过程控制系统课程设计步进式加热炉系统控制.docx

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过程控制系统课程设计步进式加热炉系统控制

课程设计名称：

步进式加热炉系统控制

一、实验任务

二、实验要求

三、步进式加热炉简介

四、过程控制中仪表的选择

五、步进式加热炉控制方案

1、煤气/空气流量控制方案

2、炉温控制方案

3、炉压控制方案

六、加热炉控制系统的硬件设计

七、加热炉控制系统的PLC软件设计

八、实验感受

附录1（PLC梯形图）

附录2（力控监控组态软件）

我的任务：

综合步进式加热炉的炉温、炉压控制系统的控制方案，以及PLC的编程和力控监控组态界面的设计。

正文

一、实验任务

以钢铁企业常见的“步进梁式加热炉”为对象，采用PLC为控制系统硬件，围绕工艺要求，完成控制系统方案设计。

二、实验要求

（1）通过查阅文献，了解步进式加热炉工艺流程。

（2）了解对步进式加热炉的炉温控制、煤气/空气流量控制、炉压控制等功能，完成控制方案设计。

（3）了解常见的PLC系统的功能、系统软件及应用，完成加热炉自动控制系统架构设计、硬件选择设计及组态画面设计。

三、步进式加热炉简介

1、步进式加热炉概述

加热炉作为轧钢生产线上的主要能耗设备，其出炉钢坯的温度是钢铁生产工艺的首要指标，温度控制的好坏直接影响到下层产品的质量，并逐步影响到钢材的质量，还有可能会影响到生产线的其他相关行业，严重情况下可能会破坏整个轧钢生产线的正常运行。

因此，加热炉作为轧钢生产线上的重要环节，担负着为轧制工序提供质量合格钢坯的任务。

加热炉的作用是将钢坯加热后送往轧机进行轧制，其中加热炉能耗占冶金能耗的25%，因此，提高加热炉的热效率，对整个冶金行业的节能降耗具有重要意义。

为了保证钢坯在加热炉中均匀受热，必须调节钢坯的入炉参数、工艺指标及生产状况，因此要求的方面有：

炉温、空气流量及压力、煤气流量及压力、空燃比、炉膛压力等。

通过控制上述量从而达到减少氧化损耗、降低能源损失。

步进式加热炉通过步进梁的“步进”运动，将钢坯从装料侧移至出料侧，通过钢坯在炉内的“步进”运动，从而完成从低温段到高温段，最后进入均热段的加热过程，从而达到轧钢所要求的轧制温度。

加热炉的加热过程具有非线性、强耦合、不确定等特性，是一个高度复杂的工业过程。

因此加热炉计算机过程控制技术成为钢铁工业研究的重要课题之一，在国内外都得到了广泛的重视。

在钢铁行业早期，我们使用的加热炉主要是推钢式的，但是由于推钢式炉生产上有许多问题，比如：

长度短、烧损大、产量低，如果操作不当，会造成粘钢现象，难以实现自动化控制。

推钢式加热炉有许多难以克服的问题，后来，人们通过研究发现步进式加热炉系统具有很多优点，比如：

生产周期短、加热均匀、产量高及操作灵活等。

本设计采用步进梁式加热炉作为研究对象，这种加热方式通过专用的步进设备，使得钢坯在炉内做举行运动。

当钢坯将要出炉时，为了有效消除滑轨擦痕，采用托出装置出炉。

钢坯既可以不留出钢坯间隙，也可以根据实际需要留出，因此，这样可以有效消除步进梁与钢坯之间产生的摩擦。

所以从整体层面来看，步进式钢坯加热炉具有加热起来比较均匀、生产操作非常方便灵活、产量高以及加热炉长度不受到任何限制等诸多优点，能够提高产品质量，适应时代发展，增强产品市场竞争力，完全满足高产、优质、高效、节能、环保及生产操作高度自动化的要求。

2、步进式加热炉工艺流程

步进式加热炉炉型为三段供热侧进测出的方式。

加热炉自装料端到出料端沿炉长上分为预热段、加热段及均热段。

为了调节各段炉温方便灵活，在加热段与均热段之间设有无水冷隔墙。

为了使两段炉温和炉压得到精确控制，并消除两段之间的辐射等因素的干扰，一般使用无水冷隔墙来隔开。

采用分布在炉子两侧墙上的烧嘴进行供热，各段均为上下加热。

为了减少煤气在炉内的扰动，一般采用每对烧嘴切换燃烧的方法，该方法同时增强了炉气对钢坯的传热。

钢坯在步进梁的“步进”运动，从装料口开始经过三个阶段：

预热段、加热段和均热段，经过这三个加热阶段的充分加热，最后在传送到炉子的出料口。

当轧机发送需求钢的信号后，步进梁就会将最终料位处的钢坯从固定梁上托放在出料悬臂辊上面，然后移送出炉，进入扎线进行轧制。

如图1-1所示。

全炉采用多台烧嘴，为了最大程度上保证生产的连续、稳定运行，每套烧嘴都配备了一套独立的换向系统。

通过集成协调控制多台烧嘴的开与闭，使得系统能够很好的满足生产的需要，适应不同品种、不同批量的生产。

在加热特殊钢种时，加热炉可以根据实际情况，决定是否打开靠近炉尾的一部分烧嘴，延长预热段的长度，这样操作可以节省部分燃料，对于低温入炉相当方便。

如果不需要低温入炉，但是要求较大产量时，就可以将烧嘴全部打开，增加加热段长度，这样对于提高产量也有很大帮助，这样一来，就可以最大程度的实现操作上的灵活性。

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式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。

在接到轧钢机要钢信号后，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，支撑在棍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进入下一步工序。

3、步进式加热炉的研究意义

作为一个典型的复杂的工业被控对象，加热炉具有很多特点，如纯滞后、非线性、时变、大惯性、强耦合和多变量等，并且系统本身很容易受外界因素干扰，同时炉温分布难以测量。

面对难以控制又复杂的控制对象，无论是采用经典的控制方法还是常规的数学建模手段，都难以满足实际生产的控制效果。

用最低成本和最少的消耗量生产处高质量的产品，同时实现企业利润的最大化，这是每个行业的生产目标，钢铁行业亦然如此。

由于我国生产技术水平落后，在钢坯加热过程中存在各种问题，比如：

能耗高、效率低、寿命短，为了减少不必要的能源浪费，因此，研究钢坯加热炉的控制系统具有十分重要的意义。

四、过程控制中仪表的选择

1、控制器的选择

控制器是常规仪表控制系统中的核心环节。

担负着整个控制系统的“指挥”工作，正确地选用控制器，可以大大改善和提高整个过程控制系统的控制品质。

该控制系统包含流量、温度和压力三种控制器，所以必须根据实际的工艺要求选择合适的控制器。

2、控制规律的选择

控制器主要有三种控制规律：

比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。

比例控制规律（P）的特点是：

控制器的输出信号与输入信号（偏差）成比例，即阀门的开度变化与偏差变化有对应关系。

它能较快地克服扰动的影响，过渡过程时间短。

但是，纯比例控制器在过渡过程结束后仍然存在余差，而且负荷变化越大，余差也越大。

只具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。

比例控制规律是最基本的控制规律，它既可以单独采用，又可以与其他控制规律结合在一起用，具有结构简单，整定方便的优点。

比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量允许在一定范围内有余差的场合。

例如，一般的精馏塔塔底液面、贮槽液面、冷凝器液面和次要的蒸汽压力控制系统，均可采用比例控制器。

比例积分控制规律（PI）的特点是：

控制器的输出不仅与偏差的大小成比例，而且与偏差存在一定的函数关系。

具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。

它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。

例如，流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器。

比例积分微分控制规律（PID）的特点是：

在增加了微分作用后，控制器的输出不仅与偏差的大小和存在的时间有关，而且还与偏差的变化速度成比例，这就可以对系统小的容量滞后起到超前补偿作用，并且对积分作用造成的系统不稳定性也有所改善。

把具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为PID控制器，又称三作用控制器，比例积分微分控制规律综合了多种控制规律的优点，是一种比较理想的控制规律。

适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。

目前用较多的是温度控制系统。

根据工艺的要求和控制规律的特点，从串级控制系统的结构看,主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。

温度是主变量，为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用，它的控制通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高，在这种情况下，为保证主变量的控制精度，故温度控制器应选用比例积分微分控制规律（PID）。

然而副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速、精确地跟随主控制器的输出而变化，副控器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢，当选流量作为副参数时，为保稳定，P较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度地变化，这对控制也是不利的。

只有当副对象容量滞后较大时，可适当加一点微分作用。

所以在串级控制系统中的流量控制器即副控制器需要采用比例积分控制规律（PI）。

在比值控制系统中流量的控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差，所以流量控制器应选用比例积分控制规律（PI）。

在炉膛压力单回路控制系统中压力调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量只要控制在微正压即可，允许它在一定范围内有余差，所以压力控制器应选用比例控制规律（P）。

3、控制器的正反作用的选择

工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。

当控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式；当控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式。

控制器设置正、反作用的目的是为了适应不同被控对象，实现闭环负反馈控制的需要。

因为在一个控制系统中，除了控制器外，其它各个环节（被控对象、测量变送据、执行器）都有各自的作用方向。

如果各环节组合不当，使系统总的作用方向构成了正反馈，则控制系统不仅起不到控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。

又因为被控对象、测量变送器和执行器的作用方向是不能随意选定的，所以，要想使控制系统具有闭环负反馈特征，只有通过正确地选择控制器的正、反作用来实现。

假设对控制系统中的各环节作如下规定：

1．控制器工作于正作用方式为“—”，工作于反作用方式为“十”；

2．执行器的阀门开度随控制器输出信号的增加而增大（气开式）为“十”；随控制器输出信号的增加而减小（气关式）为“一”；

3．被控变量随操纵变量的增加而增加为“十”，随操纵变量的增加而减小为“一”；

4．测量变送器放大倍数的符号肯定为“十”。

判别准则：

只要控制系统中各环节规定符号的乘积为正，则该系统是一负反馈系统。

即负反馈系统要满足判别式：

（控制器）*（执行器）*（被控对象）*（变送器）＝（十）。

串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。

副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。

考虑问题的出发点仍与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“正”。

因此，只要知道了控制阀、副对象和副变送器的放大倍数符号，就可以很容易地确定副控制器的正、反作用，副控制器正、反作用确定之后，就可以确定主控制器的正、反作用。

主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。

主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。

对于副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。

因为副回路是一随动系统，对它的要求是：

副变量要能快捷地跟踪给定值（即主控制器输出）的变化而变化。

因此，整个副回路可