高炉热风炉冷风压力控制系统Word格式.docx
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2.1.1被控参数选择……………………………………………………………5
2.1.2控制参数选择……………………………………………………………5
2.2控制方案选择……………………………………………………………………5
2.3热风炉冷风压力PID控制………………………………………………………5
2.3.1PID控制原理……………………………………………………………5
2.3.2PID控制特点……………………………………………………………6
2.4热风炉冷风压力单回路控制系统………………………………………………7
3仪器仪表选择…………………………………………………………………………8
3.1传感器选择…………………………………………………………………………8
3.2变送器选择…………………………………………………………………………8
3.3调节器选择…………………………………………………………………………9
3.4执行器选择…………………………………………………………………………9
4结束语…………………………………………………………………………………11
参考文献…………………………………………………………………………………12
前言
高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。
高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。
炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。
从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。
燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉排出。
上升的煤气流由于将能量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。
高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。
高炉一经开炉就必须连续地进行生产。
高炉炼铁拥有五大系统：
送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统、煤气系统、上料系统。
本次设计是基于过程控制进行的关于送风系统中的热风炉冷风压力控制系统设计，由XXX老师进行指导。
1工艺过程概述
1.1高炉炼铁送风系统
风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行程的运动因素。
高炉送风系统是由风机、冷风管道、热风炉、热风管道及相关的各种阀门和烟囱、烟道等所组成。
1.2高炉热风炉基本结构
热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。
现代大高炉目前最常用的是蓄热式格子砖热风炉，蓄热式热风炉按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种。
其工作原理是先燃烧煤气，用产生的烟气加热蓄热室的格子砖，再将冷风通过炽热的格子砖进行加热，然后将热风炉轮流交替地进行燃烧和送风，使高炉连续获得高温热风。
蓄热式热风炉有烧炉、送风两种主要操作模式：
将高炉煤气燃烧对蓄热室的格子砖进行加热，即为“烧炉”操作模式，用蓄热室格子砖对冷风进行加热并送风到高炉，即为“送风”操作模式。
高炉热风炉现有3种，如下图1（a）内燃式热风炉（b）外燃式热风炉（c）卡卢金顶燃式热风炉。
（a）内燃式热风炉（b）外燃式热风炉（c）卡卢金顶燃式热风炉
图1热风炉种类
1.3高炉热风炉工艺过程
高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。
国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：
燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产，当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。
送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧，蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。
1.4热风炉的送风操作
1.4.1单炉送风
单炉送风是在热风炉组中只有一座热风炉处于送风状态的操作制度，热风炉出口温度随送风时间的延续和蓄热室贮存热量的减少而逐渐降低。
为了得到规定的热风温度并使之基本稳定，一般都通过混风调节阀来调节混入的冷风流量。
单炉送风方式一般是在某个热风炉进行检修或高炉不需要很高的风温的情况下进行的送风方式。
1.4.2并联送风
并联送风操作是热风炉组中经常有两座热风炉同时送风的操作制度。
交叉并联送风操作是两座热风炉，其送风时间错开半个周期。
对于4座热风炉的高炉来说，各个热风炉的内部状态均错开整个周期的l／4。
热风炉从单炉送风向交叉并联送风操作制度过渡时，热风炉的燃烧时间相对缩短，热风炉的燃烧率提高，两座热风炉同时重叠送风的时间延长。
交叉并联送风操作时，在两座送风的热风炉中，其中一座“后行炉”处于热量充分的送风前半期；
另一座“先行炉”处于热量不足的送风后半期。
前半期称为高温送风期，此时热风炉送出高于热风主管内温度的热风。
后半期称为低温送风期，此时热风炉送出低于热风主管内温度的热风。
交叉并联送风又分为冷并联送风和热并联送风，两种送风操作制度的区别在于热风温度的控制方式不同。
冷并联送风时的热风温度主要依靠“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管内混合，由于混合后的温度仍高于规定的热风温度，需要通过混风阀混入少量的冷风，才能达到规定的风温。
冷并联送风操作的特点是：
送风热风炉的冷风调节阀始终保持全开状态，不必调节通过热风炉的风量。
风温主要依靠混风调节阀调节混入的冷风量来控制。
热并联送风操作时，热风温度的控制主要是依靠各送风炉的冷风调节阀调节进入“先行炉”和“后行炉”的风量，使“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管中混合后的热风温度符合规定的风温。
1.4.3半并联交叉送风
在三座热风炉组中，若采用交叉并联送风，送风时间长，没有足够的燃烧时间，因此可采用半并联交叉送风方式，通过改变主送风热风炉的冷风量来使高炉获得稳定的风温。
1.5热风炉冷风阀
它是冷风进入热风炉的闸门，安装在冷风支管上，在燃烧期时关闭，在送风期打开。
冷风阀结构如图2所示。
在大闸板上带有均压用小阀，这是由于烧好的热风炉，关闭烟道阀前后，炉内处于烟道负压相同的水平，冷风支管上的压力是鼓风压力，闸板上下压差很大，直接打开闸板是不行的，故主体阀上有一个小均压阀孔，易于打开，使冷风先从小孔中灌入，待闸板两侧压力均等后，主阀就很容易打
开了。
2高炉热风炉冷风压力控制系统设计
2.1系统控制参数确定
2.1.1被控参数选择
单回路控制系统的被控参数选择一般遵循以下原则：
1选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。
2当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
3被控参数必须具有足够高的灵敏度。
4被控参数的选取还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。
根据以上原则和热风炉的工艺过程，本系统中选择冷风管道压力F（t）作为被控参数。
2.1.2控制参数的选择
工业过程的输入变量有两类：
控制变量和扰动变量。
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。
而控制参数选择的基本原则为：
1选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数。
2在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便于控制。
3在①的基础上选择对被控变量作用效果较快的输入变量作为控制参数。
使控制系统响应较快。
根据以上原则，选择冷风管道的空气流量M（t）作为控制参数。
2.2控制方案选择
本加热风炉冷风压力控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。
在运行过程中，当冷风管出口压力受干扰影响改变时，压力检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器阀门开度，不断重复以上过程，直至冷风管出口压力接近给定，处于误差允许范围内，且达到稳定。
由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。
2.3热风炉冷风压力PID控制
2.3.1PID控制原理
（1）、比例（P）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。
（2）、积分（I）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，它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。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）、微分（D）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（环节）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。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，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，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.3.2PID控制特点
（1）比例（P）控制
对当前时刻的偏差信号e（t）进行放大或衰减后作为控制信号输出。
比例系数Kp越大，控制作用越强，系统的动态特性也越好，动态性能主要表现为起动快，对阶跃设定跟随得快。
但对于有惯性的系统，Kp过大时会出现较大的超调，甚至引起系统振荡，影响系统稳定性。
比例控制虽然能减小偏差，却不能消除静态偏差。
（2）积分（I）控制
积分控制的作用是累积系统从零时刻（系统启动时刻）起到当前的偏差信号e（t）的历史过程。
积分控制的输出与偏差e（t）存在全部时段有关，只要有足够的时间，积分控制将能够消除静态偏差。
积分控制不能及时地克服扰动的影响
（3）微分（D）控制
微分控制的作用是由偏差信号e（t）的当前变化率de/dt预见随后的偏差将是增大还是减小、增减的幅度如何。
微分控制作用正比于偏差信号e（t）的当前变化率，微分控制作用的特点是只能对偏差e（t）变化的速度起反应，对于一个固定不变的偏差e（t），不论其数值多大，根本不会有微分作用输出。
由于只能在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用，微分控制可以加快系统响应速度，减少调整时间，从而改善系统快速性，并且有助于减小超调，克服振荡，从而提高系统稳定性，但不能消除静态偏差。
2.4热风炉冷风压力单回路控制系统
以冷风管道空气流量M（t）为控制参数，通过调节阀对管道压力进行控制，其系统框图如图3所示
图3热风炉冷风压力单回路控制系统框图
根据上述设计方案和系统框图，热风炉冷风压力控制系统结构图如图4所示
图4热风炉冷风压力控制系统结构图
3仪器仪表选择
3.1传感器选择
根据高炉热风炉的工艺过程可以了解到热风炉的冷风管压力范围为0—0.1MPa，所以所选的压力传感器量程应比这个范围稍大，上网查阅资料选择了PTC301型气体压力传感器。
性能参数：
量程范围：
0～400KPa至100MPa
精度：
±
0.5%FS，±
0.2%FS（BFSL）
供电/输出：
10～30VDC/4～20mA,1～5V,0～5V;
5V/0.5V～4.5V（与输入电压成比例）
介质：
与17-4PH不锈钢兼容气体、液体
介质温度：
-40～125℃
应用：
空气压缩机，天然气压缩机、氨气、氧气设备、空调制冷设备、大功率柴油机、工业及民用水泵、注塑机、压铸机、工程机械。
3.2变送器选择
HSL-3051型压力变送器，传感器是采用引进国外先进技术生产的高精度小型化智能传感器，在转换原理上利用数字化补偿技术对温度、静压进行补偿，提高了测量精度，降低了温度漂移。
具有长期稳定性好，可靠性高，自诊断能力强等特点。
以其极高的性能价格比，而成为变送器市场的主流产品。
电容式变送器有一可变电容敏感元件，它能将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。
可用于气体、液体、蒸气的测量。
技术参数：
测量介质：
气体、液体、油等与316兼容的介质
测量范围：
G:
0~0.15～41370KpaA：
0~6.2～6890Kpa
精度等级：
0.1%、0.2%、0.5%
过载能力：
量程的1.5～5倍
长期稳定性：
小于0.3%FS/年
供电电源：
15～36VDC（标定电压24VDC）
输出信号：
（4～20）mA（二/三线制）、带Hart协议
显示方式：
指针表头或数字显示可选配
校准：
通过调节精密电位器实现对零点、量程调节
工作温度：
工作温度：
（-40～80）℃；
补偿温度：
（-20～70）℃；
放大器工作在-29℃-+93℃；
敏感元件工作在-40℃-+104℃
过程连接：
M20×
1.5外螺纹（Ф3内孔）或用户注明
隔离膜片材料：
电容式
外壳材料：
316不锈钢
防护等级：
IP65
3.3调节器选择
KMM控制器是DigitronikLine系列可编程数字式控制仪表，他与模拟调节器相比有如下主要特点：
1.与模拟仪表兼容：
KMM可编程控制器为盘装式仪表，其面板大体同模拟控制器相似，既有模拟显示又有数字显示；
其外形结构、电源、接线端子等均保留了模拟调节器的特征，使用方法也同模拟仪表相似。
2.具有极其丰富的运算，控制功能：
KMM控制器具有30个运算单元（运算模块）和45种运算式子（即45种子程序）。
能实现前馈控制、采样控制、选择性控制、时延控制和自适应控制等。
3.具有通用性强、可靠性高、使用维护方便的特点：
输入输出采用国际标准信号（4~20mADC,1~5VDC）,用户编程采用POL语言。
3.4执行器选择
冷风管道上的执行器根据其工艺要求选择直行程电动执行器。
3810L直行程电子式电动执行器，是以AC220单相交流电为电源，接受来自DCS、PLC系统和其他操作器的DC4～20mA，标准信号来控制执行器进行开关阀门或自动调节。
电子控制模块采用最先进的混合集成电路，包含完整的保护功能，可现场控制或远程控制，被设计成匣子形式，并用树脂浇铸密封。
驱动反馈量采用高性能导电塑料电位器、精度高、寿命长等特点，可与各种角行程调节机构组合成高性能、高可靠性的电动调节阀。
因此被广泛用于冶金、发电、石化、造纸、轻工及环保等工业部门。
主要技术参数：
电源：
AC220±
50%，50HZ。
耗电功率（额定负载时）：
规格A型执行器50VA；
规格B型执行器150VA；
规格C型执行器220VA。
输入信号：
DC4～20mA或DC1～5V。
输出信号：
DC4～20mA（负载电阻500Ω以下）。
控制精度：
基本误差：
1%回差≤1%死区≤1%
工作行程调整范围：
“零点”±
25%“行程”20%～100%
4结束语
这次的过程控制课程设计结束了，虽然只有短短的两周时间，但是它的意义是非常深远的。
它是我们大学四年来第一次正规的论文写作与课程设计，在这次的课程设计中，我也发现了很多问题。
在此次课程设计开始之前，我并没有太过重视它，认为一个课程设计还不是简单得很，可是上手之后才知道自己错了。
我这次的课程设计题目是从上学期暑假的生产实习中提取出来的，指导老师李老师让我们选取一个最小的系统来设计，但是我失败了，在老师的指导下，花了一周的时间才确定下了题目，这种效率实在是太低了。
在设计的过程中，也遇到了很多的问题，本来以为过程控制的课程设计只需要学好过程控制就行了，但是不是这样，它到了很多我们以前学习过的但是又忘记的只是，所以只能回过头来在看书。
这次课程设计让我学习到了很多东西，首先学会了课程设计论文的写作方法与正确的格式，为接下来的智能仪表设计和毕业设计打下了基础，然后它让我了解到自己身上的很多不足之处，让我能够改正它们。
最后感谢指导老师在这次课程设计过程中对我的答疑解惑和认真指导，谢谢老师！
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