过程控制工程课程设计课程设计名称：步进式加热炉系统控制 2013 年 12 月至2014 年 1 月专业：测控技术与仪器班级：仪 1041学生姓名：袁恺指导老师：聂建华任务：小组任务我负责的是炉温控制设计这方面的内容。

在生产工艺中，炉温的控制分为三段、预热段、加热段和均热段，每段的作用不同，上下限温度也不同。

工业上要求步进式加热炉预热段温度为750℃～1100℃；加热段的温度为1250℃～1300℃；均热段的温度为1150℃～1250℃。

在炉温的控制方案中选择双交叉限幅控制控制方案。

当系统中的炉膛温度降低时，被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。

然后由于空气增加，使其变送器输出增加，同时燃料增加。

这一过程保证在增加燃料且前，先加大空气量，使燃烧完全。

当系统中的炉膛温度升高时，温度控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。

燃料量降低，经变送器的测量信号被高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。

这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。

在现实中，还需要考虑到的是燃烧过程的烟气含氧量控制，这是为了实现最优控制的比较好的选择。

烟气的成分主要有氧气，一氧化碳，二氧化碳，和未燃烧烃（有时会有氮气，氮气主要是用来“清洗”锅炉，保证炉内在加热时杂志气体尽可能少）通过氧化锆等氧气测量仪器可分析氧气氧含量。

根据燃烧反应方程式，可计算出使燃料完全燃烧时所需的氧量，从而可得所需的空气量称为理论空气量Qt，但是实际完全燃烧所需的空气量为Qp，要是超过理论计算的量，就要有一定的过剩空气，理论上应控制在8%~15%的过剩空气量最为优秀。

目录一、步进式加热炉工艺流程及控制简介 (4)二、PLC系统硬件选型与系统连接 (8)三、煤气/空气流量控制、加热炉的炉温控制、炉压控制技术方案3.1煤气/空气流量控制系统设计 (14)3.2炉温的控制系统设计 (15)3.3炉膛压力的控制系统设计 (17)四、步进式加热炉控制系统的软件设计 (18)4.1 软件系统介绍4.2 步进式加热炉控制系统的监控显示画面4.3 系统流程图五、附录 (23)附录A附录B一、步进式加热炉工艺流程⒈步进式加热炉简介⑴步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

⑵步进式加热炉特点和推送式连续加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：1.可以加热各种形状相比的料坯，特别适合推送式炉不便加热的大板坯和异型坯。

2.生产能力大，炉底强度可以达到800-100kg/m2 h,与推送式炉相比，加热等量的料坯，炉子长度可以缩短10%-15%。

3.炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象。

4.炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变料坯之间的距离，就可以改变炉内料块的数目，适应产量变化的需要。

而且步进周期也是可调的，如果加大每一周期前进的步距，就意味着料坯在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热要求。

5.单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床。

两面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热良好与否而定。

6.由于坯料不在炉底滑道上滑动，料坯的下面不会有划痕。

推送式炉由于推力震动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式炉不需要这些维修费用。

7.轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，以免料坯长期停留炉内造成氧化和脱碳。

8.可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化。

步进式加热炉存在的缺点：和同样生产能力的推送式炉相比，造价高15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。

经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高160KJ。

⒉步进式加热炉的结构⑴步进式加热炉结构图图（1）(2)炉底结构：从炉子结构看，步进式加热炉分为上加热步进式炉、上下加热步进式炉、双步进梁步进式炉等。

上加热炉只有上部有加热装置，固定梁和移动梁是耐热金属制作的，固定炉底是耐或材料砌筑的。

这种炉子几乎没有水冷结构，所以热耗较低，只能单面加热，用于较薄钢坯的加热。

与推进式加热炉一样，为了满足加大钢坯的需要，步进式加热炉也发展了以下的加热方式，出现了上下加热的步进式加热炉。

结构图如图（2）.此炉底是架空的，可以实现双面加热，钢坯没有紧靠在一起，也可以看成是四面受热。

下加热一般只能用侧烧，上加热可以用轴向端烧嘴，也可以用侧烧嘴或炉顶端烧嘴供热。

考虑到轴向烧嘴火焰沿长度方向的温度分布和各段温度的控制，某些大型步进式炉有明显的炉顶压下，而下加热段设有端墙，以免各段温度之间相互干扰。

因此这样的步进式炉子长度温度调节有更大的灵活性。

如果炉子宽度较大，火焰长度又较短时，可以在炉顶上安装平焰烧嘴。

(3)传动机构：步进式加热炉的传动机构分为机械传动和液压传动，目前广泛应用的是液压传动方式。

此种传动方式运行稳定、结构简单、运行速度的控制比较准确，占地面积小、设备质量小、比机械传动有明显的优点。

由于步进式炉很长，上下两面温度差过大，线膨胀的不同会造成大量的弯曲和隆起。

为解决这个问题，目前一些炉子将大梁分成若干段，各段间留有一定的膨胀间隙，变形虽不能避免，但弯曲的程度大为减轻，不致影响炉子正常工作。

(4)密封结构：为了保证步进梁正常无阻碍的运动，在活动梁和移动梁之间要有一定的间隙，对步进梁来说则在梁支撑穿过炉底部分有保证它运动的足够大的开孔。

这些缝隙或开孔的存在虽然是必要的，但也容易吸入冷风，影响加热质量和降低燃料利用率，也可能造成炉气外逸，危害炉底下部设备，对轧钢用步进炉则必须考虑密封问题。

目前有滑板式密封和水封两种密封形式，前者密封较差，水封密封较好。

图(2) 步进式加热炉炉底结构⒊步进式加热炉工艺流程一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段。

进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。

加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。

均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。

一般用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。

钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。

其生产过程如下：对于步进式加热炉，钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的。

钢坯位于固定梁上，移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动，移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉前进一步，而且保证钢坯没有任何滑动。

传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立的机构完成的。

步进梁的进后运动多采用油压传动方式，上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式。

钢坯被送到加热炉外的上料辊道上，经过测长后，从装料炉门进入炉内，然后在炉内悬臂辊道上进行对中定位，通过移动梁步进机械的周期运动，一步步地前进。

当钢坯被输送到出炉位置，且已达到所要求的出炉温度，当接到允许出钢信号时，钢坯加热结束，由出料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。

步进行程如图（3）固定梁水平面321 4下降上升固定梁移动梁图（3）步进结构图(4)二、PLC系统硬件选型与系统连接2.1 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。

2.1.1 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)。