基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统设计本科毕业设计论文Word文件下载.docx

基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统设计本科毕业设计论文Word文件下载.docx

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第一章引言

钢铁行业作为关系国计民生的基础性行业，具有较高的产业关联度。

钢铁工业是一个原材料的生产和加工部门，处于产业链的中间位置，它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。

钢铁企业轧钢领域蓄热式换热技术的应用，从炉型上分：

有推钢式加热炉、步进梁式加热炉、车底式炉、均热炉、罩式炉、带材连续式热处理炉及冶炼连铸领域的烘烤设备。

加热炉是轧线的龙头，加热炉运行状况对钢铁企业的产品质量、效益有很大的影响。

目前步进式加热炉是各种机械化炉中使用最广、发展最火的炉型，是取代推钢式加热炉的主要炉型。

七十年代以来，世界各国新建的热连轧机等大型轧机，几乎都采用了步进式炉。

连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位。

它的任务是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，并且在保证优质、高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗、减少氧化烧损。

随着轧钢生产的大型化、连续化和对加热炉高产、优质和低消耗的要求不断提高，采用计算机控制加热炉生产已成为实现上述目标的发展方向和必然趋势。

加热炉中钢坯加热过程优化控制的目的不外乎优质、高产和低消耗，其优化控制目标主要包括：

燃耗最低、氧化烧损最小、产量最高和目标出炉温度最准等。

此外，还可计入炉子运行折旧、加热和轧制的总能耗等指标。

加热炉的主要任务是加热钢坯，使其在出炉时达到轧制所要求的温度分布。

由于加热炉只是轧钢工序的组成部分，许多不可预见的因素都将影响到加热炉的稳定生产，而待轧是炉子操作中一个典型的动态过程，也是不可避免的。

一般将加热炉的待轧状态分为计划性和非计划性待轧，其中计划待轧指计划检修或换班引起的停顿，其时间一般能准确确定；

而非计划待轧只由事故等随机因素造成的，其时间一般不易预知。

待轧一旦发生，钢坯在炉内不再运动，如果供热制度不做适当调整，钢坯温度将不断上升，这不仅导致燃料浪费，而且还可能导致更多的氧化和脱碳，严重地影响到钢坯的加热质量。

因此，必须对生产过程中出现的待轧情况进行动态的决策，使加热炉在此不稳定工况下仍能实现优化操作，满足加热炉优质、高产和低消耗的要求。

现代化的高产量热轧带钢轧机，由于对轧制带钢的厚度尺寸公差、带钢表面质量和板型控制的要求日益严格，因而对板坯加热温度均匀性和热板坯表面的质量要求也不断提高，如何提高其质量一直是冶金行业密切关注的问题。

加热炉是热轧带钢轧机必须配备的热处理设备。

提高板坯质量的方法多种多样，在生产过程中运用自动控制即是其中之一。

随着工业自动化技术的不断发展，现代化的热连轧机应该配置大型化的、高度自动化的步进式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量,增强产品的市场竞争力[1]。

第二章步进式加热炉工艺

2.1步进式加热炉简介

2.1.1步进式加热炉的概念

借助于炉底的升降和进退，使钢坯在炉内做走步一样，从装料端一步一步地“走”到出料端。

以这种方式运送炉内钢坯的炉子叫做步进式炉。

2.1.2步进式炉的几种类型

步进式炉从炉子构造上分目前有：

单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。

单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。

钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。

它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。

两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。

在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。

钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。

交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。

运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好。

炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。

例如预热段每走一步，加热段可以走两步或两步以上。

这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。

钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。

2.1.3步进式炉的优缺点

步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。

原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。

在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。

步进式炉具有以下特点：

（1）炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60米长，一个步进式炉可以代替1.5—2个推钢式炉。

（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。

（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。

（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。

（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。

（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。

（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。

（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。

（9）生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。

（10）产量大幅度提高,在100*

t/a以上。

（11）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。

步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。

两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。

单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。

因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。

2.2步进式加热炉的工艺简介

2.2.1步进式加热炉的生产工艺流程

加热炉生产时，根据轧制计划，将板坯送至加热炉上料运输辊道，钢坯经称重、测长、测温后送至区域管理计算机指定的炉门装料口，按布料图进行定位，在确定炉内有足够空间后，装料炉门打开，装钢机将板坯送入炉内，板坯间隔50mm，完毕后装料炉门关闭。

炉内板坯通过步进梁的运动，经过炉子的预热段、加热段、均热段充分加热，达到轧制要求温度后，运行至出料端激光检测处并完成最后一次步进运动，经激光检测器检测及步进梁行程控制系统和炉内坯料跟踪系统计算，钢坯在炉内准确位置的信号被送往出钢机，出钢机托起钢坯出炉，准确将钢坯放在出炉辊道中心线上，再由出炉辊道输送到粗轧机轧制[10]。

从初轧厂或连铸车间来的板坯，一般经火焰清理后送入热轧厂加热炉，钢坯从炉尾装入炉内，不断前进，经预热段、加热段和均热段，最后被加热到所需轧制温度。

加热炉的特点是热负荷不随时间变化，炉内各段温度要求比较稳定，且分布均匀。

加热炉自装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热段及均热段，如图2-1。

预热段长度较长，可以充分利用烟气来预热装入炉内的钢坯，从而提高燃料的利用率。

钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。

钢坯经预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。

均热段主要将钢坯均匀热到规定的出钢温度。

若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，不能出钢。

三段的温度互相融合，互相影响。

本设计中加热炉为三段式加热炉，分为预热段，加热段，均热段，其中预热段、加热段、均热段采用上端煤气燃烧控制，加热后的热风送向各烧嘴，供燃烧时使用。

为了便于灵活调节各段炉温，在预热段与加热段，加热段与均热段之间设有无水冷隔墙。

用无水冷隔墙隔开，可以精确控制各段炉温以及炉膛压力，减少各段之间的辐射干扰。

各段均为上加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。

通过每对蓄热式烧嘴的切换燃烧，加强了炉气在炉内的扰动，增强了炉气对钢坯的传热。

空气预热温度1000℃以上，排烟温度150℃以下。

图2-1步进式加热炉工艺图

步进式加热炉与推钢式加热炉相比，其基本的特征是钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的，在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升、前进、下降、后退的矩形运动，一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。

炉内钢坯通过步进梁的步进动作，自装料端一步一步经过预热段、加热段和均热段传送到炉子的出料端。

在接到轧机要钢信号后，步进梁就将固定梁上最终料位处的钢坯托放在出料悬臂辊上面，然后送出进入轧线轧制。

传动机构的上下运动和前后运动分别是独立机构构成的，支撑在辊子上的步进梁的前进、后退用油压传动方式，上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动，炉子装钢要保持规定的间隔，用推钢机或输送机装入炉内，加热好的钢坯出钢采用出钢送入下一步工序。

图2-2步进式炉内钢坯运动轨迹的示意图

炉底由固定梁和移动梁（步进梁）两部分所组成。

最初料坯放置在固定梁上，这时移动梁位于料坯下面的最低点1。

开始动作时，移动梁由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁平面时把料坯托起；

接着移动梁载着料坯沿水平方向移动一段距离从2点到3点；

然后移动梁再垂直下降到4点的位置，当经过固定梁水平面时又把料坯放到固定梁上。

这时料坯实际已经前进到一个新的位置，相当于在固定梁上移动了从2点到3点这样一段距离；

最后移动梁再由4点退回到l点的位置。

这样移动梁经过上升—前进—下降—后退四个动作，完成了一个周期，料坯便前进（也可以后退）一步。

然后又开始第二个周期，不断循环使炉料一步步前进。

移动梁往复—个周期所需要的时间和升降进退的距离，是按设计或操作规程的要求确定的。

可以根据不同金属和断面尺寸确定物料在炉内的加热时间，并按加热时间的需要，调整步进周期的时间和进退的行程。

移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要将物料退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把料坯由装料端退出炉外。

移动梁还可以只作升降运动而没有前进或后退的动作，即在原地踏步，以此来延长物料的加热时间。

全炉采用32台蓄热式烧嘴，每套烧嘴配备一套独立的换向系统，最大限度的保证了生产的连续稳定运行。

通过控制烧嘴的开闭，可以适应多品种、小批量生产的需要。

在加热特殊钢种时，可以根据实际情况关闭加热段靠近炉尾的部分烧嘴，延长预热段长度，方便的实现低温入炉。

在不需要低温入炉同时又有较大产量要求时，可以将全部烧嘴打开，延长加热段长度，提高产量，最大限度的实现操作灵活性。

加热炉采用端进料、端出料，这样由炉尾推料机直接推送出料，不需要单独设出料机，而且适合较宽的料坯，可以几个炉子共用一个辊道，占用车间面积小，操作也比较方便。

2.2.2影响钢坯质量的若干因素

影响钢坯质量的因素较多，如加热温度、断面温差、长度方向的温差、水印温差、加热速度、加热时间、气氛待性、钢坯间距、钢坯尺寸、燃料燃烧、冷却方法、炉子的密封程度、炉壁炉顶的散热、步进梁速度、废气带走热量等，都会对钢坯质量产生显著影响。

其中加热温度和炉膛压力对钢坯质量影响较大，而且可控。

钢坯的加热制度应保证在加热装置最大生产率和最适宜的气（液）体燃料耗量的前提下达到尽可能高的加热效果，最终得到断面均一、温度均匀的优质产品。

在实际生产中，钢坯的加热时间往往是变化的。

这是因为加热炉必须很好地与轧机配合。

在生产某些产品的过程中，炉子生产率小于轧机的产量时，常常为了赶上轧机的产量而造成加热不均，内外温差大，甚至有时为了提高出炉温度而将钢表面烧化，而其中间温度尚很低，造成加热质量很差。

若炉子生产率大于轧机的产量时，则钢在炉内的停留时间大于所需要的加热时间，造成较大的氧化烧损量，这些情况均不符合加热要求。

如遇到上述情况，应对炉子结构及操作方式作合理的改造或调整，使炉子产量和轧机产量相适应。

钢坯温度对钢坯质量的影响较大，钢坯加热温度是产品质量保证的关键。

若温度偏低则不能很好的进行轧制，以致难以达到所需固定成型效果。

随温度逐渐升高，烙蜕固结的效果亦逐渐显著。

加热温度对钢坯的影响特性显示：

（1）从提高质量和产量的角度出发，应尽可能选择较高温度。

因为，在较高温度下能够提高钢坯的强度，缩短加热时间，增加设备的生产能力。

但若超过最适宜值，则会使钢坯抗压强度迅速下降，严重时有可能造成钢坯熔融粘结。

（2）从设备条件、设备使用寿命、燃料与电力消耗角度出发，应尽可能选择较低的加热温度。

因为，高温加热设备的投资与能耗巨大，所以尽可能的降低加热温度以提高设备使用年限和降低燃料、电力消耗是十分重要的。

但是，加热的最低温度应足以使钢坯进行有效的轧制为限制。

实际选择加热温度，通常应兼顾上述两个方面。

炉膛压力的分布对连续加热炉热工的影响比较大，直接关系炉膛温度分布、料的加热速度和加热质量。

综合考虑影响加热过程的各个因素，加热温度和炉膛压力对于钢坯质量的影响颇大，而且是一个可以控制的量，所以选择温度和炉膛压力作为被控参数。

第三章步进式加热炉控制系统硬件设计

步进式加热炉控制系统是采用西门子PLC系统和DCS系统来实现的,整个系统包括硬件系统和软件系统,下面详细介绍硬件系统。

3.1控制方案

步进式加热炉的热工制度主要包括:

温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。

根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。

对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量；

炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气、煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。

对于炉膛压力，采用单回路控制，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，达到控制炉膛压力的目的。

3.1.1燃料燃烧的控制系统设计

双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。

它是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路而构成[2]。

双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干扰的影响，使燃料流量变得比较平稳。

通过比值控制副流量即空气流量也将比较平稳。

这不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要特点。

另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值，就可以提降燃料流量，同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。

这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合，实用性强[2]。

设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下：

图3-1燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图

3.1.2炉温的控制系统设计

在步进式加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；

空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费了燃料并污染了环境。

所以为了控制温度，工艺上不但要求燃料量与空气量成一定的比例，而且要求在温度发生变化时，燃料与空气的提降量有一定的先后次序，以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。

本设计采用单交叉限幅控制，即以炉内温度为主环，空、煤气为副环的串级炉温控制回路。

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。

它是由主、副两个控制器串接工作的。

主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。

在这个设计中，主控制器是温度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空气控制器，这要依据提降时的先后顺序而定。

一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，在该系统中主参数温度是一个定值，工业上要求步进式加热炉预热段温度为750℃～1100℃，加热时间15～30分钟；

加热段的温度为1250℃～1300℃，加热时间40～60分钟；

均热段的温度为1150℃～1250℃，保温时间20～30分钟；

连铸冷坯料、模铸冷坯料的总加热时间为90～120分钟；

因此，主环是一个定值控制系统。

而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。

设计的炉温与流量的串级控制系统方框图如图3-2。

图3-2炉温与流量串级控制系统方框图

加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的。

温度控制器根据实测温度，按照PID控制策略，产生一个输出。

该输出作为煤气控制器和空气控制器的设定值，去控制煤气和空气流量。

温度控制器与煤气流量控制器或空气流量控制器构成一个串级控制系统。

其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器或空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。

在控制炉温的过程，当炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量，当炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气煤气交叉控制，以保证燃料的完全燃烧。

而完成具有逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：

高选择器HS、低选择器LS。

炉温的单交叉限幅控制的检测流程图如下：

图3-3单交叉限幅控制的检测流程图

图3-3所示为“串级和比值控制组合的系统，由炉膛温度与燃料、空气流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。

完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：

在正常工况下，即系统处于稳定状态时，温度控制器的输出

，等于燃料流量变送器的输出

，也等于空气流量变送器的输出

。

也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。

当系统中的炉膛温度降低时，温度控制器的输出

增加（根据串级控制系统的要求，温度控制器应选用反作用式控制器），这个增加了的信号不被低选器选中，而却被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。

然后由于空气增加，使其变送器输出增加，也就使

开始增加。

因此时

＜

，

被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。

这一过程保证在增加燃料且前，先加大空气量，使燃烧完全。

整个提量过程直至

＝

=

时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。

当系统中的炉膛温度升高时，温度控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。

燃料量降低，经变送器的测量信号被高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。

降量过程直至

，系统又恢复到稳定状态。

这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求[2]。

单交叉限幅保证了焦炉煤气在正常工况条件和异常工况波动条件下,都能稳定的与空气保持一定偏差范围内的比例,并以焦炉煤气流量为主控变量,以空气流量为从动变量,实现了燃烧过程的经济性和合理性要求[11]。

3.1.3炉膛压力的控制系统设计

单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。

在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此又称为简单控制系统。

单回路控制系统虽然简单，却能解决生产过程中的大量控制问题。

它是生产过程控制中应用最为广泛的一种控制系统[2]。

单回路控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。

炉内气体流动状况是炉膛压力的主要影响因素，而气体流动状况又受到烟道百叶窗的开度的直接影响。

设计中对炉压的控制采用的是单回路控制策