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1、4.2 步进式加热炉控制系统的监控显示画面224.3 系统流程图23五、附录 26 附录A 附录B一、步进式加热炉工艺流程步进式加热炉简介 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。 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

2、-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

3、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。步进式加热炉的结构步进式加热炉结构图（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

4、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。

5、（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，

6、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。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

7、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

8、道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。步进行程如图（3） 工艺过程如图（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

9、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

10、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

11、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

12、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）。2.1.2

13、 控制器的正反作用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

14、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

15、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，整个副回路可视为一放

16、大倍数为“正”的环节看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“正”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。实际上，主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此，主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“反”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选“正”作用。根据以上判别准则，可以方便地确定温度控制器、流量控制器和压力控制器均为反作用控制器。2.2 PLC选型PLC（Programmable Logic Controller）是可编程序

17、控制器的英文缩写, 它是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器,是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制, 比如,将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器作为输入信号, 输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器, 在其内部存储, 执行逻辑运算, 顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令, 通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化6。PLC及其有关的外围设备都应该以易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。它的主要功能有：在线数据采集和输出；控制功能

18、，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；数据处理功能，既能进行基本数学、逻辑运算，还可通过编程实现复杂的控制算法；输入/输出信号调制功能；通信、联网功能，可进行远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等；支持人机界面功能；编程、调试等。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过电气控制系统来实现的。PLC的特点是：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小

19、，维护方便、易于改造；体积小、质量轻、功耗低。2.2.1 S7-300简介S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器（PLC）系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。S7-300系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。S7-300包括集成的24V电源、高速脉冲输出、通信口、模拟电位器、EEPROM 存储器模块、电池模块、高速计数器以及CPU模块等。该系统中配置了模拟量输入

20、/输出模块、数字量输入/输出模块、高速计数模块、监控模块, 所有输入/输出模块，全部采用光电隔离, 大大提高了系统抗干扰能力。S7-300系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。2.2.2 S7-300的模块选择本设计选用西门子公司S7-300系列PLC中的过程控制器CPU 224作为整个加热炉控制系统的核心。本机集成14输入/10输出

21、共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU 224具有1个RS-485通信口，支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。若采用24V DC电源，则24V DC输入，24V DC输出；若采用100230V AC电源，则24V DC输入，继电器输出。它是具有较强控制能力的控制器，该产品具有标准化程度高、可靠性高、操作性强、可维护性好、可扩展性好等特点。2.2.3 PLC的I/O地址分

22、配表3-1 I/O地址分配表输入信号启动按钮I0.0停止按钮I0.1急停按钮I0.2手动操作I0.3自动操作I0.4钢坯进入加热炉的信号I0.5钢坯出加热炉的信号I0.6 输出手动方式运行Q0.0自动方式运行Q0.1燃料阀Q0.2空气阀Q0.3喷嘴接触器Q0.4燃料机接触器Q0.5鼓风机接触器Q0.6预热段燃料阀Q0.7预热段空气阀Q1.0加热段燃料阀Q1.1加热段空气阀Q1.2均热段燃料阀Q1.3均热段空气阀Q1.4预热段报警Q1.5加热段报警Q1.6均热段报警Q1.7烟道百叶窗Q2.0炉膛压力报警Q2.12.3 DCS选型DCS（Distributed Control System）是分散

23、控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。“集”和“散”这两个字是集中管理和分散控制的简称，是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求, 从综合自动化的角度出发, 按功能分散、管理集中的原则构思，具有高可靠性指标, 不断以新的技术成果充实而研制开发出来的, 以微处理器、微型计算机技术为核心, 与数据通信技术、显示、人机接口技术、输入输出接口技术相结合的, 用于生产管理、数据采集和各种过程控制，它是一种处

24、于新技术前沿的新型控制系统。DCS具有以下特点：（1）高可靠性。由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。（2）开放性。DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。DCS系统主要有现场控制站（I/O站）、数据

25、通讯系统、人机接口单元、通用计算机接口、操作员站（OPS）、工程师站（ENS）、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。它的硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力，易于组态，易于使用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。上位机采用的是横河集散控制系统CENTUM-CS3000软件，它是一个结构真正开放的系统，CENTUM-CS3000是将传统CENTUM系列产品的可靠性,通用性,以及PC机环境的开放性融为一体，在集散控制系统

26、（DCS）领域意味着一个新纪元的到来。它是由以下元件所组成的，包括：操作站（HIS）、现场控制器（FCS）、工程师站（ EWS）、ESB总线、ER总线、通讯网关（ACG）、OPC系统集成网关（SIOS）、V net/IP 控制总线。CENTUM-CS3000是以Windows为操作平台，以开放式的结构、灵活性和与现存系统兼容为特性的，可以以开放的、可靠的方式简便的与信息系统相连，用于进行监视和控制工艺参数与工艺过程及信息交换的双重化实时控制网络，具有构造大型实时过程信息网的拓扑结构，可以构成多工段，多集控单元，全厂综合管理与控制的综合信息自动化系统。CENTUM-CS3000与横河以往的系统可

27、通过总线转换单元,方便地连接在一起，实现对既有系统的监视和操作，保护用户投资利益。横河提供了系统接口和网络接口，用于与不同厂家的系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通讯。在HIS的监视器上，操作员可以观察到所有挂在通信总线的各个配备状况，甚至可以观察到控制站上的某一个I/O点的情况。HIS可以显示各种画面；如流程图、控制组、趋势、历史曲线、实时曲线等。它也可以监视设备，通过指令窗口发送指令，记录报警及其它事项和确认报警，以方便维护人员维修。监控系统选用研华工控机、菲利普22寸纯平彩色显示器构成其工程师站和操作员站。系统各操作站是联网、协调工作的,操作站之间是全透明、全容错的,可以

28、实现相互代替。采用这种方式使得本系统具有运转可靠、数据分布合理、操作速度快、人机界面友好、使用方便等优点。控制方案 步进式加热炉的热工制度主要包括:温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。 根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气

29、量，后增加煤气量；炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气、煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。对于炉膛压力，采用单回路控制，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，达到控制炉膛压力的目的。3.1煤气/空气流量控制系统设计双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路而构成2。双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干扰的影响，使燃料流量变得比较平稳。通过比值控制副流量即空气流量

30、也将比较平稳。这不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要特点。另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值，就可以提降燃料流量，同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合，实用性强2。设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下：图5-1 燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图3.2 炉温的控制系统设计在步进式加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费