热风炉毕业设计论文Word格式.docx
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达到废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气
温度为设定值。
对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气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，需分别设置其流量控制，该流量比例控制和空燃比要分
别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，因此使系统回路更多、更复杂。
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适合于加热鼓风到生产所需的
热风温度和流量而需要的热量。
除了数学模型相当复杂外，更需设置自动分析加热煤
气的各种成分的分析器，这种仪器不仅昂贵，还需良好的维护，此外要使数学模型有
效，必须依靠完善的基础自动化。
1.2热风炉简介
1.2.1热风炉的结构
热风炉由炉衬、燃烧室、蓄热室、炉壳、炉篦子、支柱、管道及阀门等组成。
燃
烧室和蓄热室砌在同一炉壳内，之间用隔墙隔开。
热风炉有直接式和间接式之分，
间接式又分为蓄热式和换热式，目前应用最广泛的是蓄热式。
因为其换热温度高，
热利用率高。
蓄热式热风炉通过在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄
热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀
打开，冷风经格子砖而被加热并送出。
但是这种热风炉热风温度不稳定，切换机构多。
1.2.2热风炉的工作原理
燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳内，之间用隔墙隔开。
煤气和空气由管道经阀门送
入燃烧器并在燃烧室内燃烧，燃烧的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向，再向下穿
过蓄热室，然后进入大烟道经烟囱排入大气。
在热烟气穿过蓄热室时，将蓄热室内的
格子砖加热。
格子砖被加热并蓄存一定热量后，热风炉停止燃烧，转入送风。
送风时
冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室，空气通过格子砖时被加热，经拱顶进入燃
烧室，再经热风出口、热风阀、热风总管送至高炉。
1.2.3热风炉类型的比较
图1.1所示为淮钢三种类型热风炉的剖面图，（a）为内燃式热风炉，（b）为球式热风炉，其中球式热风炉又可以改建成为内燃式和外燃式热风炉，传统的工艺都是采
用这两种热风炉进行燃烧、供热，但是这两种类型的热风炉结构上存在很多缺陷。
例如：
内燃式热风炉由于蓄热室和燃烧室并列布置，所以其下部温度不一致；
此外工作环境恶劣，易损坏蓄热室与燃烧室的隔墙；
而且由于格子砖的结构不稳定，导致受热也不均匀，容易造成格子砖被挤乱和不均匀下沉。
相比于内燃式，外燃式热风炉的投
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资更大，砖砌结构更复杂，对砖的加工制作要求更高，拱顶钢结构不对称，受力不均
匀，不能够适应高温，高压的要求。
基于内燃式和外燃式燃烧室的缺陷，前苏联科学
家卡鲁金博士发明了顶燃式热风炉，即图1中的（c），它的占地更少、投资更小；
烧产物均匀供给蓄热室，提高了热风炉的利用系数；
可承受的煤气和空气预热达到500
—600℃；
拱砖拱顶结构稳定，可长期运行。
图1.1淮钢三种热风炉剖面图比较
1-烟气出口；
2-炉支柱；
3-蓄热室；
4-悬链线拱顶；
5-燃烧室；
6-热风出口；
7-燃烧器；
8-煤气入口；
9-助燃空气入口
2.热风炉的工作流程与控制要求
2.1热风炉工作流程
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
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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。
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。
其过程为燃烧状态
时助燃空气和煤气按空燃比混合，在热风炉顶部燃烧，高温烟气从上向下经过球床体，将热量存储在热风炉内。
当拱顶和烟道温度达到设定值，蓄热室储存足够热量，操作
阀门使热风炉处于焖炉状态，等待送风。
热风炉送风时，冷风从下向上经过热风炉球床体，被加热成温度略低于拱顶的热风，将存储于热风炉内的热量送往高炉。
随着送风管时间的延长，风温逐渐下降，热风炉再转入燃烧状态，循环工作。
大部分的工厂
采用至少3座热风炉运行的高炉系统，通常采用的是“两烧一送”的方式，即其中2座热风炉在燃烧，剩下的1座热风炉送风，3座热风炉按燃烧、焖炉、送风的周期循环工作，向高炉连续供风。
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图2.1热风炉三炉工作系统图
1—冷风阀2—充风阀3—烟道阀4—废气阀5—助燃空气燃烧阀6—助燃空气调节阀
7—热风阀8—煤气燃烧阀9—煤气切断阀10—煤气调节阀11—净煤气放散阀
当一座热风炉送风一段时间后，输出的热风温度不能满足高炉所需温度时就需要
换炉，改由另一座燃烧好的热风炉来送风，而原送风的热风炉则转为燃烧作业，燃烧
好的热风炉在等待送风前要进行闷炉，所以热风炉有燃烧、焖炉和送风3种工作状态。
设置3座热风炉的高炉通常采用“两烧一送”的工作模式。
2.2热风炉控制的现状与发展趋势
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HONEYWELLS9000过程控制器完成仪表控制，采用西门子S5115U可编程控制器完
3
成换炉控制；
莱钢1#750M高炉热风炉控制系统采用美国MODICON公司的E984-685PLC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-3500HPLC,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：
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（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。
2.3本课题研究内容
本课题的主要研究内容如下：
（1）硬件系统采用西门子S7-300PLC作为热风炉控制器，辅以温度、流量、压
力传感器，电磁阀等构成热风炉控制系统。
（2）软件采用STEP7进行PLC编程，实现热风炉的运行，主要包括单炉操作、
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三炉操作、手动操作和自动操作，其中三炉同时运行时的工作方式采用“两烧一送”。
此外利用温度、压力、流量传感器将测到的实时数据传送到WINCC监控界面。
（3）利用WinCC组态软件，绘制监控画面，监控画面主要由主控画面、单炉调
节画面、温度曲线图和故障报警画面组成。
采用动态对话框、C动作等实现指示灯颜
色的改变、温度的显示、流量的显示、管道中气体的模拟动作等功能。
3.开发工具简介
本次设计中需要用到PLC和组态软件两种开发工具，在此我选择了西门子S7—
300PLC和西门子WinCCV6组态软件，以下将简单介绍。
3.1PLC简介
PLC（可编程控制器）是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电
子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制
各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
如下是PLC的特点：
（1）环境要求低；
（2）体积小，能耗低；
（3）安装简单，容易维修；
（4）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强；
（5）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型；
（6）易学易用。
PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受；
（7）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
3.2STEP7编程软件简介
STEP7是用于SIMATICPLC组态和编程的标准软件包[5]。
开发或设计一S7-300应用系统，必须基于STEP7软件包进行组态和编程。
STEP7具有以下功能：
硬件配置、参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
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S7系列PLC的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL（语句表）、SCL（标准控
制语言）、GRAPH（顺序控制）、HiGraph（状态图）、CFC（连续功能图）、CforS7（C语言）
等，用户可以选择一种语言，如果需要，也可混合几种语言编程。
这些编程语言都是
面向用户的，它使控制程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和
修改极为方便。
3.3WINCC简介
3.3.1WinCC的介绍
SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。
从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC（WindowsControlcenter）印象深刻。
一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予
以实现；
另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。
凭籍这
种战略思想，WinCC，这一运行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制
中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。
如果你想使设备和机
器最优化运行，如果想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之
选。
工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等现场设备中实时采
集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用
Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监
控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供
了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。
其设计思想应遵循以下原
则:
功能完备、方便直观、降低成本。
3.3.2WINCC的设计结构
WinCC支持所有普通IBM/AT兼容的PC平台，本系统使用的软件版本为WinCC5.0SP2＋HotFix5，购买时附带授权盘。
授权方式为RC256，即允许在运行模式和项目编制模式下无时间限制地操作WinCC，项目可以使用的外部变量数是256个。
管理级采用研祥工控机，配置EVOCFSC-1711VN工业级CPU卡（基于IntelRG82845MCH芯片集
的Socket478封装全长CPU卡），内存DDR266MB，高度集成ATIRage128ProAGP4X
图形加速控制器，具备32MB独立显存，CRT显示模式。
按照各站连接设备及完成功
能的不同，我们把监控界面按结构化思想进行了编排。
各界面控制功能明确，可以清
晰直观的反映现场情况，便于操作人员进行处理。
3.3.3WinCC性能特点
1）集成ODBC/SQL数据库
2）集成与Windows交互的标准接口
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3）提供API编程接口
4）提供与PLC通信通道
5）全集成自动化TIA（TotallyIntegratedAutomationmation）部件
6）提供了与WinAC的连接接口
7）基于向导的在线组态，组态灵活
3.3.4WinCC的功能
Wincc浏览器、图形编辑器、报警登录、变量登陆、报表编辑、用户管理器、全
局脚本、通信通道、标准接口、编程接口。
3.3.5全集成自动化
1）在WinCC中直接访问STEP7符号变量
2）在WinCC中调用STEP7功能块
3）在WinCC中直接启动STEP7硬件诊断
3.3.6通信
1）可提供的通信通道连接SIMATICS7协议集的通信类型、连接SIMATICS5
的通信类型、连接SIMATICS505的通信类型、连接SIMENS控制器的通信类型、定义
平台的通信类型、连接第三方的通信类型。
2）OPC技术
4.总体设计
三座热风炉采用“两烧一送”的工作方式，PLC进行控制，WinCC实时监控。
4.1控制要求
拟采用PLC对热风炉工作过程实施控制，同时利用监控软件开发运行界面实施运行监
控。
具体任务要求：
（1）掌握热风炉系统组成、控制要求及加工工艺；
毕业设计说明书（论文）
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（2）选择合适的组态软件开发热风炉系统运行界面，实现对其生产过程的监控，
其中包括各种设备运行状态及现场参数实时显示、运行参数修改、工作方式切换、故
障报警、运行参数记录等；
（3）PLC与WINCC的连接运行。
4.2控制原理
热风炉的工作状态有燃烧、焖炉、送风三种状态，状态的转换靠控制各阀门的
动作，本控制系统实现了热风炉状态转换时阀门联锁和自动开关，以及实现四座热风
炉状态转换时的相互联锁。
热风炉换炉设计有自动（四座热风炉顺序转换）、单炉自动
以及手动（供检修时使用）等操作方式，操作方式灵活，满足各种生产条件的要求。
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℃左右，拱顶温度最高不得超过1300℃。
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3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。
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拱顶温度
助燃空气量
煤气流量
350℃
280℃
烟气温度
燃烧期蓄热期
图4.1热风炉燃烧过程原理图
t
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。
4.2.1控制内容
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
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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。
4.2.2自动控制
热风炉全自动换炉
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