基于蓄热式加热炉PLC控制系统设计.doc
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辽宁科技大学本科生毕业设计第36页
蓄热式加热炉PLC控制系统设计
摘要
能源危机日益加深，因此对节能的研究便成为世界各国关注的主要课题。
蓄热式加热炉是应运而生的一种新型加热炉，它采用高温空气燃烧技术，大大提高了热回收率，节能环保。
加热炉是冶金企业最主要的耗能设备，其自动控制策略是过程控制领域内的一个重要研究方向。
现在我国许多钢铁企业中的加热炉还没有实现自动控制，存在着大量的人工操作，而蓄热式加热炉必须采用高频换向阀，频繁换向控制，人工手动操作显然是不切合实际的，所以对自动控制的要求也相应提高。
如何按照工艺的要求并实现自动控制且达到良好的控制效果也是十分关键的。
PLC作为新一代的工业控制装置，已经在电气控制系统中得到普遍应用。
它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序和定时的功能，并且可靠性高。
本文根据蓄热式均热炉的工艺流程和工艺要求，详细阐述了对蓄热式均热炉炉温控制系统的设计过程，结合PLC控制技术实现自动控制且达到良好的控制效果。
关键词：
蓄热炉；PLC控制；ProTool监控
RegenerativefurnacePLCcontrolsystemdesign
Abstract
Theenergycrisisdeepening,thereforetheresearchofenergyconservationandbecometheworldattentionthemainissue.Regenerativefurnaceismadeofanewtypeofheatingfurnace,itusethehightemperatureaircombustiontechnology,greatlyimprovingtheheatrecovery,energyconservationandenvironmentalprotection.Heatingfurnaceisthemainmetallurgicalenterpriseenergyequipment,theautomaticcontrolstrategyistheprocesscontrolintheareaofanimportantresearchdirection.NowChina'smanysteelenterprisesintheheatingfurnaceisnotimplementedautomaticcontrol,thereisalotofmanualoperation,andregenerativefurnacemustadopthigh-frequency,frequentcommutationofthedirectionalcontrolvalvecontrol,manualoperationapparentlyisnotpractical,soforautomaticcontrolrequirementsalsoincrease.Howtoprocessrequirementsandtherealizationofautomaticcontrolandachievegoodcontroleffectalsoisveryimportant.PLCasanewgenerationofindustrialcontroldevice,inelectriccontrolsystemhasbeenusedwidely.Itcannotonlyrealizecomplexlogiccontrol,stillcanperformavarietyoforderandthetimingofthefunction,andhighreliability.Inthispaper,accordingtotheequal-heatingstoveregenerativeprocessandtechnology,thispaperexpoundstherequirementsofregenerativefurnacetemperaturecontrolsystemoftheequal-heatingstove,thedesignprocessofPLCcontroltechnology,combinedwiththerealizationofautomaticcontrolandachievegoodcontroleffect
Keywords：
regenerativefurnace；PLCcontrol；ProToolmonitoring
目录
1绪论 1
1.1均热炉简介 1
1.2蓄热式均热炉工艺 2
1.2.1高温空气燃烧技术简介 2
1.2.2蓄热式均热炉工作原理 4
1.3国内外对加热炉控制研究现状 5
1.3.1国外研究现状 5
1.3.2国内研究现状 6
1.4蓄热式均热炉控制的关键问题 8
2可编程控制器的原理及应用 9
2.1PLC的基本构成 9
2.2PLC的工作原理 9
2.3西门子PLC和S7-300简介 10
2.3.1西门子PLC简介 10
2.3.2S7-300简介 11
3控制方案制定 13
3.1压力控制系统方案确立 13
3.2换向控制系统方案确立 14
3.2.1换向系统概述 14
3.2.2换向控制功能 15
3.2.3换向装置空转状态 15
3.3本章小结 16
4蓄热式均热炉控制系统软硬件配置 17
4.1控制系统硬件配置 17
4.2人机界面监控系统 18
4.2.1监控软件ProTool简介 18
4.2.2监控系统的基本功能 19
4.3下位PLC系统 21
4.4本章小结 22
5PLC控制系统 23
5.1PLC的编程语言 23
5.1.1PLC的编程方法 23
5.2人机界面监控系统 24
5.2.1炉膛温度控制运行结果及分析 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
1绪论
随着世界人口的不断增长以及国民经济的迅速发展，能源危机日益加深。
在1973年发生一次石油危机以后，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。
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有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。
现代的轧机正向连续、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，从而也对加热过程的控制提出了更高的要求。
自70年代中期以来，各先进工业国开始对各种燃烧设备的自动控制进行了广泛深入的研究。
加热炉是轧钢生产能源消耗的主要设备，在保证轧钢产品质量的同时，如何降低加热炉的燃料消耗和减少环境污染，是钢铁企业研究的重要课题之一。
加热炉燃烧过程控制技术在国内外都得到了广泛的重视。
蓄热式加热炉采用20世纪80年代新兴的节能环保燃烧技术——高温空气燃烧技术，是加热炉发展的趋势。
目前加热炉燃烧过程普遍存在的能耗高、温度控制精度差、自动化程度低等问题。
本论文以蓄热式均热炉为例，对蓄热式均热炉按照温度设定曲线烘烤控制、炉膛压力控制、换向过程控制等方面进行深入研究，实现了所有燃烧过程的全自动化控制。
1.1均热炉简介
初轧是钢铁工业的一个重要环节。
炼钢浇注的钢锭大部分经初轧、开坯后才能轧制成材，而钢锭必须经过均热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往初轧机进行轧制，它在间歇性的炼钢生产变为连续性初轧生产之间起缓冲、平衡作用。
均热炉是初轧厂中钢锭加热用的设备，它将冷、热钢锭加热到轧制要求的温度，并使其温度均匀。
均热炉操作直接影响到钢坯的产量、质量和成本。
为了充分发挥初轧机的生产能力，有必要增强对均热炉的控制。
均热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济地燃烧。
当均热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，采用何种合理有效的控制手段，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内。
1.2蓄热式均热炉工艺
众所周知，用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术，但由于其换向阀结构复杂、体积庞大、控制系统不可靠、换向时间长、效率比较低，因此没有得到重视。
20世纪70年代的能源危机后，节能工作开始得到各个国家的重视，加之科学技术的不断进步，出现了结构简单、控制方便、可靠性强的换向系统。
蓄热式均热炉采用现代燃烧技术，即高温空气燃烧技术，具有节能、环保、降耗、提高钢坯质量等优点，是均热炉发展的趋势。
1.2.1高温空气燃烧技术简介
高温空气燃烧技术（HighTemperatureAirCombustion，简称HTAC）是20世纪90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。
它是将高温空气喷入炉膛，维持低氧状态，同时将燃料输送到气流中产生燃烧。
空气温度预热到800℃～1000℃以上，燃烧区空气含氧量在2%～4%，与传统燃烧过程相比，高温空气燃烧的最大特点是节省燃料，减少CO2和NOx的排放，降低燃烧噪音，被誉为21世纪关键技术之一。
这项技术所产生的节能和环保的效果是划时代的，被国际权威专家誉为今后五十年内没有超越它的节能环保技术。
工业炉窑是热加工生产的主要设备之一，也是能源消耗大户。
多年来，工程技术人员一直在炉体结构、燃烧器、回收烟气余热、优化加热工艺、控制技术和管理及采用新型保温材料等方面寻求各种节能措施，以提高炉子的热效率。
从炉窑热平衡分析可以得知：
高温烟气带走的热量占各种燃料炉供给总热量的30%～50%。
1858年，WilliamSiemens发明了蓄热室。
由于蓄热室可以将空气预热至较高温度，所以许多炉子都改用了蓄热室，如高炉、平炉和均热炉等。
蓄热室的发展经历了“传统蓄热室-填充球蓄热室-蜂窝体蓄热室”的过程。
到目前为止，根据蓄热体的形状划分，蓄热室主要有三种形式，如图1.1所示。
（1）格子砖蓄热室
格子砖蓄热室（图1.1a）虽然能将气体预热到很高的温度，并且余热回收率甚至可达到60%～80，但由于采用的格子砖蓄热体的单位体积换热面积比较小，同时需要的换向时间也很长。
除此之外被预热气体的温度波动较大，建造这样的蓄热室需要的费用也较大，因此这种蓄热室一般只用于大型的高炉上，对较小的设备显然是很不经济的。
由于上述诸多原因，该种蓄热室技术没有得到大面积的推广应用。
（a）格子砖蓄热室（b）陶瓷球蓄热室（c）蜂窝体蓄热室
图1.1三种蓄热形式
（2）陶瓷球蓄热室
1982年英国的BritishGas公司和HotWork公司开发出了世界上第一套蓄热式陶瓷燃烧器（RegenerativeCeramicBurner，简称RCB），并将其成功地用于玻璃窑炉上，取得了显著的节能、增产效果。
随后，美国的北美制造公司（NorthAmericanManufacturingCompany）购买了RCB的生产专利，并迅速将其用于轧钢加热炉、热处理炉、锻造炉、铝熔化炉及钢包加热等场合。
这一时期，用于烟气余热回收的蓄热室使用的蓄热体是直径为15mm左右的氧化铝陶瓷球（图1.1b）。
这种蓄热式燃烧器总是成对出现，烧嘴的换向时间为40秒～90秒。
氧化铝陶瓷球在材质、结构、换热面积等方面有了重大的技术性的进步，增加了单位体积的换热面积，助燃空气预热温度一般可达1000℃以上，燃料节约率达到40%～50%。
事物总是相对的，有利必有弊，由于空气预热温度提高了燃烧空间的温度，燃烧产物中NO的浓度提高达到300ppm～500ppm。
后来人们也把这一时期的蓄热式燃烧技术称为“第一代蓄热式燃烧技术”。
（3）蜂窝体蓄热室
20世纪90年代初日本政府出资150亿日元，组织科研院所和生产企业开展“高效工业炉开发”的研究。
日本学者田中良一等人提出高温空气燃烧HTAC的概念。
高温空气燃烧技术，在欧洲称为无焰燃烧（FlamelessCombustion）技术，是一种新型燃料工业规模应用技术，其基础是在高温和稀薄氧气气氛下燃烧。
其核心是用陶瓷蜂窝体（图1.1c）代替陶瓷球作为蓄热体，缩短换向时间至25秒～50秒，采用炉内烟气再循环或两段燃烧方式，降低燃烧空间中氧气的浓度，创造低氧条件，以降低烟气中NOx的含量，高温空气燃烧技术也被称为“第二代蓄热式燃烧技术”。
与第一代蓄热式燃烧技术相比，HTAC技术可最大限度地回收高温烟气的热量，其烟气的余热回收率达到85%以上，热效率大大提高。
同时通过将燃烧区的空气中氧含量由21%降到2%～4%,避免了高温空气燃烧中NOx的大量生成。
交替换向时间的缩短使炉内温度分布更加均匀，提高了产品的加热质量。
陶瓷蜂窝体比陶瓷球有更大的单位体积换热面积、更有效流通截面积，使得蓄热式燃烧器体积大大缩小，便于安装应用。
1.2.2蓄热式均热炉工作原理
蓄热式燃烧器是一对带蓄热体的烧嘴（蓄热体可与烧嘴布置为一体，也可置于蓄热室内与烧嘴分开），该烧嘴在自动换向系统的控制下，可实现精确的定时定温换向工作。
烧嘴必须成对出现，并排安装在炉窑上。
工作时，一个烧嘴燃烧，另一个烧嘴充当烟气的回收装置，其工作原理如图1.2。
如图中模式a，现在是A侧鼓风进空气，B侧引风排烟的工作状态。
炉膛内热烟气由引风机抽出，通过B侧蓄热体时将热量储存在蓄热体内，然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀由排烟管道排出；同时，来自鼓风机的常温助燃空气由换向阀进入A侧通道，通过蓄热体时迅速被加热，在极短时间内达到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80%～90%）；煤气由通断阀向稀薄高温空气附近注入，在贫氧状态下实现燃烧。
当B侧的蓄热体储存一定热量后，通过程序控制换向阀自动
换向变为模式b，常温助燃空气变为由B侧通道经蓄热体进入，热烟气从A侧通道排出，如此循环，两个蓄热体自动进行蓄热与放热状态的切换，从而达到节能和环保的目的。
（a）模式a
（b）模式b
图1.2高温低氧空气燃烧的工作原理
1.3国内外对加热炉控制研究现状
加热炉自动控制主要集中在常规燃烧控制上，其直接的目标是获得较为稳定的炉子工况及追求最佳燃烧，其基本任务是：
提高加热炉各段炉温的控制精度，获得满足开轧所要求的钢坏温度，同时保证经济地燃烧和安全地运行。
1.3.1国外研究现状
国际上，在70年代以前，关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在燃烧过程控制上。
如加热炉各主要过程变量的定值控制，炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等，也就是处在控制过程基础自动化控制层次上。
70年代以后，国际上对加热炉的最优控制进行了广泛的研究，并且随着计算机技术的发展，加热炉的计算机技术进入实用化阶段，控制研究的重点转移到以追求某种性能指标的优化控制方面，炉内加热过程的数学模型被广泛的应用在计算机控制上。
欧美、日本、俄罗斯等国相继开发了钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等功能的优化控制系统。
近年来，一些带有整个生产物料跟踪的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也逐渐深入和提高，标志着加热炉的控制己经进入自动控制的第三层次水平。
1.3.2国内研究现状
与工业发达的国家相比，我国国内的加热炉计算机控制起步较晚，从80年代初才开始这方面的研究工作，并且发展并不平衡。
据统计，目前我国拥有的加热炉中，很多表1.1加热炉控制在国外应用的现状
国家及厂名
所用机型
应用现状
美国Dofasco公司
1级：
PLC控制器
HoneywellTDC23000
2级：
DECVAX8350
空燃比控制、炉温控制、坯料跟踪、钢温预报、炉温设定值调节、待轧策略、加热炉步进速率控制、设备诊断、加热炉各区段热量平衡、系统报警、记录和报告
新西兰Hoogovens公司
PDP11-40计算机
采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制、推钢速率控制、直接燃料控制
美国YamatakeHoneywell公司
TDC3000BASIC系统
步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统，具有过程控制、作业顺序管理、钢坯跟踪及生产管理功能
美国Conshohochen厂
DECMICROVAXII
空燃比控制、炉压控制、空气压力控制、热风放散控制、坯料跟踪、设定值选择、生产调度模型、加热炉温度模型
的钢铁企业中的加热炉还没有实现计算机控制，存在着大量的人工操作。
有些企业配有较先进的计算机，但只是用计算机代替常规的仪表，做一些简单的PID调节，计算机的功能并没有充分的利用，控制效果并不理想；另外一个普遍存在的问题是由于受到一些干扰因素的影响，控制系统运行不稳定。
蓄热式加热炉是近几年来发展起来的一种新型的加热炉，中国自20世纪80年代开始有国外译文介绍。
80年代中后期国内热工界也开始研究新型蓄热式技术，建立了专门的陶瓷球蓄热式实验装置。
东北大学、北京科技大学、机械部第五设计研究院、冶金部鞍山热能研究院等对此技术都有研究，但是工业应用很少。
1998年9月萍乡钢铁有限责任公司首次和大连北岛能源技术有限公司合作采用蓄热式燃烧技术进行轧钢连续式加热炉燃烧的开发研究，并率先在萍钢棒材公司轧钢加热炉上应用，在国内首次实现了蓄热式技术在连续式轧钢加热炉上的应用。
此炉作为国内第一座蓄热式轧钢加热炉，尽管在许多方面还不尽人意，但为国内蓄热式燃烧技术在冶金行业连续式加热炉的应用上开辟了先河；此后，国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究并在国内的推广应用，蓄热式燃烧技术逐渐成熟。
现有的加热炉中，大多数蓄热式加热炉都采取集中换向或分段集中换向，这种换向方式的缺点是造成燃料流量和空气流量的很大波动，由于这个原因，现在国内只有少数的蓄热式加热炉能够实现计算机自动控制。
表1.2加热炉控制在国内应用的现状
厂名
所用机型
应用现状
首钢初轧厂
TK280
炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制
太钢初轧厂
TI565机
煤气、空气流量以及炉压的PID控制、自寻优及专家控制算法、温度检测及越限报警
大钢初轧分厂
M6809
油风自动配比、残氧闭环控制、炉温炉压控制
马钢初轧厂
TMC280
残氧闭环控制、按加热曲线烧钢
表1.1和表1.2分别介绍了国内、外加热炉自动控制应用的现状。
提高蓄热式加热炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于工艺的改造、更新以及计算机系统资源的先进性，更该充分重视从加热炉生产过程的具体实际出发，采用合理的控制策略和先进的控制技术，设计能够更好地适应加热炉复杂多变工况的控制系统，使加热炉安全、稳定、高效、节能的运行。
1.4蓄热式均热炉控制的关键问题
蓄热式均热炉控制中有几个关键问题：
1）对均热炉的炉膛温度控制，这是最重要的。
对于不同材质的钢坯必须按照不同的升温曲线进行钢坯的烘烤。
因为如果温度过低，达不到轧制工艺的质量要求;温度过高则也会带来一些不良的后果，如钢过热时钢的品粒增大，使钢的机械性能下降，加工时容易产生裂纹等。
2）对炉压的控制，必须保证炉膛压力为微正压。
如果压力过高，则会在炉盖缝隙处向外窜火，不仅浪费能源，而且易烧坏炉盖和沙封刀。
如果压力过低，则会在炉子缝隙处吸入大量的冷空气，这必然降低炉温，又使加热时间延长，浪费了大量的能源。
3）换向控制策略的选择。
蓄热式燃烧技术得以实现，关键在换向控制。
换向控制策略则关系到均热炉整体运行效果，也关系到燃料的能耗，还有换向阀和蓄热体的使用寿命。
如何解决上述几个关键问题影响到蓄热式均热炉控制系统控制效果的好坏。
2可编程控制器的原理及应用
2.1PLC的基本构成
可编程控制器（ProgrammableLogicalController，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。
它主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口，电源及外设接口与扩展接口组成，如下图2.1所示。
图2.1PLC的基本构成图
2.2PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。
即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。
如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
周而复始。
2.3西门子PLC和S7-300简介
2.3.1西门子PLC简介
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括SIMATICS7、M7和C7等几大系列。
（1）S7系列
S7系列是传统意义的PLC产品，是SIMATIC自动控制系统的关键部件。
其中的S7-200是针对低性能要求的紧凑的微型PLC，其编程软件为STEP7-Micro/WIN。
S7-300是针对中等性能要求的模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。
S7-400是用于高性能要求的模块式大型PLC，可以扩展300多个模块。
S7-200/300/400可以接入MPI（多点接口）、PROFIBUS和工业以太网等通信网络。
S7-200/300/400、M7、C7和WinAC均用STEP7编程和组态。
（2）M7系列
SIMATICM7-300/400PLC采用与S7-300/400形同的结构，其显著特点是具有AT兼容计算机的功能，可以用C、C++或CFC（连续功能图）这类高级语言来编程。
M7适合于需要处理的数据量大，对数据管理、显示和实时性有较高要求的系统使用。
（3）C7系列
SIMATICC7由紧凑型CPUS7-31xC、OP（操作员面板）、I/O、通信和过程监控系统组成，整个产品结构紧凑，具有很高的性能价格比。
C7-635和C7-636最多可以扩展3个S7-300的机架，集成的DP接口可以作DP主站或DP从站。
C7用WinCCflexible组态过程显示、信息文本和配方等
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