步进式加热炉控制系统设计 精品.docx
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步进式加热炉控制系统设计精品
步进式加热炉控制系统设计
班级：
测控技术与仪器083班
设计日期:
2011年12月22至2012年1月2号
设计地点：
安徽工业大学东校区
目录
第一部分：
步进式加热炉
1.步进式加热炉简介………………………………………………………………………3
2.步进式加热炉结构………………………………………………………………………4
3.步进式加热炉工艺流程…………………………………………………………………5
第二部分：
DCS系统的选型
⒈DCS选型注意事项………………………………………………………………………7
⒉本设计DCS选型…………………………………………………………………………7
⒊DCS系统硬件选型………………………………………………………………………8
⒋组态设计…………………………………………………………………………………8
⒌设备安装…………………………………………………………………………………9
⒍调试………………………………………………………………………………………9
第三部分：
步进式加热炉控制系统设计方案
⒈步进式加热炉的主要性能参数…………………………………………………………9
⒉步进式加热炉具体控制方案设计………………………………………………………9
第四部分：
DCS组态图
⒈JX-300组态………………………………………………………………………………13
⒉加热炉控制系统演示工程………………………………………………………………14
⒊温度报警显示……………………………………………………………………………15
⒋温度和炉膛压力监控……………………………………………………………………16
第五部分：
心得体会
第六部分：
参考资料
一、步进式加热炉工艺流程
⒈步进式加热炉简介
⑴步进式加热炉
步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。
炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。
前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。
轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。
步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。
⑵步进式加热炉特点
和推送式连续加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：
1.可以加热各种形状相比的料坯，特别适合推送式炉不便加热的大板坯和异型坯。
2.生产能力大，炉底强度可以达到800-100kg/m2h,与推送式炉相比，加热等量的料坯，炉子长度可以缩短10%-15%。
3.炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象。
4.炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变料坯之间的距离，就可以改变炉内料块的数目，适应产量变化的需要。
而且步进周期也是可调的，如果加大每一周期前进的步距，就意味着料坯在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热要求。
5.单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床。
两面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热良好与否而定。
6.由于坯料不在炉底滑道上滑动，料坯的下面不会有划痕。
推送式炉由于推力震动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式炉不需要这些维修费用。
7.轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，以免料坯长期停留炉内造成氧化和脱碳。
8.可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化。
步进式加热炉存在的缺点：
和同样生产能力的推送式炉相比，造价高15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。
经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高160KJ。
⒉步进式加热炉的结构
⑴步进式加热炉结构图
（2）炉底结构：
从炉子结构看，步进式加热炉分为上加热步进式炉、上下加热步进式炉、双步进梁步进式炉等。
上加热炉只有上部有加热装置，固定梁和移动梁是耐热金属制作的，固定炉底是耐或材料砌筑的。
这种炉子几乎没有水冷结构，所以热耗较低，只能单面加热，用于较薄钢坯的加热。
与推进式加热炉一样，为了满足加大钢坯的需要，步进式加热炉也发展了以下的加热方式，出现了上下加热的步进式加热炉。
结构图如图
（2）
.
此炉底是架空的，可以实现双面加热，钢坯没有紧靠在一起，也可以看成是四面受热。
下加热一般只能用侧烧，上加热可以用轴向端烧嘴，也可以用侧烧嘴或炉顶端烧嘴供热。
考虑到轴向烧嘴火焰沿长度方向的温度分布和各段温度的控制，某些大型步进式炉有明显的炉顶压下，而下加热段设有端墙，以免各段温度之间相互干扰。
因此这样的步进式炉子长度温度调节有更大的灵活性。
如果炉子宽度较大，火焰长度又较短时，可以在炉顶上安装平焰烧嘴。
（3）传动机构：
步进式加热炉的传动机构分为机械传动和液压传动，目前广泛应用的是液压传动方式。
此种传动方式运行稳定、结构简单、运行速度的控制比较准确，占地面积小、设备质量小、比机械传动有明显的优点。
由于步进式炉很长，上下两面温度差过大，线膨胀的不同会造成大量的弯曲和隆起。
为解决这个问题，目前一些炉子将大梁分成若干段，各段间留有一定的膨胀间隙，变形虽不能避免，但弯曲的程度大为减轻，不致影响炉子正常工作。
（4）密封结构：
为了保证步进梁正常无阻碍的运动，在活动梁和移动梁之间要有一定的间隙，对步进梁来说则在梁支撑穿过炉底部分有保证它运动的足够大的开孔。
这些缝隙或开孔的存在虽然是必要的，但也容易吸入冷风，影响加热质量和降低燃料利用率，也可能造成炉气外逸，危害炉底下部设备，对轧钢用步进炉则必须考虑密封问题。
目前有滑板式密封和水封两种密封形式，前者密封较差，水封密封较好。
⒊步进式加热炉工艺流程
一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段。
进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。
加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。
均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。
一般用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。
钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。
其生产过程如下：
对于步进式加热炉，钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的。
钢坯位于固定梁上，移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动，移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉前进一步，而且保证钢坯没有任何滑动。
传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立的机构完成的。
步进梁的进后运动多采用油压传动方式，上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式。
钢坯被送到加热炉外的上料辊道上，经过测长后，从装料炉门进入炉内，然后在炉内悬臂辊道上进行对中定位，通过移动梁步进机械的周期运动，一步步地前进。
当钢坯被输送到出炉位置，且已达到所要求的出炉温度，当接到允许出钢信号时，钢坯加热结束，由出料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。
步进行程如图（3）
工艺过程如图（4）
2、DCS系统选型
⒈DCS选型注意事项
⒈DCS可以用于不同的工艺过程，它是通用的控制设备。
⒉经济性，应该从DCS本身价格和预计所创效益角度考虑。
⒊承包方的技术力量，也就是承包方对哪一工艺过程和DCS本身比较熟悉。
⒋售后服务问题，国外厂商通常情况下存在配品、备件供应价格高，且不能及时供应问题。
国内的DCS厂家配品、备件供应比较及时，售后服务方面做的也比较好。
也可选用。
⒌DCS的技术先进性，指系统采用了经过验证的最新技术，并有发展前途和生命力。
选型不但要考虑项目规模和投资预算，还要考虑到一系列其它的因素，选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运，应慎重考虑。
⒉本设计DCS的选型
一般的工程项目，需要进行可行性研究和项目的基础设计，以确定工艺基本要求、系统的规模、测点的数目及特性（如量程、单位、阀特性、触点的常开和常闭等）、控制要求（如联锁、常规控制、特殊控制等）、需监控的流程画面（如带测点的工艺流程图样式、操作界面的样式）、报表样式及要求、控制室的布置设计等等。
明确这些要求，为下一步的选型、组态、安装、调试等工作做了准备。
选择浙大中控JX-300X组态系统。
JX-300X系统硬件结构
⒊DCS系统硬件选型
根据系统实际测点和控制情况，选择系统需要的硬件设备（机柜、机笼、卡件、操作站等），使硬件配置可以满足设计中的数据监控、画面浏览等要求，并为将来的系统扩展升级留有一定的余量。
加热炉I/O点数
检测区域
AI点数
AO点数
DI点数
DO点数
热电偶
热电阻
4~20mA
4~20mA
预热段上
11
3
3
42
26
预热段下
11
3
3
58
42
一加上
13
3
3
52
32
一加下
13
3
3
72
52
二加上
13
3
3
52
32
二加下
13
3
3
72
52
均热上
2
2
2
2
2
均热中
2
2
2
2
2
均热下
11
3
3
58
40
公共部分
7
17
12
6
42
20
汽化冷却部分
28
4
25
10
⒋组态设计
根据前期设计和硬件选型的结论，用JX-300X系统组态软件包中的相关软件实现控制站、操作站等硬件设备在软件中的配置，操作画面设计，流程图绘制、控制方案编写，报表制作等等。
一般的，组态设计按照以下的步骤进行：
①以系统整体构架为基础，进行总体信息的组态
②I/O组态（I/O设备、信号参数的设置）
③控制组态（控制方案的实现）
④操作组态（监控画面，如流程图等）
对于一个项目的组态设计，主要是指利用JX-300XDCS系统组态软件包，在工程师站上完成的设计、配置工作，这样的组态设计基本上是按照下面的步骤进行的：
1.整理硬件及I/O信息，分配测点
2.建立组态文件
3.主机设置
4.控制站I/O组态
5.控制方案组态
6.操作站组态
7.编译、修正
⒌设备安装
设备安装之前，需要确定的是指控制室的环境布置是否符合DCS工作要求，是否具备供电条件，接地系统是否完成，机柜、操作台等是否就位，电缆的铺设是否符合标准，现场仪表的就位是否正常。
确认安装的准备工作就绪以后，可以进行设备接线、卡件安装等工作。
⒍调试
在设备就位的基础上，可以进行组态的下载以及控制系统的调试和联调。
这些工作的进行测试了系统的各设备的通讯是否畅通，硬件工作是否正常，现场设备能否按照配置正确的工作，控制方案是否满足控制要求。
3、步进式加热炉控制方案设计
⒈步进梁式加热炉主要性能参数
炉子额定能力：
90t/h
有销炉底强度：
500Kg/（m2*h）
钢坯加热温度：
1050~1080摄氏度，最高1150摄氏度
燃料：
高焦炉混合煤气
设计发热值：
7531KJ/m3
煤气接点压力：
8000pa
炉膛控制温度：
均热段1100~1200摄氏度，加热段1150~1250摄氏度，预热段700~850摄氏度，炉膛最高温度1350度
烧嘴数量：
均热段：
共28个，加热段34个
烧嘴型号：
BMT-3.34煤气调焰烧嘴
炉膛控制压力：
0~20Pa
空燃比：
1.2~4.5（随热值调整）
⒉控制系统具体方案设计
加热炉燃烧控制系统对加热炉控制来说，占有很重要的地位。
它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理的进行燃烧，节约燃料，防止冒黑烟，减少有害气体对环境的污染，都有重要的意义。
传统的加热炉炉温控制通常采用并行串级控制方法或双交叉限幅控制燃烧方法。
并行串级控制方法比较简单、实用，而且负荷跟踪速度较快，但是在动态特性变化比较频繁的生产过程只能中，不能保持空气、燃料的较好跟随关系，难以实现最佳空燃配比。
而双交叉限幅控制方法则能保证最佳空燃配比的实现，但同时也导致了整体上负荷跟踪速度的降低。
⑴炉温控制
采用具有快速补偿响应及抗积分饱和功能的双交叉限幅燃烧控制方法.
加热炉各段炉温控制采用PID控制，过程值来自于选定的热电偶的测量值。
2根热电偶检测的温度偏差回路实时监视偏差值，温度偏差高时将报警提示操作工。
炉温控制器有自动、手动两种控制方式。
当煤气/空气调节阀输出达到60%以上而煤气/空气的流量过程值低于20%时，煤气/空气显示故障并停段。
在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生。
当负荷增加时，燃料系统所需的煤气流量和空气流量理论上同时上升，但由于空气流量通常滞后，燃烧空气过少，此时燃料不能得到充分燃烧，致使热效率降低，同时造成烟囱冒黑烟，污染环境。
相反负荷减少时，燃烧空气过多，多余的空气被加热后随废气一同带走，造成热效率降低，因此在燃烧控制中采用双交叉限幅控制。
其结构是以出炉温度为一个主控回路，煤气流量和空气流量构成两个并联串级控制系统。
其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器和空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。
通过双交叉限幅，副回路控制器会在主回路的输出以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值，这样，煤气流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内，从而克服了传统的串级控制系统存在的不足。
具有快速补偿响应功能的交叉限幅控制方法,双交叉限幅燃烧控制的响应速度受燃料流量控制和空气流量控制,响应速度的制约取决于其应较慢一方,通常是空气流量.控制的响应速度在炉温设定值动态优化设定的燃烧系统中,这一问题显得尤为突出通常的解决方法,是当炉温设定值的变化率较大时,取消双交叉限幅功能代之以串级并行控制.本文采用的方法是在现有的双交叉限幅燃烧控制的基础上增加一快速响应功能,以改善空气流量控制系统的响应速度.
这种控制方法主要思想是在正常状态下采用双交叉限幅燃烧控制方法,当负荷大幅度升降其变化超过响应速度,较快的燃料系统限制的能力时,燃料系统限制环节的输入输出之差,经动特性补偿方向性增益补偿和补偿量限制环节后,与空气系统限制环节的输出相加,此信号作为空气流量控制系统的设定值.实行强制性前馈作用以此来加快空气系统的响应速度,迅速解除对燃料系统的限制作用。
图中A为炉温调节器的输出,B和D分别为根据空气流量测量值求得的黑烟界限和空气过剩界限，C和E分别为根据燃料流量测量求得的黑烟界限和空气过剩界限，K1-K4为偏置数,β为量程修正系数,μ为空气过剩率设定。
⑵煤气/空气流量控制
当空气和煤气管道压力过小的时候会造成回火事故，使加热炉既不能正常工作。
为了保证不发生这样的事故，煤气管道压力不能太小，因此需要在煤气和空气管道压力持续减小，而温度调节系统无法发挥作用的时候需要完全切断煤气供应，对燃烧系统进行保护，以防止回火，造成不必要的损失。
煤气空气管道压力控制系统框图如图（5）所示：
其控制流程图如图（6）所示：
⑶炉膛压力控制
炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要参数。
当炉膛压力过高时，火烟就会从入（出）料口处大量冒出。
这不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也容易烧坏炉子的钢结构和炉墙钢板，降低炉子的使用寿命。
同时，炉压过大引起的冒火还会导致劳动环境的恶化。
当炉膛压力过低时，会吸入大量的冷风，不但增加炉子的热耗还会增加钢坯的氧化烧损，甚至引起烧钢。
因此，必须对炉膛压力进行有效控制。
在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制可以通过控制烟道闸门的开启度或引风机调速来实现。
炉膛压力主要通过设于排烟管道上调节阀的开度进行调节，正常时应保持炉膛微正压10~20Pa，以防止外部冷空气侵入和火焰外逸。
以均热段炉压测点为被控参数，蓄热系统的排烟管道上的调节阀为操纵量。
以炉气平衡出发，烟道排烟量应该以供风量相平衡，故采用简单的单回路控制系统对炉膛压力进行控制，有压力检测变送装置反馈回来的信号与给定值进行比较，当炉膛压力增大时，增大烟道阀门的开度；当炉膛压力减小时，减小烟道阀门的开度；炉子待轧熄火时，烟道闸门应完全关闭，以保证炉温不会很快降低。
炉压控制系统方框图如图（7）所示：
其控制流程图如图（8）所示：
图（8）炉内压力控制流程图
4、DCS组态图
⒈JX-300组态图
⒉加热炉控制系统演示工程
⒊温度报警显示
⒋温度和炉膛压力监控
5、心得体会
通过这次的过程控制课程设计，我学到了很多，不仅仅是知识方面。
刚接触到这个题目，感觉非常棘手，对各种只是都不了解，因而，就开始了搜索资料的过程。
但是网上的资料也并不是很全面，很多东西还是很模糊，也去图书馆查阅了一些资料，再结合这自己所学的知识，慢慢的摸索出了一些门道。
课程设计是一个综合性的题目，它包括的不只是过程控制的知识，还有像DCS，自动控制原理等等的知识的结合，是融会贯通的。
这就让我将自己大学几年里学的知识综合到了一起，对自己所学的知识体系有了更进一步的理解。
老师也进行了课程设计的答疑，让一些同学分享了自己做课程设计的经验，再加上老师的讲解，我对这次课程设计的思路、知识有了更加深刻的认识，也给我做课程设计时有了一定的指导方向。
通过我们小组成员的共同努力，我们成功的将这次过程控制课程设计完成了。
这次课程设计，让我学到了不少实际工程运用的知识，加深了我对课本知识的理解。
同时，也锻炼了我对于问题分析，进而进行搜索、汇集、整理资料的能力。
不仅如此，他还增强了我的团队意识，学习了团队的精神。
总之，这是课程设计不只是一次知识的领悟，而且是对我人生发展的综合考验。
我也能不断督促自己做的更好，不断的进步。
六、参考资料
1.《自动化仪表与过程控制》施仁，刘文江，郑辑光编第3版北京：
电子工业出版社
2.电子文献：
中国优秀硕士学士论文（加热炉控制）
3.浙大中控JX-300X系统与应用【期刊论文】周小力
4.《组态软件应用指南:
组态王Kingview和西门子WinCC》王善斌主编北京:
化学工业出版社,2011
5.《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》/王常力,罗安主编北京:
电子工业出版社,2004
6.电子文献：
中国优秀硕士学位论文（加热炉控制）
升级会员 