台车式退火炉监控系统设计毕业设计论文.docx

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台车式退火炉监控系统设计毕业设计论文

毕业设计论文

台车式退火炉监控系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

在铸钢件的生产工艺流程中，热处理是提高铸钢件产品质量的一道重要工序，而退火炉是现今铸业领域热处理环节中使用最广泛的设备，对退火炉的正火、退火、回火温度曲线控制的精度成为各大铸业厂家的首要竞争力。

本设计为8m×5m×4m台车式退火炉的监控系统设计，通过运用视窗控制中心（WinCC）根据风压变送器、煤气压力/流量变送器、炉压变送器、热电偶反馈的数据并搭载天然气、空气流量调节回路、炉膛压力调节回路对风压，煤气压力阀门开关实现远程控制，同时实现退火炉的系统自动检查、工艺参数设置、系统监控及超限报警、炉温记录、统计分析等功能。

从而达到系统稳定性高、现场数据可视化同时在工艺上达到温控精度达到±5℃,控制效果理想，充分满足控制要求。

关键词：

退火炉;阀门控制;WinCC;报警

Abstract

窗体顶端

Intheproductionprocessinsteelcasting,heattreatmentisanimportantprocesstoimprovethequalityofsteelproducts,andtheannealingfurnaceheattreatmentcastingindustryisnowpartofthefieldofthemostwidelyuseddevicesforannealingfurnacenormalizing,annealing,backfiretemperatureprofilecontrolprecisioncastingindustrytobecomethemajormanufacturersofprimarycompetitive.Thedesignforthe8m×5m×4mstationcartypeannealingfurnacecontrolsystemdesignbyusingWindowsControlCenter（WinCC）accordingtothepressuretransmitter,gaspressure/flowtransmitter,thefurnacepressuretransmitter,thermocouplefeedbackthedataandcarryingnaturalgas,airflowcontrolloop,chamberpressurecontrolcircuitforairpressure,gaspressurevalveswitchforremotecontrol,whileachievingannealingfurnacesystemautomaticallychecks,processparameters,systemmonitoringandlimitalarm,temperaturerecord,statisticalanalysisandotherfunctions.Soastoachievehighsystemstability,datavisualizationfieldwhileachievingprecisiontemperaturecontrolontheprocesstoachieve±5℃,fullymeetthecontrolrequirements.窗体底端

Intheproductionprocessofcaststeel,heattreatmentisanimportantprocessforimprovingsteelcastingsproductqualityandheattreatmentannealingfurnaceisnowcastingdevicesmostwidelyusedinthelink,controlprecisionforannealingnormalizing,annealing,temperingtemperatureiscastingfactory'sfirstcompetitiveness.Thisdesignfor8mx5mx4mTaiwancartypebackstoveofmonitoringsystemdesign,throughusingWindowsControlCenter（WinCC）accordingtowindpressurevariablesentdevice,andgaspressure/flowvariablesentdevice,andfurnacepressurevariablesentdevice,andthermocouplefeedbackofdataandcarryinggas,andairflowregulationloop,andfurnacepressureregulationlooponwindpressure,gaspressurevalveswitchachievedremotecontrol,whileachievedbackstoveofsystemautomaticallycheck,andprocessparameterset,andsystemmonitoringandthesuperlimitedalarm,andtemperaturerecords,andStatisticsanalysis,function.Soastoachievethesystemstability,datavisualization,andintheprocessreachtemperatureaccuracy±5℃tomeetcontrolrequirements.

KeyWords:

Annealingfurnace；Valvecontrol；WinCC；Alarm

结论26

1绪论

1.1研究背景

退火炉作为现今铸造生产领域首要设备，是生产制造过程中无可替代的环节,直接关乎产品的的各个方面。

而退火炉的非手动控制使用度正是改进生产速度、产品合格率和如何合理利用能源的主要手段。

二十世纪70年代国外开始对退火炉非手动控制领域展开探索，经过数年时间，随着多媒体水平和智能控制理论的提升，退火炉非手动控制技术的使用范围日渐扩大，操作水平显著上升，获得了很多技术上的革新与突破。

 随着多媒体时代的到来，逐渐向微型处理器方向拓展，曾经的PID控制慢慢增进的同时，现代化的控制方式也随之增多。

时至今日，已经开发出一整套新型多媒体控制技术，并且在繁琐的工业制造中得到完美的使用，因为推翻了传统理论的束缚，采用了新的仿真模式，滚动优化和多方向预测等新的温控想法，取得很多全新的运行信息，从而让温控准确度大幅度增加[1]。

就像美国在退火炉多媒体控温中采用模拟量事先预测来提高最终的准确度，在当中率先提到模拟量的不定性改变，当煤气压力不稳定时，煤气通道上的电动阀的打开角度仅管是百分之百,煤气压力仍无法满足设定量时会产生很多干扰影响温控效果因素，于是在模拟时将煤气通道中压力视为能被测定的模拟量来使用，并且将现场不定的声音干扰纳入参考范围，退火炉可用一个带可测煤气压力干扰，有控制项的自由回归滑动平均模型来描述，当采样周期为60s，得到一个有纯滞后的一阶惯性的数字模型。

对退火炉利用广义预测极点配置加权控制器计算机控制[2]。

二十世纪80年代以后，中国对退火炉的应用展开深度探索，由于多媒体应用的日渐成熟，退火炉自动温控逐步开展到具体化领域。

时至今日中国退火炉温控模块采用世界领先的温控设备，随着HMI、PLC和集散系统等温控系统的开发，逐渐与曾经繁杂的继电器、指针式仪器产生替换。

无论是可编程控制器还是DCS，这些应用编程方式都朝着便利化发展，通过LAD梯形图，即便是非本专业从事人员也可独立实现，同时不但能单独完成，而且通过以太网连接，与互联网交换[3]。

采用新的控制方法对传统的负反馈、单一PID控制系统做了多种补充从而使控制性能更佳。

例如曾经的温控模块，热处理和空气的联系通常是搭配调整实现，因此耗材与空气配比回路的灵敏度通常非同步，耗材的温度值的非可控性及烧嘴性能的改变，这种调节比例度掌握困难。

尤其对铸钢件燃烧过程中产生改变的状况下，更不能满足合理的调节。

1.2研究方向

退火炉主要是燃烧和热处理相互产生物理化学变化，就单单燃烧来讲，如何能在不同的情况中，比如处于燃烧材料变化的制造中，随时使燃烧处于稳定的方法。

因为退火炉的使用流程很多情况都能被看作是繁杂的生产，利用非手动温控模块完成整体的制造温控工作，要求温度必须稳定调节[4]。

处于热处理进行时，铸钢件处于炉内每一时刻温度都是非可控的，所以需要温控模块对每一时刻炉内温度都能预先设置。

退火炉多媒体温控满足生产要求与否，通过由以下各性能参数体现：

1．温度控制精度：

铸钢及其周边产品的热处理方式主要根据设定值进行控温的原理，制造方式对温控精度要求十分严格。

2．铸钢的均匀受热：

退火处理必须维持炉内平稳的温度和温控准确性，避免铸钢受热分布不平衡产生脱碳、氧化和结炭黑。

3．冷却控制是否合理：

使铸钢温度维持稳定，然后利用降温方式让铸钢球化，此时就要求温度控制效果跟随每段温度产生改变。

4．节能要求：

在满足生产工艺的同时，如何更完美的利用原材料，避免原材料的过多浪费，避免污染环境，改善制造成本，同样是工业设计需要纳入考量的因素。

5．工艺性能：

处于退火中的铸钢件必须经过退火工艺让铸钢达到生产需要，单单就铸钢件介绍，通常用硬度的强弱衡量铸钢件的性能，所以必须进行热处理，使铸钢件具有较好的硬度及耐磨性。

1.3脉冲式燃烧技术

铸钢件进行热处理的原因是清除铸钢件轧制后的内部应力以及改变铸钢化学结构，退火炉的热处理性能以及温度控制精度，让铸钢的产品性能有许多改变。

通过对台车式退火炉的烟气变化的研究，发现烟气在退火炉内部的流动快慢对炉温的上升和退火工艺有非常高的影响，通过达到烟气的循环利用可降低成本，本专业人员逐渐对烧嘴的模式和点火方式进行改善，并且对炉内热传递模块进行了研究，从中获得很多收获。

烟气是带热载体，烟气对铸钢的加热，一方面是由于烟气对钢的辐射、对流传热实现，另一方面则是通过加热炉壁、炉顶，进而由炉墙加热钢来实现。

不难看出，不管是铸钢件受热，炉壁温度改变，热传递都起到举足轻重的作用。

尤其处于稳定控温，炉内外材料是定制的状况下，辐射传热往往被看成是不变量，并且热传递因为气流速度变快同时变快，这也是炉型结构设计改变的首要原因。

烟气使铸钢件的受热往往依靠烟气加热铸钢和炉壁来完成。

增快炉内烟气的流动速度，不但能增快铸钢的受热速度，同时能优化炉壁对铸钢的温度提升效果，对改善退火炉的温度提升效率有明显影响。

烟气在炉内扩散平衡，同时能让炉内温度保持平衡，改善铸钢的退火效果。

台车式退火炉工艺保持连续循环，其中可分为正火、退火和淬火，因为此种情况就要求能快速地更改燃料补给量来达到温控需求[5]。

在脉冲点火方式中，温度的控制能力是根据改变每个烧嘴点火的使用度和每个烧嘴点火时间的长短来完成对产品的热处理。

脉冲点火方法是把以往的持续点火方法变化为时通时断，所以信号仅剩两项：

一种在预先设定的完美燃烧情况下工作；二种在烧嘴仅仅维持本身不灭的小火。

脉冲燃烧控制结构简单，以脉动开关量、周期占空比、时间PID的方式在实现温控。

烧嘴采用大、小火两位控制，大火以最热负荷或自由选定量使燃烧状态最佳，小火为常明火，烧嘴火焰维持不灭。

炉内各区温度由烧嘴交替进行大、小活周期和燃烧比变化的频率来控制。

与运用传统方式作对比，使用脉冲控制，互相面对的烧嘴执行效果刚好不一致，其中一个烧嘴打开方式为大火，对立的的烧嘴打开方式应为小火，产品的加热效果十分稳定，温度控制精度也大幅度改善[6]。

2系统设计及其主要参数

2.1本设计的主要工作

本设计以辽宁福安铸业有限公司8m×5m×4m台车式升降炉门退火炉监控系统设计为背景，首先针对退火炉工艺控制要求做出详细说明，以及简要介绍辽宁福安铸业有限公司8m×5m×4m台车式升降炉门退火炉控制系统的实际工作情况和控温要求。

其中根据当场现场作业要求的切合需求，设计了基于Wincc7.0SP3版本的上位机监控界面，满足工业生产对控制系统监控的各部分要求，便于现场操作人员对炉内温度情况进行了解，实现模拟量可视化，控温情况可视化，工艺流程可视化的现代化控制要求。

因为退火炉工作现场充满粉尘，现场工作人员如果长时间在现场工作，对呼吸道有所影响，需要佩戴氧气面罩工作，并且生产车间光线较暗，查看数字仪表数据不方便，同时由于温控系统中有很多是模拟量，如压力、温度，流量等等，现场人员无法获得准确参数，启用WinCC画面后，上述问题可以完全解决，由于通过以太网实现远程操作，避免了就地工作的环境影响，同时减少了现场工作人员人数，为公司节省了财政支出，并且避免现场检测数据时候的安全事故，保护了工作人员的切身安全，模拟量数据通过温度变送器、压力变送器、热电偶可以使数据数字化显示，便于查看炉内情况，可以及时调节烧嘴的工作状态。

搭载WinCC画面后，控制更智能，控温更准确，数据反馈更及时，大幅度减少现场工作量，产品质量有明显提高，安全生产问题明显降低。

2.2退火炉主要参数

2.2.1技术性能参数

表2.1性能参数

参数名称

参数指标

工作时间

四班三倒，按每年306个工作日计算，年约工作时间7700小时，有效作业率达到百分之八十五

最高温度

1070～1100℃

有效加热区炉温均匀性

±8℃

控制温度准确性

0.03级（控制装置）

最大装炉量

100t

炉膛尺寸

8m×5m×4m

燃料及热值

焦炉煤气热值Qd=4000Kcal/kg

炉前调压稳压值

6-10kpa

炉前空气压力

~4kpa

预热空气温度

300℃

焦炉煤气最大消耗量

900Nm³/h

空气最大消耗量

5000Nm³/h

最大烟气排放量

6000Nm³/h

升温速度

120℃/h（可调），满载时，80℃/h

降温速度

10~80℃/h（可调节）

高速烧嘴数量

8套

高速烧嘴型号

SIC200HB型（1000kw）

燃烧方法

大/小火点火

高烧嘴位置

两边墙下方（距炉台205m）

温度控制热电偶

炉膛两测镍铬-镍硅8支

控温区

8区（一控一）

控温方式

上位操作站监视控制、下位西门子S7-300PLC直接控制

空炉升温时间

≤2.5h

温度记录

工件测温12点

炉膛温度

12点记录仪

电力安装功率

各100Kw

炉内压力检测

1点，设于炉后方

控制系统

西门子S7-300PLC加HMI（操作站）的智能控制系统

网络通讯

工业以太网

环保安全要求

远超国家环保安全要求

能耗指标

远超国家特等炉要求

2.22技术操作参数

表2.2操作参数

参数名称

参数指标

烧嘴能力

大火～180Nm3/h、小火～20Nm3/h

煤气压力定值

6～10KPa

煤气压力低压警报值

24KPa

煤气压力低压联锁值

2.4KPa

空气压力定值

～5.0KPa

空气压力低压警报值

2.4KPa

炉压控制值

10Pa

炉压异常警报值

≥±100Pa

预热空气超温警报值

＞350℃

压缩压力低压警报值

0.25MPa

压缩压力低压联锁值

0.21MPa

3系统结构分析及其调试

3.1系统主要模块接线图

图3.1系统硬件配置图

图3.2电气原理接线图

3.2系统调试方法

3.2.1冷调试

冷调试目的：

确定炉子在冷态时机械动作是否可靠、准确；电器控制是否正确、灵敏；测量风、煤气等模拟量并设值。

（1）电器部分调试：

1．所有仪表调整到零位，并在调节范围内试运行，同时测量其输入、输出的电压、电流值，检查是否与设计值、产品说明书相符合。

2．检查热电偶经过校验与否，连接正确与否。

3．烟阀、执行器和烟阀板零位调整，偏转角和仪表显示开度要一致，炉压变送器标准值校定。

4．空气压力、煤气压力标准值校定，计算机显示值校定，与各调节阀联动调试。

5．各电器线路调试，检查电气