“手动”是操作工直接给阀门开口度。最右边的“加热炉速度选择”选择框，可以选择加热速度，速度1最慢，速度5最快。

在燃烧系统画面点击“TI101A/TI102A/TI201A/TI202A/TI301A/TI302A”等各温度显示框可以设定各燃烧段的实际温度，小绿点所在的温度即当前实际温度。

燃烧系统画面点击“风压自动”按钮可切换助燃风风压自动控制或频率控制。在风压自动控制方式下，右边的风压设定输入框设定风压，实现风压自动控制；在频率控制方式下，右边的频率设定输入框设定频率，实现手动控制风压。

在燃烧系统画面点击“残氧修正”按钮，绿色显示残氧修正作用启动，灰色显示残氧修正作用取消。残氧修正界面见图2。

在汽包流量历史曲线画面下可以显示和查询各燃烧段空燃比和烟道残氧含量。

改进部分

为了实现加热炉自动烧钢控制功能，提高板坯加热质量，降低天然气消耗，节约生产成本，需要完成热风和天然气流量的准确测量，增加热风和天然气的温度、压力补偿功能，并根据板坯加热工艺要求开发自动烧钢控制功能，实现热风和天然气流量根据设定的目标温度和空燃比进行自动控制，实现炉内温度的准确控制，同时确保天然气能够得到充分燃烧，将残氧含量控制在5%以下。该项目需要完成以下功能：①校对燃气流量计，增加温度、压力补偿功能，程序中做小信号切除，提高流量测量的准确性。②增加加热炉烧钢控制模式，实现根据生产方式的变化选择最佳的烧钢控制速度。在程序的组织块中，根据不同的速度选择执行不同周期的主程序调用。③增加空燃比控制和残氧含量修正空燃比功能，实现空燃比的精确控制和动态微调功能。根据残氧量计算出一个修正值，用设定的空燃比减去这个修正值后的值来控制空燃比，每2 min修正一次。

结束语

舞钢新线3#加热炉的燃烧控制应用了PID算法，使热风和天然气流量控制准确性得到明显提高，空燃比也得到合理控制，残氧含量降低，天然气能源消耗降低，提高了天然气的燃烧效率，是PID算法在工业控制应用上的典型实例。