蓄热式步进加热炉电气控制系统设计毕业设计论文.docx

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蓄热式步进加热炉电气控制系统设计毕业设计论文

蓄热式步进加热炉电气控制系统设计

毕业设计（论文）任务书

摘要

蓄热式步进加热炉具有规模大，炉内热值利用率高，板坯加热均匀等特点，是现阶段轧钢生产中比较先进的加热设备。

在轧钢生产过程中，保障加热炉的正常运行，是整个热轧线生产系统经济、高效运行的基础。

本文首先对蓄热式步进加热炉的相关设备如：

装出钢机、步进机械、装出炉辊道以及板坯跟踪等进行了深入分析和研究，给出了具体的控制策略和算法。

为了满足高产、优质、低耗、节能和无公害及生产操作自动化程度高的工艺要求，本系统设计在充分考虑到系统功能的完备性和技术先进性后，采用了仪电一体化的系统结构。

为了实现操作自动化与物料系统的全线跟踪管理，本文设计将自动化控制系统分为二级，即基础自动化控制系统级（简称L1级PLC控制级）与过程计算机控制系统级（L2计算机控制系统级）。

在基础自动化级，本文着重对装炉侧电气控制，炉底步进机械控制，出炉侧电气控制等进行了分析和设计；而后，对本文的主要动力来源液压系统以及板坯库、其他单体设备等进行了简要的分析和探讨。

最后针对热轧生产线电气控制系统中典型的液压传动速度控制系统。

关键词：

蓄热式步进加热炉仪电一体化的系统电气控制PLC

Abstract

Thewalkingbeamheatingfurnacehaslargescaleofproductivity,highutilizationofheatingcapacityandtheuniformityofheatingeffect.Itisonekindoftheadvancedheatingfurnaces.Theelectricalcontrolsystemisthekeytothehighperformanceofthewalkingbeamheatingfurnace.

Thepaperhasresearchedtherelatedkeyequipmentofwalkingbeamregenerativereheatingfurnace,suchas:

loadermachine,unloadedmachine,walkingsystem,seriestransferroll.Onthisbasis,thepaperhasgiventhespecificcontrolstrategiesandalgorithms.Therefore,inordertomeetthehigh-yield,high-quality,lowconsumption,energysavingandpollution-freeandhighautomationrequirements，wedesignthesystemofelectromechanicalintegration.

Intheotherside,inordertoachieveautomationandmaterialtrackingandmanagement,wedividedtheautomaticcontrolsystemintotwoparts.Theyarebasicautomationsystem（L1-levelPLCcontrol）andprocesscomputercontrolsystem（L2level）.Inthebasicautomationlevel,thepaperanalyzesanddesignstheelectriccontrolinchargingsidesanddischargeside,stepmechanicalcontrolinthebottomandsoon.Thenthepaperdiscusseshydraulicsystemswhichisthemainpowersources，slabyard,otherindividualequipments.Finallyconsideringhydraulicspeedcontrolsysteminelectricalcontrolsystemofhotrollingproductionline,thepaperhasgivenmodelandSimulation.

Keywords:

RegenerativeWarking-BeamReheatingFurnace;ElectromechanicalIntegration;ElectricControl;PLC

第1章绪论

1.1研究背景

能源的竞争是钢铁工业正在面临的挑战，降低能源消耗、建立环境友好的钢铁企业已经成为钢铁工业可持续发展的一个重要方面，也是钢铁工业利润增长的一个重要的基础工作。

中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议中也提出，“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗要比“十五”期末降低20%左右，重点抓好冶金、建材、化工、电力等行业的节能降耗工作。

轧钢加热炉的能源消耗约占冶金行业能源消耗的10%左右，其中轧钢加热炉又占了75%至80%。

中国冶金行业的轧钢加热炉在产量、炉型结构、机械化、自动化水平及理论操作上与国外还存在一定的差距，炉子吨钢燃耗高、效率低，造成了能源的极大浪费因此提高加热炉效率、搞好加热炉节能工作，是降低轧钢生产成本，实现钢铁企业可持续发展的有效方法之一。

因此，要想提高燃料利用率，降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量，从而充分创造整个轧线生产过程的经济效益，就要合理地选用加热炉。

炉型结构的选择：

炉型结构是加热炉节能与否的先天性条件，因此在加热炉新建时应该尽量考虑到加热炉节能的需要。

炉型结构的新建或改造，要使燃料燃烧尽可能多的在炉膛内发生，减少出炉膛的烟气热损失；要尽可能多的江烟气余热回收到炉膛中来，提高炉子的燃料利用系数；尽量的减少炉膛各项固定热损失，提高炉子热效率。

减少炉膛热损失：

炉膛热损失主要包括水冷、炉门辐射、逸气、炉衬散热等热量损失。

减少这部分热量可以大幅度降低单耗。

烟气余热的回收利用：

造成大量热损失的主要原因还有烟道系统热损失及换热器换热效率不高。

换热器的合理选择：

燃烧器作为加热装置，越来越得到人们的重视，燃烧器的技术进步也飞速发展，应用比较广泛，因此要选择加热质量和节能效果比较好的燃烧器。

1.2国内外研究现状

1.2.1步进式炉的现状

美国米兰德公司于1967年4月成功设计出了世界上第一座步进梁式加热炉。

同年5月由日本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的第二座步进梁式加热炉也成功面世。

从此加热炉进入了步进式炉的时代。

相对于其他炉型，步进梁式加热炉的优点显而易见。

其具体优点如下：

①钢料靠步进梁的运动在炉内通过，因此钢料之间可以留出间隙，不会产生粘结，钢料之间空出一定间隙，还能缩短加热时间，对氧化、脱碳要求严格的钢料，还因缩短在炉时间而能减少氧化和脱碳。

②钢料和步进梁之间没有摩擦，避免钢料表面在加热过程中产生划伤。

③炉子长度不受推钢长度的限制。

④外形不太规整和厚薄不同的钢料在装护时不受限制。

⑤炉内钢料在必要时可以利用步进机构全部出空或退空，修炉时可以缩短停炉时间，减轻出空炉子的劳动强度，待轧时可将钢料倒退一段距离，这样避免了出料端钢料的冷却和氧化、脱碳。

⑥通过改变钢料之间的间隙、步进梁的水平行程和步进周期的时间，使加热操作比较灵活。

例如当炉子产量降低时可将钢料间距加大，减少炉内装料量，但钢料在炉内加热的时间不变。

我国的钢铁生产起步较晚，在建国后虽有所发展，但受历史和技术原因，七十年代仍处于世界落后。

八十年代后，在国家经济建设的号召下，大量引入外国先进技术，国内钢铁生产有了长足进步。

至今为止北京钢铁设计研究总院已经设计投产了40余座步进炉，已遍及热连轧、型钢、棒线材、带钢、无缝管、开坯、锻压等钢厂以及钢带厂，1994年相继投产的太钢、梅山热连轧厂的步进梁式炉，额定产量分别为180t/h和280t/h，重庆钢铁设计研究院为攀钢1450热连轧厂设计的步进梁式炉，额定产量为150t/h，也在1992年投产。

从此国内进入步进式加热炉的时代。

1.2.2蓄热式炉的现状

①国外蓄热式加热炉的应用概况

用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术,早在19世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子,但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体、传热效率低、蓄热室体积庞大,其换向阀结构复杂、效率比较低,换向周期长,因此没有得到重视。

由于20世纪70年代的能源危机后,节能工作得到各个国家的重视,加之科学技术的不断进步出现了结构简单、控制方便、可靠性强的换向系统。

1982年英国HotWorkDevelopment公司和BritishGas研究院合作,成功开发出第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，节能效果显着。

近10年来蓄热式燃烧技术得到长足发展,很多国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术以及高风温燃烧技术。

②国内蓄热式加热炉的应用概况

我国蓄热式加热炉的开发研究虽然起步较晚，但在国内科研院和轧钢企业的共同推动下得到了蓬勃发展。

1.3加热炉控制系统的概况

目前加热炉生产控制系统广泛应用有以下主要技术：

1.3.1PLC及DCS控制技术

随着时代的进步和自动化控制技术的不断发展，PLC和DCS已经成为工业生产中应用最为广泛的控制系统，它将计算机网络技术应用到基础自动化级和过程控制管理级中同时还采用了FieldBus现场总线技术进行通讯。

在以前，对于大规模的系统通常采用PLC作为其电控系统部分，而采用DCS作为其回路控制即过程量控制。

近年来DCS增强了逻辑控制的功能，同样PLC也加强了回路控制的功能，且彼此能互相覆盖。

但对于加热炉来说通常采用DCS来控制仪表系统，因为仪表系统的控制比较复杂，而开关量的控制却相对简单。

电气控制系统则对PLC的开环模拟量循环控制周期、采样刷新周期、模拟量分辨等有严格的要求。

因此要保证步进梁的检测控制精度，减少坯料从入炉到出炉的跟踪误差，最好采用高速PLC优化软件设计，以保障系统的正常运行。

1.3.2全数字式传动技术的应用

全数字直流调速技术随着电子信息技术的发展而日趋完善。

由于其具有模拟系统无法比拟的优点，即高智能化的数字系统，使其具备了高性能的静、动态特性以及可靠性高，体积小，免维护，调试方便等特点。

让其成为近几年各工业生产环节中最为广泛应用的调速装置。

如今全数字化的交流逆变装置和全数字化的可控硅整流装置己经彻底替代了原来的模拟控制的直／交流供电装置。

1.3.3现场总线技术的应用

现场总线有人把它定义为数字化、开放式、多点通信技术；也有人把它称为应用在生产现场、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。

因此，现场总线既是自控系统，又是通信网络。

首先作为自动化系统，它在系统结构上发生了非常大的变化，是一种由网络集成的自动化系统。

所以它的最显著特点是通过网络信号的传送联络，由单个节点或者多个网络节点来共同完成所要实现的控制功能。

其次作为通信网络，它所传送的是开关阀门，接通、关断电源的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号能够在电磁干扰、噪声、粉尘等较为恶劣的环境下准确、及时地到位，同时还要具备报文简短、节点分散等特征。

1.3.4计算机网络技术的应用

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的。

总的来说计算机网络的组成基本上包括：

计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是看不见的电磁波）以及相应的应用软件四部分。

计算机网络的发展经历了面向终端的单级计算机网络、计算机网络对计算机网络和开放式标准化计算机网络三个阶段。

计算机网络的功能主要表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三个方面。

1.4本课题的主要研究工作

蓄热式步进加热炉具有规模大，炉内热值利用率高，板坯加热均匀等特点，是现阶段轧钢生产中比较先进的加热设备。

在轧钢生产过程中，保障加热炉的正常运行，是整个热轧线生产系统经济、高效运行的基础。

查阅现有文献对蓄热式步进加热炉的相关设备如：

装出钢机、步进机械、装出炉辊道以及板坯跟踪进行初步的研究和分析，提出了相关的控制策略和算法。

设计实现操作自动化与物料系统的全线跟踪管理，着重对装炉侧电气控制，炉底步进机械控制，出炉侧电气控制等进行了分析和设计。

第2章加热炉本体系统和汽化冷却系统

2.1加热炉本体系统电气控制

2.1.1助燃风机的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

联锁控制要求：

风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。

2.1.2煤气侧引风机的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

联锁控制要求：

风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。

2.1.3空气侧引风机的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

联锁控制要求：

风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。

2.1.4点火风机的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

2.1.5煤气主管电动蝶阀的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

2.1.6风冷管电动阀

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停止条件满足后，点击停止按钮。

2.1.7装钢机的控制

坯料装钢机主要由托料杆、托料杆平移机构、托料杆升降机构等组成。

在满足允许装坯料条件下，按照下列顺序进行控制：

前进推钢（推正）→推正后退→上升（托钢）→前进（送钢）→下降（放钢）→后退。

装钢机退回原始位置完成一次装钢过程。

当装钢机到达中后位时，发出关闭装钢炉门命令。

2.1.8出钢机的控制

出钢机主要由托料杆、托料杆平移机构、托料杆升降机构等组成。

运行动作：

前进：

首先半开出钢炉门，出钢机托料杆由原始位置开始向炉内快速移动，当接近坯料时减速并最后停在目标位置。

上升：

出钢机升降电机动作，托料杆上升将固定梁上的坯料托起，同时出钢炉门全开。

后退：

出钢机后退，将托料杆上托起的坯料运出炉外，并发出关闭出钢炉门命令。

下降：

出钢机托料杆下降，将坯料放到辊道上，返回原始位置，完成整个出钢动作。

2.1.9装料炉门升降装置的控制

当收到装钢炉门开启命令时炉门开始上升；当收到装钢炉门关闭命令时炉门开始下降。

2.1.10出料炉门升降装置的控制

当收到出钢炉门开启命令（在出钢机发出托钢指令的同时发出开启出钢炉门命令）时炉门开始上升；当收到出钢炉门关闭命令（出钢机完成一次出钢过程向原始位置退回过程中，到达中后位时发出出钢炉门关闭命令）时炉门开始下降。

2.1.11步进梁的控制

步进梁的运行方式有：

（1）正循环：

步进梁从原始位置（后下位）开始上升→前进→下降→后退→回到原始位置，完成一个正循环，使坯料前进一步，这是通常采用的运转方式。

（2）逆循环：

步进梁从原始位置（后下位）开始前进→上升→后退→下降→回到原始位置，完成一个逆循环，使坯料后退一步，这是故障时采用的手动运转方式。

步进梁的运动控制。

步进梁的基本动作分为升降运动及水平运动，运动速度由液压系统比例阀来控制，步进梁的运动极限位置以及运动速度改变点（位置）分别由升降缸内置线性位移传感器和平移缸内置线性位移传感器来确定。

2.2加热炉本体系统仪表控制

该加热炉分三段控制，即预热段、加热段、均热段。

2.2.1蓄热烧嘴燃烧控制

每个蓄热烧嘴通过4个快切阀控制换向（空气快切阀、煤气快切阀、空气侧排烟快切阀、煤气侧排烟快切阀），每个快切阀带一个气缸，每个气缸有开、关限位，为保证同步，空、煤气快切阀共用一个电磁阀，空、煤气侧排烟快切阀共用一个电磁阀，空、煤气侧排烟快切阀带有温控开关，排烟温度过高时自动切断。

分时间换向和手动换向两种模式。

换向过程：

（1）开始状态，所有快切阀状态为关，有关到位信号；压缸驱动，

（2）燃烧周期

燃烧状态：

确认排烟快切阀处于关闭状态。

打开空、煤气燃烧电磁阀，空、煤气快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为1s，正常有开到位信号，开关时间超过2s没有开到位信号，则报警。

燃烧关闭：

关闭空、煤气电磁阀，空、煤气快切阀同时关闭，快切阀开关时间一般为1s，正常有开到位信号，开关时间超过2s没有开到位信号，则报警。

此时排烟快切阀也为关闭状态。

（3）排烟周期

排烟状态：

确认燃烧快切阀处于关闭状态。

打开空、煤气排烟电磁阀，空、煤气排烟快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为1s，正常有开到位信号，开关时间超过2s没有开到位信号，则报警。

排烟关闭：

关闭空、煤气排烟电磁阀，空、煤气排烟快切阀同时关闭，快切阀开关时间一般为1s，正常有开到位信号，开关时间超过2s没有开到位信号，则报警。

此时燃烧快切阀也为关闭状态。

时间换向：

正常换向都是时间换向，一个换向周期分四段：

燃烧时间、燃烧停止时间、排烟时间、排烟停止时间。

每个时间可由系统和人工设定。

换向周期调试时确定。

强制换向：

由操作人员或系统，在没有完成换向周期时，强制结束。

2.2.2炉膛温度调节

通过各段的煤气流量调节阀进行调节。

2.2.3空燃比控制调节

通过各段的空煤气流量调节阀进行调节。

根据各段煤气流量，调整各段空气流量调节阀，使空气量与煤气量匹配。

2.2.4炉膛压力调节

通过每段烧嘴的排烟来调节炉膛压力。

2.3汽化冷却系统电气控制

2.3.1循环泵的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动联锁关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。

2.3.2给水泵的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动联锁关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。

2.3.3软水泵的控制

控制方式：

就地；集中手动。

启动控制条件：

启动联锁关系满足后，点击启动按钮。

停止控制条件：

停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。

2.4汽化冷却系统仪表控制

2.4.1汽包水位调节

汽包水位调节由汽包给水流量调节阀进行汽包水位三冲量自动调节，使得给水流量随着负荷的变动调整得当。

2.4.2汽包压力控制

检测汽包压力，将此作为汽包压力指示调节计的输入信号，以保持汽包压力固定在一定范围之内。

2.4.3除氧器水位调节

由除氧器给水流量调节阀进行除氧器水位自动调节，保持除氧器水位固定在一定的范围内。

2.4.4除氧器压力控制

检测除氧器压力，将此作为除氧器压力指示调节计的输入信号。

通过蒸汽量的控制保持除氧器压力固定。

2.4.5软水箱水位调节

由软水箱进水流量调节阀进行软水箱水位自动调节。

为保持软水箱水位保持在一定的范围内而进行给水量的控制。

2.5本章小结

本章详细介绍了加热炉的本体系统和汽化冷却系统的电气控制及其仪表控制。

加热炉本体系统从助燃风机的控制、煤气侧引风机的控制、空气侧引风机的控制、点火风机的控制、煤气主管电动蝶阀的控制、风冷管电动阀、装钢机的控制、出钢机的控制、装料炉门升降装置的控制、出料炉门升降装置的控制、步进梁的控制等介绍其电气控制；从蓄热烧嘴燃烧控制、炉膛温度调节、空燃比控制调节、炉膛压力调节等介绍其仪表控制。

汽化冷却系统从循环泵的控制、给水泵的控制、软水泵的控制等介绍其电气控制；从汽包水位调节、汽包压力控制、除氧器水位调节、除氧器压力控制、软水箱水位调节等介绍其仪表控制。

第3章电气自动化系统总体结构

本加热炉自动化控制系统分为二级。

L1级：

即电控和仪控系统，主要完成加热炉区的顺控、装出钢机的APC控制、步进梁控制、板坯的定位控制和坯料跟踪、汽化冷却系统、板坯称的设备控制、液压站的设备控制、加热炉燃烧控制、介质的测量和控制等。

L2级：

计算机控制系统，主要完成加热炉炉内的坯料跟踪、自动燃烧控制/数据设定、生产数据管理、实绩数据处理、以及画面和报表等功能，来满足工艺和设备的控制要求。

3.1加热炉基础自动化系统（L1）

3.1.1主机及PLC

基础自动化控制系统（L1级）采用美国GEPLC的

和VersaMax分布式I/O用于加热炉电气、仪表控制系统。

与VersaMax分布式I/O站之间，通过90-70系列智能I/O总线控制器（GBC）与VersaMaxGenius接口单元（NIU）的Genius总线通讯；VersaMax分布式I/O站之间，均采用VersaMaxGenius接口单元（NIU）的Genius总线通讯；仪表、电气的

控制器均通过以太网与GE的交换机连接，并通过交换机与HMI的服务器连接，从而构成仪表、电气一体化控制系统。

I/O量考虑15%备用量，每台PLC中每种I/O点至少备用1点，重要的输出点采用隔离方式。

CPU负荷率<60%，采用EPROM存储卡。

PLC装置设主站和远程I/O站，主站内配置CPU模块，通信模块和I/O接口模块，远程站内配置通信模块，远程I/O接口模块，主站和远程I/O站之间采用profibus现场总线通信，如通信距离大于150m则采用光缆。

为此整个L1（基础自动化控制系统）设11套PLC控制系统：

PLC01：

1号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。

PLC02：

1号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。

PLC03：

2号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。

PLC04：

2号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。

PLC05：

3号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。

PLC06：

3号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。

PLC07：

4号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。

PLC08：

4号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。

PLC09：

炉区辊道控制、核对辊道称重装置控制。

PLC010：

板坯库辊道控制。

PLC011：

炉区公辅设施，包括1～4号炉的助燃风机及阀门、给水除氧泵站、板坯称液压站。

加热炉电控PLC系统主要控制装钢机、出钢