钒钛冶炼炉压力控制 精品Word文档格式.docx
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目录
摘要I
ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论1
1.1加热炉概述1
1.2加热炉自动控制现状及发展趋势1
2加热炉控制系统总体方案设计4
2.1加热炉生产工艺流程4
2.2加热炉控制系统总体方案4
2.2.1炉温控制系统4
2.2.2煤气和空气流量控制系统5
2.2.3炉膛压力控制系统5
2.2.4煤气总管、空气总管压力控制系统6
3加热炉压力控制系统的设计7
3.1加热炉压力对生产的影响7
3.2加热炉控制系统构成7
3.3加热炉压力控制系统设计8
3.3.1助燃空气压力控制系统8
3.3.2煤气压力控制9
3.3.3炉膛压力控制9
3.3.4压力检测元件的选择9
3.3.5执行器的选择10
3.3.6控制器的选择12
3.4PLC选型14
3.4.1S7-200简介14
3.4.2S7-200的模块选择15
3.4.3模拟量扩展模块EM235简介15
3.4.4PLC的I/O口分配16
4加热炉压力控制系统的软件设计17
4.1软件介绍17
4.2主程序设计19
4.3子程序设计20
4.3.1A/D采样滤波子程序设计20
4.3.2PID算法子程序21
4.4炉膛压力控制系统设计22
4.5煤气压力控制系统设计23
4.6空气压力控制系统设计24
4.7监控画面设计25
第五章总结28
参考文献29
附录A源程序29
附录B组态图41
附录C加热炉仪表图42
致谢44
1绪论
1.1加热炉概述
加热炉是一种加热物料或工件的设备。
加热炉按热源可分为感应加热炉、电阻加热炉、燃料加热炉、微波加热炉等。
加热炉在实际生活中应用很广泛，其应用遍及机械、化工、冶金、石油、热处理、表面处理、材料、电子、建材、制药、轻工、日化等诸多领域。
在冶金工业中，加热炉习惯上指把金属加热到可轧制成锻造温度的工业炉，包含有室式加热炉和连续加热炉等[1]。
加热炉的温度、炉膛压力和空气压力等在工业控制中起着举足轻重的作用，直接关系着产品产量、能源和工作人员的人生安全等。
根据炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和均热段；
进料端炉温比较低，所以为预热段，预热段作用在于利用炉气热量来提高炉子的热效率。
加热段是加热炉的主要供热段，炉气温度和金属料温度差别较小，保证了出炉料坯的断面温度比较均匀。
加热炉是轧钢工业必备的热处理设备。
随着工业自动化技术水平地不断发展和提高，现代化的很多轧钢厂已经配置了大型化和高度自动化的加热炉，其生产能够符合低耗、优质、高产、节能、无公害和生产操作自动化的工艺要求，从而可以提高生产产品的质量，增强产品在市场中的竞争力。
1.2加热炉自动控制现状及发展趋势
加热炉是轧钢厂生产工序中必备的重要热处理设备，也是生产工序中能耗最大的设备。
改进加热炉的目的主要是在完成金属轧前加热的同时，尽量的提高加热炉的各项生产指标，主要包括产品产量、加热质量和能耗等。
结构一定的加热炉的操作参数是影响炉子生产指标的主要因素。
加热炉计算机控制系统就是要实时地、准确地优化各个操作参数,从而构成合理的炉内温热制度,使其获得最优化的生产指标，所以加热炉计算机控制系统的实质就是实现加热炉的科学合理操作。
优化控制后的加热炉可以保证工艺和各项技术指标的先进性,并能够创造出可观的经济效益。
（1）实现合理的燃烧控制同时能够节约能源,能够大幅度地降低燃料不完全燃烧的热损失和排烟损失。
这种计算机控制与人工操作相比，化学不完全燃烧热损失由原来的5%～15%降到1%以下；
空气过剩系数由原来的1.3～1.6，到现在准确地控制在1.1～1.3之间，从而使排烟热损失降低到12%～18%，燃烧降低到4.8%～11.2%。
在加热炉中，金属加热后的最终温度通常为1000℃左右,为了使加热最终钢温不低于轧钢工艺要求规定的温度,需要将出炉钢温设定的尽可能高一些，自从实现以钢温为目的的计算机优化控制后，出炉钢温度偏差被控制在15℃。
经过理论计算，表明加热最终钢温平均下降了50～100℃，也使燃耗下降了4%～8%。
（2）降低了金属在炉内的氧化烧损量，金属在炉子内停留一定时间时,就会造成氧化烧损偏高，其主要原因是金属的表面温度过高和空气过剩系数过大。
大量实验后，表明10号碳素钢表面温度由1200℃降到1050℃，相同的加热时间，其氧化烧损为37.1%。
此外,加热炉计算机控制的实现,可提高产品的质量,改善控制的精度,避免事故的发生，减少维修的次数,提高工作效率；
减少环境污染，提高了其操作和管理的水平。
在目前广泛地推广的以工序节能为目的的热送热装、连铸连轧、直接轧制和低温轧制等技术中,实现加热炉的计算机控制对保证上述工艺的实施起着十分重要的作用。
国外的很多国家对加热炉计算机控制系统进行研究、推广，甚至广泛的应用都是在60年代计算机在工业领域出现之后。
在70年代的中后期，国际上最为活跃的首指一个新的控制策略的出现，即加热炉数学模型的应用及不断的改善和优化。
加热炉计算机的串级控制系统在80年代末期已经遍及众多的发达国家，且这些国家大多是工业国，此时，它和整个企业或整个轧线的联网也得到了实现。
我国对轧钢加热炉计算机控制的广泛应用是在80年代初。
中国的科研工作者经过十几年的深入研究，得到了大量宝贵的研究结果，此时，对多座加热炉采用计算机控制不仅得到了实现，能源也相应地被节省，加热质量也相应的被提高，能源耗损率随之降低，且很多单炉的能源损耗指标也已居世界先列。
和国外其他国家相比，尽管我国起步较晚，可我们的理论水平和国际先进水平差距始终保持在较小范围内[2]。
因我国起步较晚，且发展不是很平衡，目前为止，700多座的加热炉中，用计算机控制的加热炉尚没有30座，而我国许多的钢铁企业对加热炉的控制依旧是由员工进行操作，且大多都是单炉控制，只有宝钢等几家使用计算机控制和整个轧线计算机组合构成的系统进行控制。
据在中国对加热炉进行计算机控制的运行结果的调查得知，此控制系统在我国取得的成果并没有想象中的那么好，尽管一部分企业有相对先进的计算机控制系统，但却只局限于用它代替一般的仪表和PID调节，它附带的许多完善的功能都没有得到应用，且控制效果与预期的设想相差甚大，效益相对也一般，实际运行中，计算机控制系统的控制结果不是很稳定。
SCC级控制也存在于一般计算机控制系统中，但其缺点是不能在线使用，且两级控制系统在一些企业的在线运行难以实现，严重时会出现瘫痪状况。
有许多方面的因素致使该控制系统长期稳定的运行得到限制，比如硬件因素（执行机构、外部仪表及炉子构造），还有软件因素（管理水平、控制模型），以上因素中的任何一个因素出现，都将导致整个计算机控制系统难以正常的运行。
2加热炉控制系统总体方案设计
2.1加热炉生产工艺流程
工艺过程如下：
炉前辊道先将钢坯称重并定位，之后，若装载钢坯的条件满足后，装载材料的炉门将被打开，辊道上的钢坯经装料机传输到规定地点，装料又回到原有位置，随之，炉门将被关闭，而处理后的钢坯经过旋转炉的转动，被依次传送到出料门。
若经处理后的钢坯满足一定的条件（即出钢条件）且被传输到出料门，卸料门将被打开，钢坯被取出，经出料辊道传送到轧线轧制，进而进行下一步的装料、加热及出料。
2.2加热炉控制系统总体方案
根据加热炉的工艺要求，钢坯的加热温度内外要均匀，既不烧化，又不烧裂。
为此，需设置如下主要检测与控制系统：
炉温控制系统；
煤气和空气流量控制系统；
炉膛压力控制系统；
煤气总管、空气总管压力控制系统。
2.2.1炉温控制系统
钢坯在炉加热，倘若空燃比太高，钢坯表面氧化，增加了热量的损失，倘若空燃比太低，燃料燃烧不完全，导致气体流出，将造成燃料的浪费和环境的污染。
因此，出于温度控制要求的考虑，这个过程不仅需要燃料和空气量成一定比例，当温度发生改变，增加和减少燃料和空气的量将按特定的顺序进行，从而确保其合理性和可控性。
图2-1是炉温与煤气流量串级控制系统方框图，其中，主参数是炉温，副参数是煤气，控制参数是煤气流量；
空气和煤气构成比值控制系统。
图2.1炉温与流量串级控制系统方框图
炉内温度控制，以改变煤气和空气的流量来实现其控制。
使用PID控制策略，根据温度控制器测量得到的温度，得以产生一个输出。
以上输出又作为给定值，即空气和煤气控制器的给定值，从而实现空气和煤气流量的控制。
温度控制器和空气流量控制器及煤气流量控制器中的任一控制器进行组合，形成串级控制系统，此串级控制系统中，将可以实现温度粗调的温度控制器作为其主控制器，而空气流量和煤气流量控制器构成平行的副控制器，进而实现精准的控制。
2.2.2煤气和空气流量控制系统
图2-2显示了系统的串级和比值控制系统的组合，炉内温度分别和空气、煤气流量形成的串级控制系统及空气和煤气的流量形成的比值控制系统进行组合，要实现系统的串级和比值控制系统的组合中提到的功能主要是依靠高、低选择器，即HS和LS。
若系统运行正常，系统呈现稳定状态，空气流量变送器的输出I2与煤气流量变送器的输出I1相等，而温度控制器的输出IT是等于的空气流量变送器的输出，即和燃料流量变送器的输出也相等。
由上可知，就高、低选择器，HS和LS两端的输入信号，二者是平等的，此时这个系统就像非选择性的级联和比值控制二者组合的控制系统。
由串级控制系统的要求决定了温度控制器应是反作用控制器，所以，随着系统炉内的温度逐渐下降，温度控制器的输出就随之增大，此时低选器LS没有选择此项增大的信号，而是由高选器直接选中并对空气流量控制器的设定命令进行了改变，增加了空气量。
上述结果导致了空气的增加，它的变送器输出就增大，随之，空气流量变送器的输出也逐渐增加。
但是，由于此刻空气流量变送器的输出小于温度控制器的输出，所以低选器选择了空气流量变送器，即I2，进而改变燃料控制器的设定值并命令进行提量。
此过程中，以确保增加燃料为前提，增加空气量，使其完全燃烧。
待此提量过程满足IT=I1=I2，该系统得以恢复正常状态。
而后，低选器选中温度控制器，是因为随着系统内的炉温增高，其输出减少。
此时，发出降低燃料量这个命令的是温度控制器，它决定燃料流量控制器的设定量。
因燃料量根据命令减少，所以高选器HS选中了变送器测得的信号，此信号就是空气流量控制器的设定值，发出降低空气量的命令。
待此降量过程满足IT=I1=I2，该系统恢复正常状态。
通过以上操作即可满足提量时先提空气后燃料，降量时先将燃料后空气的要求[4]。
2.2.3炉膛压力控制系统
单回路反馈控制系统又称为单回路控制系统。
就所有的反馈控制系统而言，结构最简单、最基本的控制系统就是单回路反馈控制系统，又名简单控制系统。
尽管单回路控制系统结构简单，但它仍可以解决许多控制问题。
而在生产过程控制中，使用最广的一种生产过程控制系统就是单回路控制系统[5]。
图2.2单交叉限幅控制的检测流程图
一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器，这四个基本部分构成了单回路控制系统。
通过控制烟道百叶窗的开度间接的控制炉膛压力大小，这样炉膛压力的控制就得到了解决。
2.2.4煤气总管、空气总管压力控制系统
煤气配比不同，所给空气量不同，也会得到不同的燃烧效果。
煤气和空气压力的控制也都是单回路控制系统。
通过变送器所测的实际值与设定值比较，偏差信号经PID运算后送到煤气和空气的调节阀调整到适当位置，就完成了加热炉煤气、空气压力的控制。
3加热炉压力控制系统的设计
3.1加热炉压力对生产的影响
出于确保燃烧空气和气体压力保持稳定燃烧并顺利进行的考虑，必须控制煤气压力和空气压力。
炉膛压力选择过高、过低都是不恰当的，过高，炉门会发生喷火，并有可能会损坏炉体或设备；
过低，炉内可能会吸进冷空气，进而对加热炉的燃烧质量和效果造成一定的影响[6]，并增加钢坯的氧化烧损，影响经济效益。
3.2加热炉控制系统构成
加热炉控制系统采用分级控制的结构，其构成如图3.1所示。
图3.1加热炉控制系统结构图
加热炉控制系统是用计算机通过以太网连接下位机PLC，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取现场过程变量及设备状态数据，对生产过程进行实时控制。
上位机运行用组态软件设计的监控画面，对加热炉生产过程及控制系统进行监控，以保证加热炉正常运行。
3.3加热炉压力控制系统设计
3.3.1助燃空气压力控制系统
确保喷嘴正常工作的一个重要条件就是有效地控制燃烧空气压力的大小。
采用单回路控制系统，燃烧空气压力调节器选用PID调节器。
当设定值与反馈值出现偏差时，PID调节起作用，并确保在最短的时间内使其达到最小。
若给定值大于反馈值，偏差信号经PID运算后输出，阀门随之关小，接着压力开始下降；
反之，当给定值小于反馈值时，偏差信号经PID运算后，阀门随之开大，接着压力开始升高。
3.3.2煤气压力控制
从安全方面着手，煤气和空气发生低压现象，气体压力控制阀会有意外。
因此，从燃气和空气的主要管道上，都配备了两个低电压开关，热交换器前后，也分别配备了一个。
任何低电压开关发生动作，都将会使煤气主切断阀进行自动关闭动作，然后停炉，以保证加热炉的安全。
3.3.3炉膛压力控制
影响炉膛压力的最主要的因素是高炉内气体的具体流动状况，但直接影响气体的具体流动状况的是烟道窗口的开度大小。
单回路控制系统是本设计方案的控制策略，改变烟道窗口的大小，进而控制烟囱的吸力和炉膛的压力，而炉压的检测点的具体位置是在均热段炉顶出料上方。
本设计的炉膛压力、煤气总管压力和空气总管压力均为单回路控制系统，其方框图如图3.1所示。
图3.2炉膛压力控制系统方框图
3.3.4压力检测元件的选择
压力检测的方法虽然有很多，但是按照转换原理和敏感元件特性的不同，一般可将其分为四类，包括：
弹性式压力检测、液柱式压力检测、活塞式压力检测和电气式压力检测[7]。
考虑到加热炉的工艺，检测炉膛压力时，用弹性式压力检测是不错的选择。
弹性式压力检测是指压力敏感元件的弹性元件将压力转换成弹性元件位移的原理而进行检测的一种检测方法。
弹性元件所受压力超过其弹性限度后，将会发生变形，而此变形的大小又与被测量的压力存在正比的关系。
波纹管、膜片和弹簧管是目前常用的压力检测弹性元件。
弹簧管不仅能用适当的转换器件将其自由端的位移转换成电信号后进行输出，而且可以使用传动机构进行被测压力的直接指示。
在此设计中，压力变送器和弹簧管压力表的组合对炉膛压力进行检测，而弹簧管压力表属于指示型仪表的一种，不仅使用便捷、价格低廉、结构简单，而且其测量范围非常广，可对低压、微压、中压、高压和负压等进行测量，由此可见其测量范围之宽广。
弹簧管压力表的最高精度等级是0.15级，以满足制造要求。
因为炉膛压力必须满足5～20KPa的控制要求，而煤气总管压力范围为30～150KPa以及空气总管压力范围为20～130KPa。
因此，本设计选用弹簧管压力表和压力变送器的组合。
3.3.5执行器的选择
调节器的控制信号由执行器进行接收，再经执行机构把它转换为对应的直线位移或角位移，进而对调节阀进行操作，将控制变量改变后，使控制参数满足原先预想的要求。
执行机构和调节机构二者构成了执行器。
执行机构就是产生位移或推力的装置，调节机构就是可以对能量或物料输送量直接进行改变的装置。
执行机构包括电动执行机构、气动执行机构和液动执行机构，而执行机构的选择就是从以上三者中进行选择的。
执行机构的选择不仅需要考虑以下几点，包括经济效益、控制精度和现场状况，还需要满足介质和能源的工艺要求。
气动执行机构的优点是工作可靠、价格低廉、结构简单、维护便捷，还可以预防火灾和爆炸。
本设计之所以使用气动执行器，是因为焦炉煤气极其容易燃烧、爆炸。
气动执行器不但使用便捷，成本降低，还能对煤气的燃烧和爆炸进行有效地预防，以减少意外事故发生的概率[8]。
来自电/气转换器的输出气压信号被气动执行机构接收，然后把它转换成对应的推杆直线位移，实现对调节机构的推动。
压缩空气是气动执行机构的动力源泉，来自调节器的输出信号被气动执行机构接收，由膜片或气缸对阀门连杆动作进行驱动，进而对被控介质的流量进行调节，最终把被控变量控制在此系统允许的范围里。
活塞式和薄膜式是气动执行机构的两种形式，而薄膜式中最常见的就是气动执行机构，能够直接对阀杆进行驱动，价格低廉、结构简单、输出行程偏小是气动执行机构的特点[9]。
活塞式因其行程长，所以只能用于有特殊需要的场合，但其缺点是价格昂贵。
本设计的执行机构是属于薄膜式的气动执行机构。
被控介质在生产过程中的特性存在很大区别，有的是高粘度的，有的是强腐蚀的，还有的是高压的；
有的流量是合流，有的流量是分流，且流量大小各不相同，所以流体的流动状态也都不一样。
所以其结构形式的选取不仅需要考虑流体的流动状态、被控介质的特点、过程控制的要求和工艺要求，还需要考虑阀门的结构特点及其经济性和合理性。
调节机构又名调节阀，它无异于普通阀门，是一个可以改变局部阻力的节流元件。
随着阀芯在阀体内的位置发生变化，阀座和阀芯间的流通面积也发生了改变，也就是阀的阻力系数发生了变化，与此同时，被控介质的流量也发生了改变，最后实现对工艺变量进行调节的目标。
调节阀的结构形式因不同的使用要求而有很多种，下面介绍主要的几种:
角形阀、直通单座阀、三通阀、直通双座阀、套筒阀、高压阀、偏心旋转阀、蝶阀。
角形阀因其阻力小，流路简单，且阀体呈现直角形，所以常被用于高粘度、高差压、有颗粒或悬浮物物料流量控制的场合。
调节阀使用底进侧出的方式会获得很好的稳定性。
出于考虑阀芯使用寿命长久的考虑，高压场合时调节阀使用侧进底出的方式会获得良好的稳定性。
此设计的全部空气阀和煤气阀使用的都是角形阀。
烟道百叶窗挡板利用转轴的旋转达到控制流体流量的目的。
挡板轴、挡板、轴封和阀体共同构成烟道窗口的挡板。
因其成本微小、结构紧密，且流通能力大的特性被应用在大流量、大口径、低差压，且存在悬浮物流体的场合，但泄漏量偏大是其缺点。
因本设计的控制炉膛压力的烟道百叶窗压差小，口径大，流通量大，且存在一定的泄漏量对炉压控制影响较小，所以选用烟道百叶窗。
控制系统的执行部件就是控制阀，控制器发出的命令被控制阀接收并执行。
直接影响控制作用好坏的因素是看控制阀的选择是否适当。
所以，就控制阀的选择，一定要慎重。
控制阀接收气压信号，随着输入压力的变大，控制阀的开度也变大，这
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