加热炉的过程控制系统的设计.docx

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加热炉的过程控制系统的设计

学校代码：

10904

学士学位论文

加热炉的过程控制系统的设计

姓名：

江鹏

学号：

200806130160

指导教师：

付玲

院系（部所）：

机电工程学院

专业：

过程装备与控制工程

完成日期：

2012年04月20日

学士学位论文

加热炉的过程控制系统的设计

姓名：

江鹏

学号：

200806130160

指导教师：

付玲

院系（部所）：

机电工程学院

专业：

过程装备与控制工程

完成日期：

2012年04月20日

摘要

加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备，其过程控制水平直接影响到能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。

随着现代化技术的迅猛发展，如何采用先进的过程控制技术与设备，提高基础过程控制效果与水平，确保钢坯的加热质量、实现高效节能、减少污染是本文研究的意义所在。

本文对国内外加热炉控制技术的发展和现状进行了综述。

介绍了串级控制系统的构成，实现了加热炉炉温控制、流量控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等。

实践证明，本系统运行可靠稳定，操作方便，正确调整有关参数就能达到较好的控制效果，具有推广价值。

关键词：

加热炉;过程控制；节能

Abstract

Heatingfurnaceofsteelrollingproductionlineinironandsteelindustryasthekeyequipmentandenergyconsumptionofequipment,theprocesscontrolleveldirectlyaffectstheenergyconsumption,burningrate,scraprate,yield,qualityindex.Withthedevelopmentofmoderntechnology,howtheuseofadvancedprocesscontroltechnologyandequipment,improvethebasicprocesscontroleffectandlevel,toensurethatthebilletheatingquality,achievehighefficiencyandenergysaving,pollutionreductionisthesignificanceofthisstudy.

Theheatingfurnacecontroltechnologydevelopmentandthepresentsituationarereviewed.Introducedthecascadecontrolsystem,realizestheheatingfurnacetemperaturecontrol,flowcontrol,furnacepressurecontrol,gasductandairmanifoldpressurecontrol.

Provedbypractice,thissystemisstableandreliableoperation,convenientoperation,correctlyadjustrelevantparameterscanachievebettercontroleffect,havepromotionvalue.

Keywords:

heatingfurnace;processcontrol;energysaving.

第1章绪论

加热炉的耗能量在轧钢等生产中占据了很大的比例，大约占所有耗能总值的70%左右，是冶金行业中主要的耗能设备。

此外，目前我国加热炉的热效率普遍较低，据统计，步进式加热炉的热效率只有35%。

因此，如何实现加热炉的优化控制，提高加热炉的热效率，降低能耗是当前加热炉技术改造以及节能工作中具有深远意义的课题。

1.1加热炉的发展和现状

加热炉是轧钢行业中重要的生产设备之一。

加热炉的生产过程是：

钢坯由炉尾装入—加热并往前运送—达到所需温度—通过出钢口出炉—沿着辊道送向轧钢机。

加热炉不仅要完成加热钢坯的任务，还要保证有安全的运行环境，同时还要考虑高效率和节省燃料。

当前冶金业关注的课题是如何设计出一个合理有效的控制系统，该系统能在燃料质量、空气流量和控制系统负荷等因素变化时，仍能保证加热炉的炉膛压力、炉膛温度及排烟温度等参数稳定在控制范围中，并且能使加热炉处在最佳燃烧的工作状态下，以此来提高产品的质量同时节约能耗、减少加热钢坯的氧化程度、减少排出烟气对环境的污染等等。

我国轧钢工业中加热炉主要有推钢式炉和步进式炉两种类型，推钢式炉有烧损大、产量低、长度短等缺陷，如果操作不当有时还会粘钢，出现各种各样的生产问题。

同时板坯背面滑轨的摩擦痕迹较多，钢坯断面层的温差较大，这样的加热炉很难实现自动化管理。

相比于这些，步进梁式炉所用的是专用的步进式结构，能使板坯在炉内按矩形移动，这样板坯之间可以留出空隙，同时步进梁和板坯之间也不存在摩擦板，出炉的时候板坯通过专门的托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢坯断面层的温差较小、炉长不受限制、可出空炉料、产量高、生产操作灵活等特点，其生产符合高质量、多产量、低能耗、无公害、节能环保以及生产自动化的工艺要求。

自60年代起，人们就开始对加热炉进行改造，随之计算机应用的普及和高速发展，自动化技术也飞速发展着，人们把这两样技术用于加热炉控制技术改造上，使其在高质量、多产量、多品种、低能耗和环保方面有了极大的提高。

计算机控制系统在加热炉上面的使用，使节能率一般达到5%左右，减少氧化烧损0.2%左右。

我国70—80年代的大部分轧钢生产线都存在着质量差、产量低、耗能高、自动化生产水平低之类的问题。

1979年12月，我国召开了全国轧钢会议，本次会议对我国轧钢工业现在所存在的问题与其后的发展前进方向进行了全面深入的讨论，提出应用用步进式加替推钢式，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，用连铸逐步代替初轧，用连续式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机等改进措施[3]，并取得很大的成效。

1.2加热炉控制技术发展和应用现状

以前我国加热炉的大部分控制系统都是采用模拟控制系统,有关数据只在加热炉控制系统中单独贮存，人们只能通过加热炉自身的仪表进行观测、判断故障并解决故障。

随着网络技术普及到人们生活和各个行业中，整个工厂逐步开始实现两级自动化管理,人们通过相应的终端计算机就可以了解任何一个位置的设备或装置的生产情况以及控制情况。

这时加热炉基础自动化控制（一级控制）已经不能满足人们需求，实现加热炉的过程控制（二级控制）已经迫切的被提到日程上来。

因此,过程控制系统开始在加热炉系统中得到广泛的应用,它开始成为加热炉控制系统的重要组成部分,它是对一级控制系统的一个总领和扩充。

过程控制系统的使用将使加热炉的控制水平上升到一个崭新的台阶。

目前在我国加热炉生产控制系统广泛应用的主要有以下技术:

（1）计算机网络技术

随着现代计算机互联网技术的飞速发展，计算机网络既可以用通信线路将几台计算机连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处理，也可以将数百台计算机系统，用数千公里的通信线路连成全国或全球通信网，以实现资源共享。

（2）现场总线技术

现场总线技术指的是应用于生产现场的、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也被人称为多点化、数字化、开放化通信技术。

现场总线既是一个通信网络，又是一个自主控制系统。

它作为一个通信网络，传送的不是人们平常用于传送声音、文字和图像等，它所传送的是有关接通或切断电源、开启或关闭阀门的一些指令和数据，这些数据直接关系到处于生产操作过程中的装置和人身安全，这就要求信号在恶劣的环境比如噪声、电磁波、粉尘干扰很严重的环境下能做到及时、精确的传送，同时它还具有大量分散的节点、间断的报文等特点。

而它作为一个自主控制系统，它的结构跟一般的控制系统不同，它能通过信号的传送，可由单个节点完成或多个节点共同完成所需求的控制功能。

它是一种由网络集成的自主控制系统。

（3）全数字式传动技术

随着电子技术和计算机技术的发展，全数字直流调速技术已经逐步完善起来。

近几年来，各个工业生产环节已广泛开始应用全数字直流调速装置。

高智能化的数字系统使其具有常规模拟系统无法比拟的优点，全数字直流调速装置体积小、安全、易调试、易维护并且具有优良的静、动态特性。

原先模拟控制系统的直/交流供电装置也被全数字化的交流逆变装置和全数字化的可控硅整流装置所替代。

（4）PLC及DCS控制技术

PLC控制系统和DCS控制系统已成为目前加热炉控制系统的主流。

往往一些大规模的系统，其电控部分采用PLC控制系统，而回路部分采用DCS系统。

DCS系统综合了控制（Control）技术、CRT技术、通信（Communication）技术、计算机技术（Computer）即4C技术，集中了数据采集、逻辑顺序控制、批量控制、连续控制等功能。

想要提高加热炉的控制水平既应该着眼于改造工艺、充分利用先进的计算机资源，又应该从具体实际出发，采用先进的过程控制技术以及合理的控制策略，设计不仅能适应加热炉复杂状况而且能使加热炉更加稳定、安全、高效、节能的控制系统。

近年来，现代控制理论应用于更多的加热炉控制系统，出现了一些自主适应控制、专家系统控制、自主校正控制、智能控制和模糊控制等新型加热炉过程控制系统，也取得了许多成效。

表1.1和1.2分别介绍了国内、外加热炉控制系统应用的现状。

[7]

表1.1加热炉控制在国内应用的现状

厂名

所用机型

应用现状

首钢初轧厂

TK280

炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制

鞍钢第一初轧厂

WDPF

DDC、SPC、SCC级控制

太钢初轧厂

TI565机

煤气、空气流量以及炉压的PID控制、自寻优及专家控制算法、温度检测及越限报警

大连钢厂初轧分厂

M6809

油风自动配比、残氧闭环控制、炉温炉压控制

马钢初轧厂

TMC280

单板机过程控制与监视、残氧闭环控制、按加热曲线烧钢

表1.2加热炉控制在国外应用的现状

国家及厂名

所用机型

应用现状

美国Dofasco公司

1级:

PLC控制器

Honeywell

TDC23000

2级:

DECVAX

8350

空燃比控制、炉温控制、坯料跟踪、钢温预报、炉温设定值调节、待轧策略、加热炉步进速率控制、设备诊断、加热炉各区段热量平衡、系统报警、记录和报告、人机界面

新西兰Hoogovens公司

PDP11-40计算机

采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制、推钢速率控制、直接燃料控制

美国YamatakeHoneywell公司

TDC3000BASIC系统

步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统具有过程控制、作业顺序管理、钢坯跟踪及生产管理功能

美国Conshohocken厂

DECMICROVAXII

空燃比控制、炉压控制、空气压力控制、热风放散控制、坯料跟踪、设定值选择、生产调度模型、加热炉温度模型

1.3课题的意义和本文的主要工作

1.3.1课题的意义

加热炉是冶金行业生产环节中非常关键的热工设备之一，也是主要的耗能设备,加热炉的主要作用是将钢材加热到工艺所要求的温度水平和加热炉计算机控制系统的设计以及实现热质量，而钢坯加热的质量直接影响着钢材的质量、产量、能源消耗和轧机的寿命等。

随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，人们对钢坯加热质量的要求越来越高，从而对加热过程提出了更高的要求，因此，采用先进的计算机控制技术解决包括钢铁行业在内的工业优化控制问题，改造传统产业，提高我国工业的市场竞争能力已经成为共识。

另外随着国家经济的飞速发展和世界人口的不断增多，能源危机也日益加深，石油涨价引发的一系列经济社会问题也说明了节能降耗迫在眉睫。

1973年，第一次石油危机爆发，之后开发新能源和节约现有能源的研究便成为各国关注的主要课题。

冶金工业非常消耗能源，这里面钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的25%。

因此，开发先进的加热炉计过程控制系统，对提高加热炉热效率、降低能耗，乃至整个钢铁工业节能具有重要意义。

1.3.2本文的主要工作

本文初步设计了加热炉的过程控制系统，包括关于炉温控制的炉温—燃料量串级控制系统，关于流量控制的燃料量（煤气流量）—空气流量双闭环比值控制系统和燃料量（煤气流量）—空气流量双交叉限幅控制系统。

此外，本文还对炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制以及汽包液位控制方式进行了分析讨论。

第2章加热炉控制系统的设计

2.1串级控制系统

2.1.1串级控制简介

串级控制系统指的就是两台控制器串联在一起，以此来控制一个控制阀的一种控制系统。

串级控制系统工作原理如图2.1所示。

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图2.1串级控制系统原理图

与单回路控制系统相比，由于串级控制系统在系统的结构上比单回路控制系统多了一个副回路，因而串级控制系统具有以下特点:

（l）串级控制系统改善了被控对象的动态特征，使系统的响应速度加快，使控制更为迅捷、及时;

（2）串级控制系统具有较强的自适应能力。

（3）串级控制系统具有较强的抗干扰能力;

（4）串级控制系统提高了过程控制系统的工作频率，使其振荡周期大大缩短。

综上，串级控制系统相比于单回路控制系统来讲，控制质量较高，但是串级控制系统所用的仪器设备较多，投资成本较高，调节器参数设定也比较较复杂。

所以在工业生产应用之中，串级控制系统并不是所有的工作场合都适用，其通常适用于以下场合:

（1）用于克服被控对象的非线性化问题。

（2）用于抑制剧烈的变化和大幅度的扰动;

（3）用于克服被控对象纯滞后问题;

（4）用于克服被控对象较大的容量滞后问题;

2.1.2炉温一燃料量串级控制

由于加热炉炉温的控制过程具有惯性大、扰动多、非线性等特点，根据上述的串级控制系统所具有的特性，本文决定采用炉温一燃料量（煤气流量）串级控制这一方案来实现加热炉炉温的自动控制。

在这个串级控制系统中，剧烈变化的煤气流量之类的干扰因素全部被包含在副环回路之中，副环回路所具有的优良特性可以很好抑制这些干扰因素对因变量即炉温的影响。

同时，串级控制系统具有的优良特性可以很好地克服加热炉炉温的非线性问题和较大的容量滞后等

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问题。