热浸镀锌线锌锅加热炉控制系统的设计.docx

1、热浸镀锌线锌锅加热炉控制系统的设计 热浸镀锌线锌锅加热炉控制系统的设计学 院自动化学院专 业自动化班 级14070202学 号XX姓 名XX指导教师XX负责教师 沈阳XX航天大学2015年6月 摘要近些年来，随重工业的发展和我国基础设施的建设，钢铁的使用量在逐年上升，根据统计，我国每年有50%的在用钢铁腐蚀报废，虽然约有70%的报废钢铁金属可以回收再利用，但是每年也有约10%的钢铁损失。所以钢铁材料防腐蚀是近些年重要的研究课题，目前国际上采用金属防腐的方法主要有两种：一，金属合金防腐，即将钢铁材料中加入一些其他金属元素，变成不锈钢；二，金属表面镀锌，因为锌比钢铁金属特性活跃，能够保护钢铁表面不

2、受腐蚀。由于钢铁合金成本比较昂贵，所以很少采用这种方法。但是镀锌无毒，廉价并且防护性能也很优良，所以在金属防腐和表面防锈处理上经常采用热浸镀锌的方法，在该工业过程中最关键的工业设备就是锌锅加热炉，其在加热效率，能源消耗，锌锅使用寿命、系统运行与维护、废气排放等均受到人们的关注和重视。针对这一问题，本文详细设计了镀锌的关键设备锌锅加热炉，该加热炉采用西门子S7-300PLC作为控制系统，应用PID控制技术并配合外围硬件设备，HMI等组成锌锅温度控制系统，在严格控制锌液温度的同时还能保证炉膛的温度和压力不超过设定值范围，能够有效的保护炉体本身，延长加热炉的使用寿命。关键字：S7-300PLC；热浸

3、镀锌；加热炉；PID应用The design of zinc pot control system of heating furnace in hot dip galvanizing lineAbstractwith the development of heavy industry and the construction of the infrastructure in our country. the amount of steel used in increased year by year.according to statistics, 50% of Chinas annual s

4、crap steel corrosion.although about 70% of the iron and steel scrap metal can be recycled, every year there are about 10% of the iron loss. So the steel corrosion is an important research topic in recent years.the current international method using metal corrosion mainly has two kinds: one, the meta

5、l alloy corrosion, stainless steel into adding some other metal elements, the iron and steel materials; two, galvanized metal surface, because zinc is more active than the steel metal properties, can protect the steel surface by corrosion. Because the steel alloy cost is relatively expensive, so rar

6、ely used this method. But the galvanized non-toxic, cheap and protective performance is also very good, so the application of hot dip galvanizing as antirust metal materials, anti-corrosion treatment process widely, zinc pot heating furnace is a key equipment in the industrial process, the energy co

7、nsumption, heating efficiency, zinc pot life, system operation and maintenance, emissions were affected by the people concern and attention. To solve this problem, this paper uses Siemens S7-300PLC as the application of PID control technology and control system with the hardware device, HMI etc. the

8、 zinc pot temperature control system, but also in the strict control of the temperature of zinc liquid while ensuring the furnace temperature and pressure does not exceed the set value, can effectively protect the furnace body, prolong furnace service life.Keywords:S7-300PLC;hot dip galvanizing;heat

9、ing furnace;application of PID第一章 绪论1.1热浸镀锌及锌锅加热炉控制系统发展概况1.1.1热浸镀锌发展概况 镀锌钢铁主要应用于家电，轻工等行业，长期以来我国的镀锌钢铁每年进口率达50%，最近几年来，镀锌发展技术主要集中在汽车行业，镀锌表面质量对于该行业是很重要的，镀锌表面质量与光滑度和清洁度等有关，与此同时镀锌的工艺，锌液的纯度也是影响表面质量的因素，但锌液中的锌渣是影响镀锌表面最重要的因素。现在已经用陶瓷的内衬替换以前钢铁的内衬，已经有效的减少锌渣对钢铁表面的影响。传统镀锌表面都会出现锌花，据研究锌花的大小与含铅量有关系，锌花尺寸越小说明锌液的含铅量就越小，

10、钢铁表面的耐腐蚀性和开裂率也越小，所以现在无铅镀锌技术也成为发展的必然趋势。根据锌花的分类可以分为以下两类，普通锌花和无锌花。（一）普通锌花热镀锌钢铁 现代镀锌工艺，将待镀锌钢铁先进行酸洗，然后将其放入浓度不低于99%的锌液中，热镀锌钢铁在镀锌中占很大的比重，其指在含铅的锌液情况下镀锌后，等待自然冷却凝固，就会再钢铁表面出现生长起来的锌花，表面光亮美丽，锌在表面的附着比较稳定，并且锌花直径最终冷却后不大于10cm。镀锌钢铁可以适应及其复杂的机械加工并且保证锌层不会脱落，表面反光性比较好，并且光泽在一段时间内不会消失。普通锌花的热镀锌钢铁可以广泛应用在各个方面，例如可以做成水桶、隔热带、建筑的天

11、花板、汽车行业等。（三）无锌花热镀锌钢铁 无锌花热镀锌钢铁是最近这些年发才发展起来的镀锌新方式，指的是在锌液中含有少量的铅，因为铅是让锌花长大的主要原因，去掉了铅后，在热镀锌之后就存在很少的铅来使锌花成长，锌花也就长不大，所以就形成了无锌花的热镀锌钢铁。使用该方法镀锌后的钢铁适用于表面进行涂漆涂塑工艺，也可以裸露使用。涂漆涂塑之后表面附着稳定，并且耐腐蚀性增强，比普通锌花的镀锌钢铁耐腐蚀性提升约20%，在各个行业应用比较广泛。可以作为彩图钢板，或者建筑行业天花板，在家电行业也可以作为吸尘器材料。1.1.2镀锌原理钢铁在相对密封的情况下进入锌锅，随着锌液将将钢铁表面侵蚀下微量钢铁之后，锌液中含有

12、一部分铝和钢铁表面的铁发生化学反应生成一层Fe2Al5中介层锌；然后铁和锌发生化学反应，锌-铁合金层（主要组份为FeZn7）逐渐开始形成。在Fe2Al5的阻滞作用下，扩散相对缓慢。在钢铁离开锌锅时，它的表面上带有部分液态锌。锌液中锑Sb使锌花逐渐出现，最终会出现较大的锌花。 镀锌要求锌液温度值约为：455。 铁在锌液中是有害的一种元素。当铁的含量大于0.03%时，铁就会和锌发生化学反应生成渣状物。1.2加热炉控制系统的发展概况加热炉温度控制系统，在工业中获得了及其广泛的应用，在工业、农业、国防科技、生产生活中各个行业都涉及到加热炉温度控制系统。加热炉温度控制系统在人类历史上已经发展了200余年

13、，在最初的发展过程中主要的作用是人类本身的取暖和生活使用。期间，从低级到高级，随着生产力的逐年发展和对温度控制要求的精度越来越高，加热炉在近些年发展速度取得了很大的进展，当前比较流行的有以下几种方式，串级并联双交叉限幅控制技术、模糊控制技术和PID控制技术。1.2.1串级并联双交叉限幅控制技术双交叉限幅先进行了燃料先行或空气先行的比值调节方式、串级串联燃烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单交叉限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它的主环是炉温调节，副环为燃料和空气流量的调节，构成串级并联双交叉限幅控制系统。双交叉限幅控制系统在需求变化时，系统各参数也随之发生变化，根据实时检测空气流量对燃料流

14、量进行一定的调节，而且还根据实时检测燃料流量对空气流量进行一定的调节。在需求增加或减小时，燃气和空气的流量也能够进行及时的调节，所以该方式适合动态的调节。1.2.2模糊控制技术随着模糊控制技术的进步完善，越来越多的模糊控制技术应用到加热炉燃烧控制系统中。实际经常使用的是二维模糊控制器，通常输入选用误差和误差变化率，一个输出量。还有采用三维及三维以上的多维模糊控制器，多维模糊控制器增加了误差变化率和误差变化的变化率，从原则上，控制会更加准确。但是，由于控制的维数的增加，控制规则也越来越难选取，也增加了控制算法的难度。1.2.3PID控制技术PID控制器在工业控制中是经常用到的空气回路原件，由比例

15、单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制器已经在工业控制领域已经应用近百年历史，但是现在仍然广泛应用于工业控制系统的各个方面。PID控制的主要优点是不需要建立精确的数学模型，只需要调整各个参数便可以适应各种工业控制，所以仍然是最广泛的工业控制器。截止到现在，PID控制器和对应的控制仪表已经在各个方面都有自己的产品，并且广泛应用于各种实际项目，还有很多大公司开发了自己的智能的PID调节控制器，能够实现参数的自适应，省去了人为设定参数的不确定性，并且节省了很多时间，大大提高了工业自动化设计的效率，有利于实现的压力、温度、流量、液位控制，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC）可以利用闭环

16、控制可以实现PID控制。PLC可以采用各种网络进行远程通讯，如PROFIBUS、以太网等实线多个远程PID闭环控制。1.3可编程控制器的发展历程随着电子技术和计算机技术的迅速发展，计算机控制技术已经广泛的应用于各种工业控制领域，随着社会的发展，要求自动化生产线和控制系统拥有很强的灵活性，可以简单方便的进行改造。为了满足这些要求，控制器就必须要有足够的灵活性和稳定性，PLC就是为了顺应这些要求而发展出来的，它的核心就是微处理器，经过后期开发使其拥有很高的稳定性和适应性。PLC应用范围很广，功能也很强大，使用起来也很方便，已经成为工业自动化控制领域的核心。国际电工委员会（IEC）对PLC做了如下定

17、义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统成为整体，易于扩充其功能的原则设计。”1.4本文研究的主要内容本文是为唐山京华制管有限公司镀锌生产线设计的燃烧控制系统。本系统采用一套S7-300PLC控制器，系统采用压力变送器传送现场的压力模拟量信号，采用热电偶传送温度模拟量信号信号，另外一些其它的数字量信号经电缆连接传入到PLC，然后根据采集来的数据进行程序

18、运行来调节空气鼓风机和烟气引风机的设定频率值，从而改变了异步电机的旋转速度，进而可以控制锌锅加热炉炉膛内部的压力；通过控制空气流量的电动阀来改变空气流量的大小，再通过比例阀事先设好的比例来调整与之对应的煤气或天然气的流量,进而可以调节烧嘴的大小火。本文采用对角脉冲控制方式：(1)烧嘴布置在锌锅对角线上烧嘴功率和数量根据热平衡计算和锌锅高度确定。(2)高速烧嘴燃烧的热气流环绕于锌锅外150m/s高温的高速气体围绕锌锅循环流动，确保锌锅均匀受热。(3)通过改变烧嘴的大小火的频率来改变炉子的供热符合，任何一支烧嘴何时大火由PLC自动分配确保炉膛温度的均匀性。第二章 燃烧系统单线图及常见设备简介2.1

19、 燃烧系统单线图概述该热处理炉包括：炉体、锌锅、烧嘴、现场控制阀门、助燃风机、烟气引风机等。热处理炉燃料为天燃气。燃烧系统为西门子 S7-300 的控制系统， 主要控制烟气引风机、助燃风机、烧嘴前的空气阀和燃气阀、烧嘴控制器等。烧嘴前主要由燃气管路、空气管路和烧嘴等组成。2.1.1 烟道管路烟道管路由烟气引风机、烟道和烟囱组成烟道管路保证使炉子里燃烧烧产生的烟气和未燃烧干净的燃气顺利排出，保证炉子正常安全的工作，设备有如下：0炉体；1烟道；2烟气引风机；3烟囱；锌锅炉开始点火前，必须先启动烟气引风机，等烟气引风机把烟道打通后，才允许准备烧嘴点火。烟气引风机的启动和停止可在控制柜上进行。按“烟气

20、引风机启动”按钮，则引风机运行，同时引风机运行灯点亮；按“烟气引风机停止”按钮，则引风机停止，同时引风机运行灯熄灭。2.1.2 空气主管路锌锅燃烧分2个区，每区 1 台助燃风机，供 2 个烧嘴燃烧提供空气。因而有2路空气主管路。空气主管路为燃烧烧嘴提供空气，设备有如下：0助燃风机；1机械式压力表；2压力表的球阀；3低压压力开关（设定值为 10mbar=1KPa）；4压力变送器（模拟量信号在上位机上显示空气总管压力:0-20KPa）；空气主管路安装图如图2.1所示。2.1.3 助燃风机在炉子启动前，必须先启动助燃风机，运行 30 分钟后，把风管、烧嘴和烟道里的水汽吹干，同时把烟道打通，方便烧嘴点

21、火，方便空气和天燃气混合燃烧产生的烟气从烟囱排出，再通入燃气，进行点火燃烧。助燃风机的功率 P=4kw，风机的功能是给燃烧提供压力稳定的空气，保证和燃气的混合燃烧。助燃风机采用变频控制，在空气总管上安装有一个压力变送器，测量实际的助燃风管压力。风机的启动和停止可在控制柜上进行。按“助燃风机启动”按钮，则风机运行，同时风机运行灯点亮；按“助燃风机停止”按钮，则风机停止，同时风机运行灯熄灭。2.1.4燃气总管燃气总管给燃烧系统提供稳定的燃气。然后经过燃气调压阀稳定压力在 7-11KPa。设备列表如下：1.手动球阀（炉子不使用时关闭）；2.减压阀（为烧嘴提供稳定的压力，一般稳定减压阀后的压力为：7-

22、9Kpa,一般设为 8KPa；3.电动调压阀（此项目没有此阀）；4.机械压力表（显示调压后燃气压力:0-20KPa）；5.燃气低压开关（设定值为去 15mbar=1.5KPa）；6.燃气高压开关（设定值为 140mbar=14KPa）；7.燃气气动快切阀（得电打开，失电关闭。与空气总管的低压开关、烟气引风机运行信号联锁）满足条件才打开。打开条件：烟气引风机运行+鼓风机运行+空气总压力不低 + 燃气总管压力不低 +燃气总管压力不高；8.压力变送器（模拟量信号在上位机上显示燃气总管压力:0-20KPa）；燃气总管安装图如图2.2所示。图2.2 燃气总管安装图2.1.5燃气总管快切阀燃气总管快切阀操

23、作：燃气总管快切阀为自动自动打开或关闭（得电打开，失电关闭。与空气总管的低压开关、烟气引风机运行信号联锁）满足条件才打开。自动打开条件： 1#烟气引风机运行+1#鼓风机运行+1#空气总压力不低）或（2#烟气引风机运行+2#鼓风机运行+2#空气总压力不低 + 燃气总管压力不低 +燃气总管压力不高。开阀连锁条件：燃气快切阀打开前，必须先启动烟气引风机，同时助燃风机，空气总管的低压压力开关闭合。关阀连锁条件：1.当烟气引风机停止、助燃风机停止，或空气总管上的低压压力检测空气压力低，快切阀自动关闭。2.燃气总管上的低压压力检测燃气压力低或高压压力开关检测到压力高，快切阀自动关闭。2.1.6烧嘴控制每个

24、烧嘴前配置管件如图2.3所示。设备列表如下：1.燃气手动切断球阀（当炉子长时间不用，可手动关闭，使用时再打开）；2.燃气切断电磁阀（当烧嘴点火时，该气动大火燃气切断电磁阀打开，监测到火焰后，一直打开，若几秒后还未监测到火焰信号，就把阀关闭）；3.比例阀（根据取自空气管的取压管，用于配合空气压力自动调节开度，来调整燃气的开口流量实现烧嘴的燃气压力的调节）；4.燃气手动球阀（手动调整角度让燃气合适，使大火的燃气和大火空气想匹配，使烧嘴能高效燃烧）；5.燃气波纹软管；6.电动空气调节阀（可控制 0 和 90 度范围内角度转动。当烧嘴火焰点着后，若接收到大火命令，该电动空气调节阀开到大火位（开到 90

25、 度位置） ，进行大火燃烧，否则，回到小火位（可能在 0 度位置，也可能在 15 度或 20 度位置等其他小火位位置，根据小火燃烧状态和是否容易点火来调整小火位置） ，进行小火燃烧或进行点火操作） ；7.空气手动阀板（手动调整阀板让空气合适，使烧嘴正常燃烧）开度一般在 6/格左右；8.空气管连接波纹管；9.烧嘴（空气和燃气混合燃烧，包括点火电极）。2.1.7总机械设计安装图纸根据上面各个部分的及功能的详细介绍，设计机械安装图纸如图2.4，图2.5所示。从图5机械安装总体布局可以该锌锅温控加热炉分为两个区，每区有三个烧嘴控制支路，每区配备一个鼓风机，两区公用一个烟气引风机，在整个炉膛中有4只热电

26、偶，一区二区分别两只，在锌液中也配备两只热电偶，一区二区各一只。空气主管单线图及空气燃气支管单线图如图2.5管路单线图详解所示。2.2常见设备简介2.2.1烧嘴烧嘴通入空气和燃气，在烧嘴燃烧腔内混合燃烧。有空气入口和燃气入口及点火电极等。烧嘴尾部视图如图2.6所示。符号代表意义：图标“I” ：在该处安装检测电极或安装 UVS 火焰监测器；图标“Z” ：在该处安装点火电极。烧嘴头部视图如图2.7所示。点火电极和小圆柱体的距离为 2mm 最好，打火效果最好。 （距离远就产生不了电火花）。烧嘴界面图如图2.8所示。2.2.2点火控制器SFD258介绍点火控制器用于控制烧嘴点火，连接点火变压器、火焰监

27、测器及燃气电磁阀。点火控制器的外形如图2.9所示。符号代表意义：电源复位按钮：左边为故障复位，右边为接通电源；电源灯：有工作电源时，灯亮；故障灯：有故障时，灯亮；火焰灯：火焰正常时，灯亮。SFD258端子接线图如图2.10所示。端子说明：1 和 2：电源供电 AC220V(L,N)3：点火命令（要一直给闭合给电，若断开，则控制锁定，数码显示“00” ）；4：故障复位命令，当出现故障，若端子4 给上电就复位；5，6，7：接 UV 火焰监测器;8 和 9：故障输出继电器的无源触点(max,2A）；10：给点火变压器供电 L；11：给烧嘴前的燃气电磁供电 L；13 和 14：火焰点着输出继电器的无源

28、触点（max,2A）。2.2.3点火变压器点火变压器能产生高压电打火。用于燃气烧嘴或燃油烧嘴的点火。安装时，接线端朝下。点火变压器到烧嘴电极的距离尽量短些,不要降用于点火和检测的高压导线与其它电缆捆绑在一起，不能使用电缆金属管。点火变压器外形图如图2.11所示。自带的引出线：引出线为三芯或四芯线。高压线连接头：内部有带螺纹的锥型钉,高压导线是旋拧上去的。点火变压器的接线图如图2.12所示。德国 Krom: TZI 变压器引出线为四芯线。黑色线：接点火控制器（SFD258）的 10 端子；蓝色线：接零线（N 排）；棕色线：为地线，接地排；双色线：为地线，接地排。2.2.4空气/燃气比例调节阀GI

29、K（一）控制类型及功能GIK:用于连续控制。GIK.B:用于脉冲控制。1.空/燃比例阀是通过连接到空气管路上的导压管接收空气压力调节信号，从而实现空/燃比例阀的出口燃气压力 Pa 和空气控制压力 Pl 的比为 1：1，即基本 Pa=Pl。通过调节空气阀门改变空气控制压力从而相应的改变燃气压力最终来调节烧嘴的功率。2.在小流量范围内，通过调节空燃比率阀的弹簧可以设定空/燃比例（小流量时，调节范围：-3+3mBar）。在脉冲控制的工况下，弹簧在出厂时已经设定到全松状态（逆时针已转到头，转不动了），以保证小火流量完全是由旁通提供，大火设定通过调节烧嘴前的限流装置来实现。3.空气控制压力 Pl 的范围

30、：0.5-120mbar; 燃气阀出口压力 Pa 的范围： 0.2-119mbar。调节范围 10:1，空气控制压力反馈管：Rp1/4。（二）压力关系入口压力：PePL+P（PL:空气控制压力 0.5-120mbar，P：比例阀压损）空/燃比：PL：Pa=1：1 维持恒定比例，通过空气管的控制压力来适配燃气管压力（Pa：空/燃比例阀出口压力）。实际关系：Pa=PL3mba。安装位置空气压力反馈管：在烧嘴前的手动阀前取压。压力测量及调整图如图2.13所示(1)图标“Pl”：测量显示的空气管压力；(2)图标“Pa”：测量显示的燃气管压力；(3)压力关系：Pa=Pl3mba（基本保证比例 Pa:Pl

31、=1:1）；(4)顺时针转动，可使燃气压力稍增加，最大增加 3mbar；(5)逆时针转动，可使燃气压力稍减少，最大减少 3mbar。比例阀的安装图如图2.14所示，安装要求：距离 L5DN。 比例阀的结构原理图如图2.15所示。2.2.5空气电动调节阀SGT30R空气电动调节阀，可在 0度和90度范围转动。当烧嘴需要小火时，空气电动调节阀就转到小火位值（在0度附件，不一定是0度，可能是10度，或1度或20度等小角度位置，根据烧嘴小火容易点火调整为最终易点火的小火空气阀位）。当烧嘴需要大火时，空气电动调节阀就转到大火位值，基本在 90 度角度位置。SGT30R的实物图如图2.16所示。图2.16

32、 SGT30R实物图图标“1”：调节小火位的凸轮开关（靠最右边的凸轮）；图标“2”：调节大火位的凸轮开关；（一般烧嘴小火点火时，为配合燃气，保证小火好点着，可按图稍作调整小火调节凸轮，调节小火时空气的流量。）大火凸轮不要调整。打开盖板，面向接线端子排，从旁边拿出内六角工具，用内六角工具放入凸轮钮凹槽内转动就开始调整，调整时慢慢转动，顺时针方向转动调大，逆时针方向转动调小。一般小火位置为不要超过 35 度。（转动时，有力度，表示内六角工具插入凸轮钮凹槽内）第三章 电气图纸设计及接线原理图该部分将系统阐述电气设计的各部分，并进一步分析设计原理，其中包括配电柜的设计、PLC控制柜的设计、电火箱的设计等。电气设计