过程控制工程课程设计(步进式加热炉)姓名:宋雨莲班级:仪1041学号:101844028专业:测控技术与仪器日期:2014-1-3摘要步进式加热炉是轧钢生产线上的关键设备之一，与轧制机组构成了轧制生产线的主体生产环节。

为了提高步进式加热炉产品的质量，本文研究主要是从工业控制的角度出发，对步进式加热炉加热的过程控制系统作了研究和探讨。

本文通过了解整个步进式加热炉的生产工艺及影响因素，确定了燃料燃烧控制系统、温度控制系统和炉膛压力控制系统的控制方案，并对其控制规律及参数进行选择。

下位机采用PLC进行软件编程，上位机采用DCS软件进行画面监控显示，实现了加热炉温度和炉膛压力的自动控制功能。

最终可达到加热炉安全、经济、高效的运行。

目录一、设计目标二、主要工作内容及要求三、加热炉工艺流程及控制简介四、步进式加热炉控制系统设计4.1 加热炉的炉温控制4.2流量控制4.3炉压控制五、温度控制硬件设计六、软件设计一、设计目标以钢铁企业常见的“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、主要工作内容及要求（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、加热炉工艺流程及控制简介（1）步进梁式炉为两面供热步进式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。

在钢坏的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坏或带钢轧前加热。

在钢铁企业中，轧钢系统的各种加热炉是能源消耗大户，如何在满足轧机对钢坯温度性能要求的情况下，最大限度地提高加热炉的热效率，降低能源消耗，这是当前加热炉专业及加热炉控制专业的一个共同课题。

国内某钢铁公司的步进式加热炉主要用来给碳素结构钢加热，炉子全长56740mm，有效炉长为50000mm，炉宽12600mm，最大产量400t/h(最长板坯、冷装料)，步进梁的步距为200/500mm，步进周期为45s。

燃料为混合煤气，板坯加热温度可达1250℃。

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。

关于加热工艺，炉子被划分成“区”。

这些区如下：1个换热区7个顶部区：顶部区（区 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13）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。

（2）加热炉控制系统结构加热炉自动化控制系统分为现场设备(L0)、基础自动化系统(L1)、过程控制计算机系统(L2)三部分，如图4图4（3）加热炉燃烧控制系统由许多模块组成，实现了钢坯加热过程中有关参数测控和管理的集中化。

整个燃烧控制系统分为以下模块：炉温选择控制、煤气/空气燃烧控制、炉压控制等。

四、步进式加热炉控制系统设计4. 1加热炉的炉温控制加热炉分三段实现炉温自动控制，包括加热一段、加热二段和均热段。

每段炉温各自独立控制，每段取炉顶和炉侧 2 点温度为测量值，正常情况以炉顶测量温度为控制目标值，当炉项处热电偶出现故障时，以炉侧测量温度为控制目标值。

加热一段炉温控制范围：1 1 00-1 200℃，加热二段温度控制范围：1200-1300℃，均热段温度控制范围：1200-1280℃。

三段炉温采用相同的温度控制方案，炉温自动控制是以炉温控制为主环，煤气流量调节为副环的串级回路控制，下面以均热段为例说明炉温是如何实现自动控制的。

4. 1. 1 串级控制简介所谓串级控制系统就是由两台控制器串联在一起，控制一个控制阀的控制系统。

串级控制系统原理图如图 4．1 所示。

串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点： (1) 改善了被控过程的动态特性，可以使系统的响应加快，控制更为及时； (2) 提高了系统的工作频率，可使振荡周期缩短； (3) 具有较强的抗扰动能力； (4) 具有一定的自适应能力。

综上所述，串级控制系统与单回路控制系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，调节器参数整定较复杂。

所以在工业应用中，串级控制并不是任何场合都适用，往往应用于以下场合： (1) 用于克服被控过程较大的容量滞后： (2) 用于克服被控过程的纯滞后： (3) 用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动； (4) 用于克服被控过程的非线性。

4. 1. 2 炉温一煤气流量串级控制由于加热炉炉温过程是一个具有大惯性、非线性和多扰动等特点的过程，根据串级控制系统的特性，本文采用炉温一煤气流量串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。

在此串级控制系统中，将变化较剧烈的煤气流量等扰动包含在副环回路中，利用副环回路的优良特性来抑制这些扰动对被控量即炉膛温度的影响。

同时，利用串级控制系统可以改善被控过程动态特性和具有较强自适应能力的特点，来克服加热炉炉温过程的较大的容量滞后以及非线性等问题。

在图 4. 2 中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即煤气流量控制器的设定值，而由煤气流量控制器的输出去控制煤气的调节阀，调节阀采用气开式，炉温控制器和煤气控制器均采用反作用方式。

在稳定状态下，炉温控制器和煤气控制器的输出都处于相对稳定值，煤气调节阀也相应地处于某一开度上。

如果稳定状态被破坏，炉温控制器和煤气控制器的串级控制开始作用。

第一种情况：煤气流量发生变化。

当煤气流量变送器检测出流量值与设定值进行比较，当实际流量值高于设定值 4000 Nm3／h 时，煤气流量控制器输出减小，通过执行器调整煤气流量，直至达到设定值。

所以对于煤气流量的小变化，经过煤气流量控制器这一控制的结果，将不会引起炉温的变化；对于煤气流量的大变化，也将会大大削弱它对炉温的影响。

随着时间的增长，煤气流量变化对炉温的影响将显示出来。

炉温发生变化，炉温控制器开始工作，不断改变控制输出，直到炉温重新回到设定值为止。

第二种情况：炉温发生变化。

假定当实测炉温高于 1280℃，根据炉温控制器的反作用，控制输出减小，即煤气流量的设定值减小。

由于此时煤气流量并没有变，即测量值暂时没有变化，又根据煤气流量控制器的反作用，其控制输出减小，调节阀应减小开度，煤气流量减小，炉温逐渐下降，直到炉温回到 1200℃～l 280℃为止。

炉温降低时，其调节过程相反。

第三种情况：假定炉温和煤气流量同时发生变化。

这时分为两种情形：一种情形是温度、煤气流量同向发生变化；另一种情形是温度、煤气流量反向发生变化。

对于第一种情形，以炉温升高、煤气流量增大为例进行分析。

这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。

同时，煤气流量测量值增大，两方面作用一综合，这样流量控制器的输出应大幅度的减小，调节阀将大幅度关小开度，煤气流量大幅度减小，炉温很快回到设定值。

对于第二种情形，以炉温升高、煤气流量减小为例进行分析。

这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。

同时，煤气流量测量值减小，两方面的作用结果，比较煤气控制器的输入是正偏差还是负偏差，然后经煤气控制器的作用控制调节阀的开度，使炉温回到设定值。

4. 2 煤气/空气流量控制为了使煤气充分燃烧必须供给足够量的空气，即保证一定的过剩空气系数 u 或空燃比γ。

它们的定义分别为其中，Fa 和 Famax 分别为空气流量的测量值和最大值，Ff 和 Ffmax 分别为煤气流量的测量值和最大值，A。

为单位体积或质量的煤气完全燃烧所需的理论空气量。

空燃比γ 与过剩空气系数μ 的关系为γ=β *u其中，β 称为量程修正系数，它的计算式为以煤气为原料的燃烧过程中空气过剩系数与节能防止污染是非常关键的。

空气不足燃烧不完全、冒黑烟、热损失增大，即热效率降低。

空气过量又会从炉内带走大量的热能、降低火焰温度并导致氧化氮、氧化硫排量增加，污染环境。

热效率与热损失及空气过剩系数之间的关系，见图 4．3。

由图可见，在上述两种情况之间存在着一个热损失小与污染最小、热效率最高的低氧燃烧区，这种状态使排烟量减少，此外火焰温度升高又使高温区热效率提高。

这就是最佳燃烧区，一般以煤气为燃烧的燃烧系统最佳燃烧区的空气过剩系数 u 在 1．05～1．10 之间。

理想的燃烧过程应该是无论负荷稳定还是急剧变化的情况下都能在最佳燃烧区内进行。

在加热炉燃烧过程中，为保证燃料煤气的合理经济燃烧，就必须对进入炉膛的煤气流量与空气流量进行合理配比。

本文采用比值控制方法来保证进入炉膛的煤气流量与空气流量之间的恰当比值关系。

双闭环比值控制方案是比值控制系统的一种，由于它对比值控制系统的主、从动量均进行了闭环调节，因此它不但能够保证两种物料流量之间的静态比值关系，而且控制系统的动态比值特性也较好。

双闭环比值控制系统的主动量控制回路能克服主动量的扰动，实现其定值控制。

从动量控制回路能克服作用于从动量回路中的扰动，维持与主动量之间的比值关系。

但是，在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，煤气流量一空气流量双闭环比值控制无法很好的保证煤气流量与空气流量之间的动态比值关系。

在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，为了保持燃料煤气的最佳燃烧，本文采用双交叉限幅控制策略来克服双闭环比值控制系统动态比值特性不优的缺陷。

双交叉限幅控制是在双闭环比值控制的荃础上，增加了交叉限幅功能，可以很好地解决上述问题。

由于双交叉限幅控制响应速度慢，因此当负荷较平稳时，采用煤气一空气流量双闭环比值控制策略，只有当负荷发生剧烈变化时，才采用双交叉限幅控制策略。

4. 2. 1 煤气流量一空气流量双闭环比值控制本加热炉燃烧过程中，当燃烧负荷较平稳时，本文采用了双闭环比值控制方案来实现煤气流量和空气流量之间的合理配比。