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4总结11
仪表选型12
温度变送器12
流量变送器12
调节阀12
调节器13
高低选择器13
参考文献14
前言
步进加热炉是热连轧生产过程中的重要设备，钢坯加热是否满足工艺要求将直接关系到钢材产品的内在质量。
通常钢料上下温度不均，一般称为阴阳面。
通常把低温面称阴面，把高温面称阳面。
轧制时，有阴阳面的钢坯容易产生弯曲、扭转现象，因为阴面向上，则轧件出轧辊时向上弯，阴面向下时向下弯，向上弯易发生顶掉卫板和缠辊等事故。
所以生产中一般把阴阳面预先翻到侧向位置。
钢料内外温度不均匀，轧制时延伸不均，使轧件产生应力，容易造成裂纹。
沿钢料长度上温度不均匀，如水管黑印（即钢与炉底水管接触处温度低于其他地方的加热缺陷），轧制时造成辊跳值波动，而使同一轧件尺寸波动，给控制成品尺寸公差造成困难。
然而，在钢坯加热过程中，钢坯温度是不能在线连续测量的，这也就意味着不能采用传统的回路控制策略实现钢坯温度的控制。
由于钢坯加热过程呈现非线性、强耦合、高阶和时变等复杂特征，钢坯出炉温度与多项工艺参数相关，且存在着不可测扰动，因此精确数学模型难以建立。
实际中，由于炉内气氛的温度与钢坯温度具有一定的函数关系，因此常采用控制炉内气氛温度的方法来达到间接控制钢坯温度的目的。
对于四段步进式加热炉，预热段内不进行加热，也就不需要温度控制。
在加热I段、加热Ⅱ段和均热段，在侧面炉墙的上下部都设置有一定数量的烧嘴，各段的炉内温度都独立地进行控制，调节器的输出信号作为空燃比控制系统的设定值，据此来维持炉内温度的稳定。
由于加热过程的复杂特征，钢坯温度控制很难由底层控制系统独立完成，通常需要通过上层的监控系统来不断调整底层炉温控制系统的最优设定值，这就是加热炉的优化控制。
1工艺过程概述
1.1、步进式加热炉工艺过程
轧钢厂钢坯加热炉是用来将初轧钢坯或者连铸钢坯加热到一定的温度，以便轧机进行轧制的再加热生产设备。
按照加热方式的不同，加热炉可分为周期式和连续式两种。
周期式：
钢坯在炉内固定不动而进行加热。
连续式：
钢坯在加热炉内不断移动，在移动过程中加热。
连续式加热炉分为：
推送式，步进式。
步进式加热炉具有生产能力大、可加热各种形状的钢坯以及可以适应不同产量和不同加热速度要求等诸多优点，因此，应用广泛。
目的：
根据钢坯的边界条件，适时调整各段炉温，以确保钢坯出炉时将表面温差和断面温差控制在规定的范围之内。
四段步进式加热炉的结构简图
预热段：
利用烟气余热预热钢坯，不设置烧嘴，850～950℃；
加热I段、加热Ⅱ段：
设置有一定数量的烧嘴，以煤气为燃料对钢坯进行强化加热，～1250℃；
均热段：
设置有一定数量的烧嘴，以煤气为燃料对钢坯进行加热，消除内外温差。
1250～1300℃；
1.2、步进式加热炉的工作过程
用电磁吊车将钢坯吊放到装钢台架上，由链式运输机将钢坯逐根运送到第一组装钢辊道旁的拨钢机槽内，再由拨钢机的拨钢杠将其拨到第一组辊道上；
经检查合格的钢坯在第二组辊道上称重后被运到第三组辊道上准备装炉；
装炉时，把钢坯从第三组辊道送到第四组辊道，并使相邻钢坯之间保持规定的间隔距离，之后，钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的步进梁进行的。
加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊道之间对钢坯进行托起、前进、下降操作，将钢坯放到固定梁上，步进梁接着下降脱离钢坯，这就完成一个运送周期；
然后步进梁又退到下一块钢坯的底部，再依次重复上述的托起、前进、下降、脱离、后退的矩形操作步骤，将下一块钢坯装进炉内。
如此反复运动，每一个循环运动的过程使钢坯在炉内的固定梁上不发生滑动就前进一步,从预热段经加热I段、加热Ⅱ段和均热段的加热，最终送到出钢端的出钢悬臂辊道上，然后由该辊道将加热好的钢坯运送出炉，经过高压水除鳞后送到轧机组进行轧制。
1.3、步进加热炉温度控制系统组成
步进加热炉1台，温度变送器1台，流量变送器2台，温度调节器1台，流量调节器2台，调节阀2台，高低选择器各1台。
2步进加热炉温度控制系统设计
2.1、控制要求
钢坯加热炉是一个典型的复杂工业被控对象，它包括了热力学、化学和物理学的多种过程，几乎具备了复杂工业系统的多变量、时变、非线性、强耦合、大惯性和纯滞后等所有特点。
工艺过程的复杂性决定了加热炉控制的复杂性，加热炉的过程控制不能只局限于加热炉燃烧过程本身，而应综合考虑从加热到轧制的整个过程，这样才能达到节能与提高产品质量的目的。
加热炉控制的目标是按照轧机轧制节奏，设定加热炉各区段炉温，使钢坯在炉内移动过程中充分受热，以保证钢坯出炉时的温度和均热度满足轧制要求，并实现最小的钢坯表面烧损，同时要使加热过程中所消耗的燃料量最少，能量利用效率最高。
2.2、控制方案选择
步进加热炉通常采用煤气作为燃料，煤气的热值、含水量、含尘量以及天气变化等因素都会使空燃比偏离最优值。
空燃比过大，会导致热能的损失增大，而且由于炉内气氛中含有过多的氧，进而造成钢坯严重烧损；
空燃比过小，则会导致部分燃料不能充分燃烧，热效率降低，炉尾喷火并产生大量黑烟而污染环境等问题。
因此对空燃比进行准确控制具有重要的现实意义。
空燃比控制是煤气流量与空气流量的协调控制，是实现炉温控制和经济燃烧的手段。
空燃比控制系统从属于炉温控制回路，炉温调节器的输出作为煤气流量或空气流量控制系统的设定值，是一个典型的串级控制回路。
步进加热炉炉温基本控制方案：
方案1—燃料量与空气量同步变化方案2—空气量变化滞后于燃料量变化
步进加热炉燃烧过程改进型控制方案：
该系统具有逻辑提、降量功能。
当炉温偏高时，可通过低选器LS先减少煤气量，后减少空气量；
而当炉温偏低时，可通过高选器HS先加大空气量后加大煤气量，这就确保了在提量和降量时煤气都能充分燃烧。
2.3、逻辑控制系统方块图
2.4、步进加热炉燃烧最优控制（空燃比）
在锅炉燃烧过程中，空燃比应该随着燃料质量（用热值表示）和锅炉蒸汽负荷的变化而及时进行调整，这就是燃烧过程的最优化控制问题。
理论分析和工程实践均表明，锅炉的燃烧状况主要反映在烟气成分和烟气温度两个方面，而烟气成分通常采用烟气氧含量α来表示，烟气氧含量是锅炉热效率最简便的检测方法。
对于液体燃料，最优过剩空气量为8～15%左右。
过剩空气量与能量损失的关系为：
总能量损失包括不完全燃烧的热损失和烟气热损失两部分。
过剩空气量常用μ表示，μ定义为实际空气量与理论空气量之比，即
qT——理论空气量
qp——实际空气量
μ值很难直接测量，实际中可用过剩空气系数μ与烟气氧含量α存在的固定关系，计算出α的最优值，这样，烟气氧含量α即可作为衡量燃烧经济性的间接指标。
二者的关系近似表示为：
当过剩空气量为8~15%时，过剩空气系数μ值为1.08~1.15，利用上式求得烟气氧含量α为1.6%~2.9%。
3元件的选择及控制参数设计
3.1、变送器
3.1.1、温度变送器
因为感温元件品种繁多，其信号输出类型也多。
为了便于自动化检测，所以对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是为统一的4～20mA信号。
为了使各种温度传感器的输出能统一为4～20MA的信号，所以用了温度变送器。
利用温度变送器来使输入的各种电阻和电势信号，变成了统一的4～20MA的电流信号，这就是温度变送器的由来。
温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的4～20MA电流信号输出，同时还起隔离作用。
按工作原理分类，主要是热敏元件的不同，有热电偶、热电阻（金属）、和半导体热敏电阻一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，用来测量各种工艺过程中-200～1600℃范围内的液体、蒸汽及其它气体介质或固体表面的温度。
它通常和显示仪表、记录仪表以及各种控制系统配套使用。
温度传感器温度影响产生电阻或电势效应，经转换产生一个差动电压信号。
此信号经放大器放大，再经电压、电流变换，输出与量程相对应的4～20mA的电流信号。
热电阻一般用于中低温的测量，而热电偶主要是高温的测量。
由于我们需要控制的温度为1400℃左右，所以这里我们选用热电偶温度变送器。
热电偶温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、短偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。
它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。
为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。
当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。
同时由于加热炉温度为1400℃左右可以选择铂铑-铂铑（0-1600℃）B型热电偶。
在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。
这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
3.1.2、流量变送器
流量变送器又称为流量传感器简称流量计。
现在国内均按照IS09951标准并结合国外流量仪表先进技术而研制开发的温度、压力、流量传感器和智能流量积算仪于一体的新一代高精度、高可靠性的精密计量仪表，它出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，使得流量计成为一种特别优秀的能准确计量气体累积量的商业贸易计量仪表。
由于本控制系统的副对象煤气、空气均属气体状态所以可选择热式质量流量计。
热式气体质量流量计是利用热扩散原理测量气体流量的仪表。
传感器由两个基准级热电阻（RTD）组成。
一个是速度传感器RH，一个是测量气体温度变化的温度传感器RMG。
当这两个RTD置于被测气体中时，其中传感器RH被加热，另一个传感器RMG用于感应被测气体温度。
随着气体流速的增加，气流带走更多热量，传感器RH的温度下降。
被测流体的质量流量可表示为：
（P为加热功率；
cp为比定压热容；
T为加热器前后温差）
根据热效应的金氏定律,加热功率P、温度差△T（TRH-TRMG）与质量流量Q有确定的数学关系式。
P/△T=K1+K2f（Q）K3K1、K2、K3是与气体物理性质有关的常数。
热式气体质量流量计独特的温度差测量方式克服了采用恒温差原理的热式气体质量流量计测量煤气流量时因煤气中含水、油和杂质而造成的很大的零点漂移，导致无法测量的弊端。
它也可以用于测量湿气体的质量流量，如矿井下瓦斯抽放、送风，排风系统中的风量（速）的实时检测。
热式气体质量流量计应用领域：
●氧气、氮气、氢气、氯气及多组分气体测量
●高炉煤气、焦炉煤气测量
●烟道气测量
●沼气、水处理中的曝气和氯气测量
●压缩空气测量。
●天然气，液化气，火炬气，等气体流量测量
●电厂高炉的一次风、二次风流量测量
●矿井下通风或排风系统流量测量
●燃气过程中空气流量测量
●烟囱排出的烟气流量（速）测量（CEMS）
●煅烧炉烟道气流量测量
技术特点：
适用介质：
与不锈钢相兼容的一切气体
测量范围：
0.05-120m/s
工作温度：
-40℃-510℃
环境温度：
-40℃-85℃湿度小于90%RH
压降：
对于直径大于或等于3英寸的管道可以忽略不计电源要求：
18-30VDC最大600mA
180-230VAC最大2.5W
100VAC最大3.15W
输出信号：
与质量流量成比例的线形4-20mA与温度成比例的线形4-20mA。
3.2、调节阀
调节阀属于控制阀系列，主要作用是调节介质的压力、流量、温度等参数，是工艺环路中最终的控制元件。
在现代化工厂的自动控制中，调节阀起着十分重要的作用，这些工厂的生产取决于流动着的介质正确分配和控制。
这些控制无论是能量的交换、压力的降低或者是简单的容器加料，都需要最终控制元件去完成。
最终控制元件可以认为是自动控制的“体力”。
在调节器的低能量级和执行流动流体控制所需的高能级功能之间，最终控制元件完成了必要的功率放大作用。
调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。
其他的最终控制元件包括计量泵、调节挡板和百叶窗式挡板（一种蝶阀的变型）、可变斜度的风扇叶片、电流调节装置以及不同于阀门的电动机定位装置。
尽管调节阀得到广泛的使用，调节系统中的其它单元大概都没有像它那样少的维护工作量。
在许多系统中，调节阀经受的工作条件如温度、压力、腐蚀和污染都要比其它部件更为严重，然而，当它控制工艺流体的流动时，它必须令人满意地运行及最少的维修量。
调节阀在管道中起可变阻力的作用。
它改变工艺流体的紊流度或者在层流情况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或“摩擦”所引起的。
这一压力降低过程通常称为“节流”。
对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非理想程度（焦耳—汤姆逊效应）。
在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。
3．2．1、调节阀的选择
根据生产安全原则、工艺特点及介质性质，空气和煤气的调节阀均选气开式，气动式；
因为快开特性的调节阀较适用于双位控制和程序控制系统，而本系统为带有逻辑关系的串级比值控制系统，且根据管路特性、生产规模及工艺要求，宜选用等百分比流量特性的调节阀；
根据被控介质流量的大小及调节阀流通能力，选择调节阀的尺寸适当。
3.3、调节器
调节器是自动化工程领域里用来控制温度的模块及外围电路组成的具有显示功能的控制装置。
可以根据用户需要设定温度，具有多种工作模式，能够快速的进行组态调节。
调节器的重要参数：
控制结构（顺序控制、串联控制、比率控制、混合控制、分程控制）、工作模式（自动、手动、安全模式、跟进模式、备份模式）、指示方式（3位液晶屏显示）、设定方式（类比设定）、控制输出（继电器输出）、使用温度（-10～50℃）、相对湿度（45～85[%]）、设定精度（±
2[%]FS以下）、调整感应度（0.5[%]FS以下）、比例周期（约20S）。
调节器的特点；
体积小、造价低；
运输和安装方便；
调节模块中配备比例动作功能，另有重新设定调整功能；
配备有安装转接器，可以连接密集安装；
通过插头插接的方式可以安装DIN轨道，面板嵌入。
调节器广泛应用在常规机器结构、设备结构、工业熔炉、冷却与加热装置结构、食品与饮料行业、工艺学、环境艺术、玻璃与陶器制造业、橡胶与塑料机器以及木材与造纸行业等许多场合。
3．3．1、调节器的选择
根据工艺特点和控制精度要求（偏差≤±
2℃），本系统主控对象为温度（炉温），而温度是大惯性环节所以主调节器可以选用PD调节规律，若要求系统无静差可以采用PID调节规律。
而副调节器的主控对象为流量不宜采用PD调节规律否则回事串级副回路震荡，且流量非惯性环节即副调节器可选择P调节规律。
据调节阀是气开式为“+”，同时串级副对象:
阀门开大流量升高为“+”，流量变送器恒为“+”，所以副调节器为“+”即反作用。
同理可以判断主调节器也为反作用。
4总结
通过这次的课程设计使我对过程控制中所学习到的理论知识有一个全面的系统的认识，也使我在学习书本知识的同时学会了将理论知识运用于社会生产实践中，上学期在宝钢一周的生产实习让我对轧钢机组产生了浓厚的兴趣，它们根据客户的需要将连铸坯轧制成各种类型的成品钢板，且轧制的精度极高，通常误差不超过1mm，同时钢板硬度、强度均要达到各项指标，这就要整个控制系统具有高强度、高稳定、高标准优点。
如何将20cm左右钢坯轧制成3mm的钢板且误差不超过1mm，这些都是系统操作人员必须面对的难题，而步进炉对钢坯进行加热是整个控制系统的第一步，其重要性可想而知。
钢坯加热炉是一个典型的复杂工业被控对象，其控制过程极其复杂，本次课程设计我仅仅设计了炉膛温度控制其它系统如炉膛压力控制系统、热空气温度控制系统及废气压力控制系统未作详细的研究。
在这两周的忙碌中，我学会了许多我们在课堂上学不到的知识和能力。
在我们做课程设计的时候我们将会面对各种问题例如CAD制图、系统传函、微分方程、系统矫正及仿真。
这就要求我们不仅具有扎实的理论知识还要有较强的查资料和自学能力，综合运用以前上课时老师教授我们分析问题方法具体解决实际问题。
仪表选型
温度变送器
名称：
B型热电偶铂铑热电偶WRR-130
型号：
WRR-130
分度号：
B
热响应时间:
<
150S
总长（L）插深：
300x150
流量变送器
热式气体质量流量计
型号:
SSQ9-8636MP-SSS-133-DC24-O2/H2
4-20MA
常温
工作压力：
1MPA
线性信号输：
出0-5VDC&
4-20mA
通讯方式:
RS232&
RS485
精度：
±
[读数的1%+满刻度的（0.5%+.02%）]
重复稳定性:
：
0.2%
传感器响应时间：
1秒（可以通过时间参数调节）
量程比：
1000:
1
调节阀
气动气开式调节阀
型号：
ZJHP-16K气开式调节阀ZJHP-16B
基本误差%：
1.0
回
差%：
≤1.0
额定行程偏差%：
≤2.5
泄露量l/h：
0.01%×
阀额定容量
可调范围R：
30:
1
调节器
UP550程序调节器
产品型号：
UP550-00
品牌：
日本横河YOKOGAWA
程序模式：
30种
调节功能：
5种
精度：
0.1%
采样周期100ms
LED显示：
11x20mm
通信方式支持：
Modbus、PC-Link&
Ladder协议与协调操作
高低选择器
VJSS高低信号选择器
VJSS
日本恒河
4-20MA
参考文献
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ISSN:
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Publisher:
ElsevierLtd
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