过控课程设计——步进梁式加热炉DCS系统设计.docx
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摘要
加热炉是将物料或工件加热的设备。
在冶金工业中加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。
连续加热炉广义来说，包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉。
由于本设计的内容是关于步进梁式加热炉，所以要对其做一些简单的介绍:
步进式连续加热炉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。
本文以厚板加热炉的技术改造为研究背景，对目前国内外加热炉控制技术的发展和现状进行了综述。
介绍了加热炉集散控制系统的主要构成、系统配置及工控组态软件的功能，深入分析了集散控制系统对步进式加热炉燃烧的自动控制原理，实现了双交叉限幅燃烧控制、流量控制、加热炉炉温控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等。
关键词：
步进式加热炉，燃烧工艺流程，集散控制系统
目 录
一、绪论 3
二、步进式加热炉 4
2.11步进加热炉概述 4
2.22步进式加热炉的工艺过程 5
三、DCS选型 8
3.11JX-300系统概要 8
3.22系统的整体结构 8
3.33系统主要设备和软件 9
3.4系统的主要特点 ………………………………………………………10
3.5硬件选型 ………………………………………………………………10
四、步进式加热炉控制系统设计 ………………………………………………124.1炉温控制 ………………………………………………………………12
4.2流量控制 ………………………………………………………………14
4.3炉压控制 ………………………………………………………………19
五、监控系统硬件连接及软件使用 ……………………………………………255.1系统软件………………………………………………………………25
5.2通信网络………………………………………………………………26
5.3组态软件………………………………………………………………29
六、实时监控操作画面 …………………………………………………………316.1工艺流程图 ……………………………………………………………31
6.2温度报警图 ……………………………………………………………31
6.3温度实时/历史趋势图及报警记录图 …………………………………32
6.4阀门控制简图…………………………………………………………33七、心得体会……………………………………………………………………34八、参考资料……………………………………………………………………35
一、绪论
随着世界人口的不断增加以及国民经济的迅速发展，能源危机日益加深。
在1973年发生第一次石油危机以后，开发新能源和节能的研究便成
为世界各国关注的主要课题。
自 70年代中期以来，各工业先进园对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛深入的研究，大大降低了能耗。
冶金工业是耗能大户，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的 25％。
因此，提高加热炉热效率、降低能耗，对整个钢铁工业节能具有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。
随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量的要求也越来越高，从而也对加热过程提出了更高的要求。
加热炉是钢铁工业轧钢生产线关键设备之一，也是主要的耗能设备。
加热炉燃烧过程具有非线性、强耦合、不确定性、分布参数特性，是一个高度复杂的工业过程。
钢坯加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗和轧机寿命，加热炉燃烧过程控制技术成为钢铁企业研究的重要课题之一，在国内外都得到了广泛的重视。
从双交叉限幅燃烧控制、流量控制、加热炉炉温控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等方面进行深入研究。
二、步进式加热炉
2.1步进加热炉概述
加热炉即是将金属加热至轧制温度要求的工业炉。
最初，在轧线规模和效率的限制下，小型的均热炉即可满足轧线需求。
均热炉即是坑状的加热炉，上面有炉盖。
均热炉内温度不分段，原坯在炉中加热至轧制温度，在轧线需要时由人工的方式将原坯送入轧线。
这种炉生产能力低，炉子热效率较低。
在轧线生产效率的提升的情况下，新建均热坑虽然是一种解决方法，但是受到生产场地和距离等因素限制。
推钢式加热炉是更大型的连续加热炉。
按照原坯进入轧线的顺序，原坯在推钢式加热炉内，由推钢机向前推行。
由于原坯仅需要在出炉前达到轧制温度，因此推钢式加热炉炉内的温度并不一致，而是分为几个温度段，这样就避免了热量的浪费。
一般的，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段。
进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。
加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。
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。
推钢式加热炉由于是推钢机手臂将原坯推入炉中，因此原坯之间没有间隙。
而由于推钢机手臂的原因，炉长不能大幅增加。
在50—60年代，轧线的生产效率迅速提高，为了提高单位炉底面积的生产率，开始在进料端增加供热段，取消不供热的预热段。
但是供热段的长度增加，意味着高温原坯的数量增加。
由于推钢式加热炉的原坯之间处于一种“接触”状态，因此容易出现粘钢，拱钢。
1967年4月，由美国米德兰公司设计的全世界第一座 “二面供热步进梁式加热炉，，在美国格兰拉特城钢铁公司问世 ;紧接着同年5月，日本中外炉公司设计的全世界第二座步进梁式加热炉又在日本名古屋钢铁厂投产。
这两座步进梁式加热炉的投产，宣告加热炉进入了崭新的时代。
相对于推钢式加热炉，步进梁式加热炉的优点显而易见。
首先，步进梁式加热炉中的原坯是放置于横跨整个加热炉的步进梁上，并由步进梁的运动带动其向前移动，因此步进梁式加热炉的炉长 （规模）理论上可以不受限制。
其次，步进梁式加热炉中的原坯不是用 “推动”的方式移动，因此原坯之间有一定距离，这就完美的解决了粘钢，拱钢的故障问题。
并且原坯之间不相互接触，炉内热气可以使原坯更加均匀的加热。
由于步进梁式加热炉的炉长受限的因素少，其最大特点是规模大。
原苏联契涅波维茨钢铁厂热带车间所用的步进梁式加热炉，炉内宽 11.25m，有效炉长
49.59m，炉子产量达420比;德国克勒克纳公司的不莱梅钢铁厂热轧线采用的步
进梁式加热炉，产量400曲;法国索拉克热轧带钢铁厂的步进梁式加热炉，有效
炉长53.9m，产量更达到525t/h。
随着近二十年来控制理论和电子技术的长足进步，在 DCS等先进控制系统的带动下，步进梁式加热炉又在最优炉温控制和节能等方面取得突破。
如今的步进梁式加热炉，己经向着功能多，规模大，耗能少的方向发展。
功能多，既可以适应多种不同原坯，如板坯、方坯等 ;规模大，即单位时间的产量高 ;耗能少，即符合国际能源和污染排放的规定 。
我国的钢铁生产起步较晚，在建国后虽有所发展，但受历史和技术原因，七十年代仍处于世界落后。
八十年代后，在国家经济建设的号召下，大量引入外国先进技术，国内钢铁生产有了长足进步。
我国在 1979年投产的步进梁式炉长为犯 .
5米，生产能力为 270比t/h。
步进梁式加热炉虽然优点多，但其投资也较其他加热炉高。
若引进外国技术，投资更会增加一倍。
随着我国钢铁技术的发展，我国已经逐步开始自行设计步进梁式加热炉，并使用国产加热炉部件。
近年来在国家提出 “节能减排”的目标指引下，一大批钢铁企业开始对其生产线进行大规模改造。
而加热炉是钢铁厂重耗能重污染的单位，因此其改造相当普遍。
2.2步进梁式加热炉工艺过程
步进梁式加热炉是整个系统的核心部分。
步进梁是一种梁式的搬运装置，分为定梁和动梁。
步进梁的工作原理如图 1.2所示。
固定梁
移动梁
固定梁水平面
2 3
上 下
升 降
1 4
图2.2步进式炉内钢坯的运动
炉底由固定梁和步进梁组成。
开始钢坯放置在固定梁上，这时移动梁位于钢坯下面最低点1。
开始动作时，移动梁由 1点垂直上升到 2点的位置，在到达固
定梁水平面时把钢坯托起，接着移动梁载着钢坯沿水平方向移动一段距离从 2点到
3点；然后推动梁再垂直下降到 4点位置，当经过固定梁水平面时又把钢坯放到固定梁上。
这时钢坯实际已经前进到一个新的位置。
这样移动梁经过上升 ---前进---下降---后退四个动作，完成了一个周期，钢坯便迁进一步。
然后开始第二个周期，不断循环使钢坯一步步前进。
移动梁往复一个周期所需的时间和升降倒退的距离，是按操作和设计的要求规程确定的。
可以根据不同钢种和断面尺寸确定钢材在炉内加热的时间，并按加热时间的需要，调整步进周期的时间和进退的行程。
为了对钢坯实现有效地加热，步进式加热炉沿炉长方面分为：
预热段、加热段和均热段，如图2.3所示。
图2.3步进式加热炉工艺图
步进式加热炉加热段分为 I加热段和II加热段。
预热段长度较长，可出充分利用烟气来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。
钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。
钢坯经过预热段预热后进入加热段，加
热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。
均热段主要将钢坯均匀加热到规定的出钢温度。
若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则不能出钢。
三段的温度互相耦合，互相影响。
加热炉的热工制度主要包括：
温度制度、燃料燃烧制度帮炉压割度等。
为了保证燃烧的正常进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制系统和带动番补偿的炉膛压力控制系统，同时对煤气的温度，压力与助燃控制的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。
图2.1步进式加热炉工艺流程图
三、DCS选型
基于DCS控制技术的步进式加热炉控制系统简介。
3.1JX-300系统概要
浙江浙大中控自动化有限公司于 1997年推出了全数字化的新一代的集散
控制系统JX-300。
该系统不仅具有原 JX-100集散控制系统的一切功能和优良
的性能， 更吸纳了九十年代在微处理器、 CRT图形显示和络通讯等领域的最新技术，成为近几年国外著名 DCS系统在中国市场的最主要竞争对手。
公司本着不断改进完善系统性能，最大限度地满足应用需要的原则，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术和现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了 JX-300的性能和功能，使其兼具了高速可靠的数据输入输出、运算、过程控制功能和
PLC 联锁逻辑控制功能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化
的、结构灵活、功能更加完善的新型开放式集散控制系统。
区别于早期推出的 JX-300系统，我们称该新型系统为 JX-300X。
JX-300X 的基本组成包括工程师站（ ES）、操作站（OS）、控制站
（CS）和通讯网络 SCnetII。
通过在JX-300X 的通讯网络上挂接总线变换单元（ BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300 系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元
（CIU）可实现JX-300X 与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站
（MFS）和相应的应用软件 Advantrol-PI可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。
3.2系统的整体结构：
JX-300X系统的整体结构如图 2.1所示。
图3.1JX300-系统结构图
图3.1中构成系统的主要设备说明如下：
OS：
操作站 ES：
工程师站
MFS：
多功能计算站
BCU：
总线变换单元 CIU：
通信接口单元PCS：
过程控制站 LCS：
逻辑控制站
DAS：
数据采集站
SBUS：
系统I/O 总线 IOU：
IO 单元
RIOU：
远程IO单元
3.3系统主要设备和软件
3.3.1.1系统主要设备
作为典型的通讯系统， JX-300X系统有如下类型的节点：
□现场过程控制设备节点；
□操作监视设备节点；
□智能设备的通信接口节点；
□工程师站；
□高级计算站。
3.3.2.2系统软件
用于给CS、OS、MFS进行组态的专用软件，包括：
SCKey（系统定义）、SCNetDiag（系统诊断）、SCFBD（功能块图）等工具软件包，称之为组态软件包。
用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的人机接口软件称为实时监控软件 AdvanTrol。
3.4系统的主要特点
JX-300X覆盖了大型集散系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规 DCS 的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录
（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（ SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法
（如模糊控制）的类 C语言编程环境 SCX。
系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。
3.5硬件选型
根据系统实际测点和控制情况，选择系统需要的硬件设备（机柜、机笼、卡件、操作站等），使硬件配置可以满足设计中的数据监控、画面浏览等要求，并为将
来的系统扩展升级留有一定的余量。
加热炉I/O点数
检测区域
AI点数
AO点数
DI点数
DO点数
热电偶
热电阻
4~20mA
4~20mA
预热段上
11
3
3
42
26
预热段下
11
3
3
58
42
一加上
13
3
3
52
32
一加下
13
3
3
72
52
二加上
13
3
3
52
32
二加下
13
3
3
72
52
均热上
2
2
2
2
2
均热中
2
2
2
2
2
均热下
11
3
3
58
40
公共部分
7
17
12
6
42
20
汽化冷却部分
28
4
25
10
硬件配置：
卡件类型
卡件名称
所需数量
控制站
SP243X
2块
数据转发卡
SP233
15块（考虑到冗余配置）
I/O卡件
SP314（4路电压型号输入卡
）
26块（考虑到冗余配置及备用）
SP316（2路热电阻信号输入卡）
10块（考虑到冗余配置及备用）
SP313（（4路电流型号输入卡
）
18块（考虑到冗余配置及备用）
SP322（4路模拟信号输出卡）
10块（考虑到冗余配置及备用）
FW366（16路数字信号输入卡）
32块（考虑到冗余配置及备用
）
FW367（16路数字信号输出卡）
24块（考虑到冗余配置及备用
）
四、步进式加热炉控制系统设计
4.1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。
4.1.1.1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 3．1所示。
图4.1串级控制系统原理图
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。
4.1.2.2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。
图4.2加热炉炉温与煤气流量串级控制系统框图
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 4000Nm3／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℃～l280℃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*μ
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。
图4.3各种热损失与过剩空气系数之间的关系
有图可见，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。
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