钢坯加热毕业设计论文.docx

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钢坯加热毕业设计论文

板坯加热保温系统微机控制的实现

摘要

步进式加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备，钢坯温度的控制设计和步进梁自动控制水平直接影响到能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。

为了实现高效节能、减少污染的目标，轧钢加热炉将向自动化和计算机控制方向进一步发展。

西门子S7-300编程软件STEP-7提供了很好的软件开发平台。

STEP-7具有的功能有：

硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、运行和诊断的功，体现了微机自动控制的特点。

WinCCV6.0能对数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可使在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是很好的生产实时数据平台软件

本文对类似的工业过程计算机控制设计进行了借鉴。

论述了在STEP-7平台下，如何对板坯加热这个复杂的工业系统进微机控制。

文章从分析国内外加热炉计算机控制系统研究和应用现状着手，对加热炉的板坯加热部分的主要设备步进梁、温度控制系统的工艺流程、控制系统组成及控制原理进行了分析，根据上述分析利用西门子S7-300编程软件STEP-7完成了PLC程序的整体设计。

根据加热炉板坯加热部分的主要设备步进梁、温度控制系统的工艺流程特点，在WinCC环境下，组态了步进梁、温度控制的监控画面。

最后一章对全文进行了总结。

关键词：

步进式加热炉，PLC，WinCC，监控系统

TheDesignandApplicationofComputerControlSystemforslabheatingsystem

Abstract

Sincereheatingfurnaceisthekeyandenergy-consumingfacilityinthesteel-rollingproductionlineintheironandsteelindustry,theoptimumdesignofthetemperatureofbilletsteelsandtheautomationcontroldegreeofthereheatingfurnacewillinfluencesuchtargetsasenergyconsumption,steelscraprate,steeloutput,productqualityandsoondirectly.Toachievehigherefficiencywithlessenergyandtolessenpollutionaswell,reheatingfurnaceusedinthesteelrollingwillbeimprovedtowardsautomationandcomputerizedcontrol..SiemensS7-300programmingsoftwareSTEP-7providedagoodplatformforsoftwaredevelopment.STEP-7hasthefunction:

Hardwareconfigurationandparametersetting,communication,configuration,programming,testing,operationanddiagnosisofpower,reflectsthecharacteristicsofcomputerautomaticcontrol.WinCCV6.0productiondatabasetoarchivedata,atthesametimeWebbrowserfeatures,canbeseenintheofficeofthedynamicscreenproductionprocessestobetterproductionschedulingcommand,isaverygoodplatformfortheproductionofreal-timedatasoftware.

Similaringtocomputercontrolofindustrialprocessfromdesign,thepaperhasdiscussedhowtocontroltheheatingoftheslabindustrialcomplexintothecomputercontrolsystem.,whichisacomplicatedindustrialsystem,withcomputersintheSTEP-7platform.

Thepaperhasstartedwiththeanalysistocomputer-controlledfurnaceathomeandabroadandtheapplicationofsystematicresearchtoproceed,whichhascoveredthecontrolelementsandcharacteristicsofthemainfacilitiessuchas,thewalkingbeamequipment,andcombustionprocesscontrolsystem.Andthenonthebasisoftheanalysisabove,theentiredesignofPLCprogrammeshasbeenfinishedwithS7-300programmesoftware-STEP-7.AccordingtothecombustionprocesssystemcharacteristicsoftheSlabheatingfurnaceinaccordancewiththemianpartoftheSlabheatingfurnaceinaccordancewiththemainpartofthewalkingbeamequipmentandthecombustionprocesscontrolsystem,thechapter4hasconfiguratedthewalkingbeamandcombustioncontrolmonitorscreenintheWinCCcircumstance.Thelastchapterhasmadeaconclsiontothewholepaper.

Keywords:

walking-beamfurnace,PLC,WinCC,MonitoringandControlSystem

第一章绪论

1.1加热炉概述

轧钢工业的加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备，在轧钢工艺中，加热、储藏钢坯，并结配合轧制生产线，对钢坯的轧制起缓冲作用。

其炉型一般有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、产量低、烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，钢坯断面温差较大，钢坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自动化。

由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送钢坯，钢坯之间可以留出空隙，钢坯和步进梁之间没有摩擦，出炉钢坯通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料，钢坯加热断面温差小、加热均匀以及可出空炉料，炉长不受限制，产量高、生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。

为了对钢坯实现有效的加热，步进式加热炉沿炉长方向分为:

预热段、加热段、均热段和保温段，如图1.1所示。

有的步进式加热炉加热段分为加热一段和加热二段。

预热段长度较长，可以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。

保温段对钢坯起保温及其对钢坯的轧制起缓冲作用。

如果钢坯温度达不到轧制要求，则会出现难轧、轧不动现象，极易损坏轧制设备；相反，如果钢坯温度过高，则出现钢坯表面过度氧化，同时也浪费了大量能源，所以钢坯的温度控制对钢铁行业的节能增效有很大的作用。

1.2国内外加热炉计算机控制系统研究和应用现状

1.2.1国外加热炉计算机控制系统研究和应用现状

1967年4月，由美国米兰德公司设计的世界上第一台步进梁式加热炉问世，接着日本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的世界第二座步进梁式加热炉于同年5月投产。

上世纪70年代末期，工业发达国家的大型连续加热炉的计算机控制己进入实用阶段，但就其控制策略而言，主要还局限于温度控制。

近二十多年来，国际上对加热炉的模型化及计算机最优控制的研究不断深入，到目前为止，已经取得了很多成果，并且工业发达国家的大型连续加热炉大多数已经利用这些成果实现了加热炉的模型化最优控制，获得了巨大的经济效益。

例如:

瑞典ABB公司与荷兰HOOGOVENS钢铁公司的研究部门合作，成功地研制了加热炉过程在线模型，此模型实现加热炉最佳曲线的计算和优化控制，并已成功地应用于瑞典的SSAB公司DOMNARVET厂的9段加热炉，对加热炉实现计算机优化控制后，使粗轧机出口温度目标值的准确度达到士10℃，与常规作业相比节约燃料6.1%[3];法国STE创~HEU卫TEY公司开发的最佳加热、热状态模型、出炉钢坯温降模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优控制系统，解决了当装炉钢坯品种规格变化大或轧线出现计划、非计划生产停顿时，精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题，并在该公司及其后设计的加热炉中得到广泛的应用4]I;美国LUK卫NS钢铁公司CONHOHOCHEN厂两台板材轧机的推钢式加热炉配置了一套计算机控制系统，此控制系统由加热炉计算机、生产调度计算机组成局部网络，加热炉计算机采用DECMCIROVAXll以监控两个炉子的加热过程，第一级控制系统实现加热炉各个区的空燃比、炉压、空气压力和热风放散等控制，并实现包括燃料选择在内的全部逻辑功能，系统软件由钢坯跟踪程序、加热炉温度模型程序、设定值选择程序和生产调度模型程序组成，该系统成功的关键是实时温度模型程序，此温度模型是一维热传导机理模型;美国hlinadS80一ni热轧厂的两座钢坯加热步进式加热炉实现了以在线数学模型为基础的监督控制系统，可实时预测钢坯温度、调整炉温设定值、调整步进机构的步进速率，使预测钢温接近目标值且一定程度减少能耗，该热轧厂的钢坯加热控制系统是美国加热炉控制领域中第一家实现完全自动化的系统，是今后加热炉自动化改造的典范，据其统计，每年可以节约400万美元[6l;、乞matkae一Hnoewyell公司采用TDc3000BAslc系统构成多种钢坯混合的步进辐射式加热炉的全自动温度控制系统，根据炉子产量、装炉钢坯温度以及钢坯跟踪信号进行各加热区的自动炉温优化设定[7]。

近年来，国外人工智能和发展的实用化，特别是模糊控制和专家系统取得成功，已用于加热炉控制中，如日本川崎钢铁的加热炉控制系统。

1.22国内加热炉计算机控制系统研究和应用现状

我国从80年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。

就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉700多座。

有些加热炉可达到国外90年代水平，但发展极不平衡，先进与落后差距很大。

目前，国内大多数加热炉的计算机控制水平很低，虽然引进了一些先进的控制系统和设备，但绝大部分加热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，且仅局限于以温度控制技术为基础，绝大部分未能实现模型化控制，甚至还有少数加热炉由人工操作，其加热质量和能耗相距甚远。

近几年来，随着学科交叉的日益深入、计算机科学的不断发展和现代控制理论的逐渐成熟，国内对加热炉自动控制的研究越来越活跃起来，并且取得了一些进展。

例如:

陈永、张卫军、陈海耿以能量平衡和热传导方程为基础，建立较为严密的炉子简化模型，使燃料消耗这个目标量与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线;为充分减少加热炉工况、运行条件和环境等变化因素对加热炉描写精确化带来的不利影响，梁军引入模型在线辨识机制，推导了一个具有在线校正功能的离散化模型，并在此基础上，运用了广义最小方差控制原理设计相应的自校正控制算法;杨宗山、陆宗武以热平衡原理为理论基础，建立加热炉的机理数学模型，直接以加热炉各段燃料消耗为目标，实现加热炉各段燃料的最小化，并且根据所得模型，按照炉内加热耗能最小的原则，实现了最优递阶计算机控制。

虽然加热炉数学模型目前己取得了一些研究成果，但还有许多的工作可做，如何有效地把加热炉的工艺特点和实验数据结合起来形成一种工艺模型，并利用机理模型和热平衡计算来修正该模型将成为今后数学模型的一个重要研究领域。

在加热炉模型化研究的同时，计算机控制应用也日趋广泛，提出了新的控制策略，控制水平有所提高，甚至有的加热炉计算机控制系统部分实现了以数学模型为主导的钢坯温度控制。

例如:

莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制系统中的热工控制由直接数字控制（DCC）和计算机监督控制S（CC）两级组成，DCC级的温度控制实现了双交叉限幅控制，并提出切除积分的4点补充条件，改善了控制效果，同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算，保证了空气消耗系数随热值同步变化，SCC级提出了考虑二维效应的一维平板模型，提高了模拟的精度，并以段法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问题，还建立了金属氧化烧损模型，对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算，有利于降低氧化烧损，实现了加热炉的优化控制;秦皇岛首钢板材有限公司加热炉计算机控制系统，避开许多难以检测的物理量及建立精确数学模型的困难，而直接根据系统中易于检测的温度、压力、流量等三种物理量，采用智能控制技术设计了智能控制器，进行系统辨识，实现了加热炉的智能和优化控制，炉子的单耗从47.68kg/t下降到33.04kg/t，氧化烧损从1.67%下降到0.96%;浙江大学的梁军将智能控制的思想和方法与自校正控制技术相结合，提出了一个基于知识和在线辨识机制的加热炉混合智能控制系统，还在此基础上，进一步研制开发成功了一套轧钢加热炉计算机集成控制系统“FURNCON”，并己应用在多个轧钢厂的加热炉中。

总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但与工业发达国家相比，差距仍

然不小。

为了提高我国加热炉控制的水平，还有大量的工作有待于进一步开展。

1.3设计主要研究内容

设计的主要研究内容包括：

1.加热炉的主要设备步进梁、温度控制系统的工艺流程、控制系统组成及控制原理。

2.通过对常规的双闭环比值温度控制系统地分析，探讨当今流行更为先进的双交叉限幅控制策略。

3.利用西门子S7-300编程软件STEP-7完成了步进梁运动控制系统、温度控制系统PLC程序的整体设计。

4.根据加热炉的主要设备步进梁、温度控制系统的工艺流程特点，在WinCC环境下，组态步进梁、温度控制系统的监控画面。

第二章步进梁和温度控制系统的工艺流程及控制原理

2.1步进梁工艺流程及原理

加热炉内的步进梁由固定梁和活动梁组成，活动梁通过上升运动把钢坯从固定梁上托起，活动梁托起钢坯前进550mm，然后活动梁下降再退回原点。

炉内板坯通过步进梁步进的矩形运动经过炉子的预热段、加热一段、加热二段、均热一段、均热二段、保温段充分加热达到轧制要求温度后运行至出料端，再由出炉辊道送到粗轧机轧制。

在液压站启动后控制油路上相应的电磁阀的开闭使液压缸动作，从而实现步进梁的升降平移控制。

步进梁的运动轨迹是一个矩形，其运动由水平运动和升降运动组成。

步进机构的水平运动是通过一台平移液压缸驱动平移框架使其在升框架的滚轮上作平移运动，此时提升缸处于静止状态，步进梁的升降运动是一套提升缸驱动提升框架使其滚轮沿斜台面滚动，完成升降运动此时平移缸处于静止状态。

本文设计的步进梁的上下升降行程为200mm水平行程为550mm步进梁运动周期为52S。

当钢坯较长时间停炉时（超过10分钟），待轧机组给出待轧10分钟以上信号时，步进梁将运行在踏步模式下，以避免板坯变形弯曲和黑印加重。

当钢坯停炉时间超过30分钟时，待轧机组给出待轧30分钟以上信号，步进梁将运行在停中位模式下。

正常生产时步进梁停在低位。

2.2步进梁工艺流程

步进梁的控制分手动控制和自动控制两种模式。

手动控制时实现步进梁的正循环，步进梁的逆循环，步进梁踏步，步进梁停中位，步进梁单步操作等控制方式；自动控制时实现步进梁的连续自动运行，步进梁踏步运行，步进梁停中位等控制。

2.2.1步进梁一周期正循环

步进梁一周期正循环的运行轨迹如图2.1所示步进梁依次作上升、前进、下降、后退从4位经123位后又回到4位完成一个步进周期当步进梁运行到00’位置时表明板坯从固定梁上抬起或落到固定梁上。

在手动方式下步进梁作手动正循环，自动状态下步进梁可以作连续的正循环。

2.2.2踏步

当待轧时间超过10分钟以后，检测到待轧机组给出待轧10分钟以上信号时，可执行踏步动作。

步进梁踏步时由4位经正循环轨迹运行到3位停留3分钟，再下降到4位再停留2分钟再上升如此反复，直到按下踏步停止按钮踏步取消，踏步运行结束。

2.2.3停中位

当待轧时间超过30分钟，当检测到待轧机组给出待轧30分钟以上信号时，在自动运行模式下会自动选择停中位模式；也可以在手动模式下选择停中位模式，在此情况下步进梁由4位运行到0位停止不动，直到按下停中位停止按钮步进梁下降到4位停中位运行结束。

2.2.4步进梁逆循环

步进梁逆循环运行条件是在手动条件下，其作用是在长时间停产时把钢坯退出加热炉。

如图2.3所示步进梁依次作前进、上升、后退、下降从4位经321位后又回到4位完成一个步进周期，如此不停的循环运动直到按下停止按钮或急停按钮为止。

2.2.5步进梁单步操作

步进梁单步操作运行在手动条件下，包括步进梁的上升、前进、下降、后退行四个操作。

步进梁上升时由4位运行到1位，碰到1位限位开关SQ1后停止此时步进梁停在1位。

步进梁前进时由1位运行到2位，碰到2位限位开关SQ2为止，前进运动停止，此时步进梁运行到2位。

步进梁下降时由2位运行到3位，碰到3位限位开关SQ3为止，此时步进梁运行到3位。

步进梁后退时由3位运行到4位，碰到4位限位开关为止，此时步进梁运到4位。

2.3温度控制工艺流程及原理

由于煤气、空气的流量控制是实现炉温控制的手段，因此它实际上从属于炉温控制回路，这一回路是保证加热炉正常燃烧和钢坯加热的最基本的回路。

通常情况下，流量控制回路是一个串级控制回路，炉温控制的输出作为其设定值，因而达到间接控制炉温的目的。

流量控制回路工作的稳定程度以及控制性能的好坏将直接取决于该回路的控制量的设定值，并将直接影响到加热炉炉温的控制情况以及钢坯的温度稳定。

本文采用红外温度传感器对加热炉每一段的炉温进行检测，选用红外温度传感器的原因是因为红外温度计同热电偶，热电阻等接触式温度计相比，具有使用寿命长，性能可靠，反应快，抗干扰能力强，不予接触物体接触等优点，且可用于移动物体，带有腐蚀性的介质以及难以接触等场合。

目前国外应用红外温度计非常广泛，但国内尚不够普遍。

随着工业生产的发展，推广使用红外温度计势在必行。

红外温度传感器的原理是具有一定温度的物体就要向外辐射能量。

通过钢坯发出的红外光来检测钢坯的温度，因此用红外温度传感器。

预热段、加热一段、加热二段、均热一段、均热二段、保温段各设置一个红外温度传感器。

其输出的4~20毫安电流传到模拟量输入模块SM331中，经模拟量输入模块SM331A/D转换成数字量。

存到相应的中间变量中用于运算或显示。

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燃气流量与空气流量进行合理配比。

本文先讨论常规的双闭环比值控制方法来保证进入炉膛的燃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基础上，增加了交叉限幅功能，可以很好地解决上述问题。

2.3.1燃气流量空气流量双闭环比值控制

加热炉燃烧过程中，当燃烧负荷较平稳时，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。

在系统中，煤气流量是主动量，空气流量是从动量。

煤气流量和空气流量双闭环比值控制系统框图如图2.3所示。

在稳定状态下，燃气流量和空气流量以一定的比值定量地进入加热炉中。

当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降负荷的时候，炉温控制器的输出一方面输入煤气流量控制器进行煤气流量的控制;另一方面经比值器后作为空气控制器的设定值。

煤气和空气双闭环比值控制开始作用:

当炉温稍稍升高时，在炉温控制器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小，同时，炉温控制器输出经比值器给空气流量的设定值也减小。

此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制器输出减小，控制煤气调节阀开度减小;同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也减小，相应地控制空气调节阀开度减小。

当炉温稍稍降低时，炉温控制器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时，炉温控制器输出经比值器给空气流量的设定值也增大。

此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制器输出增大，控制煤气调节阀开度增大;同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也增大，相应地控制空气调节阀开度增大。

综上，不论炉温稍稍升高还是稍稍降低，通过煤气流量和空气流量的双闭环比值控制，可以实现较好的动态比值特性。

2.3.2燃气流量--空气流量双交叉限幅控制

在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时若仍采用煤气流量一空气流量的双闭环比值控制将无法保证燃气与空气之间的最佳动态配比关系。

当负荷增加时，燃料系统所需的燃气流量和空气流量理论上同时上升，但由于空气管道和煤气管道的特性的不同（通常空气流量滞后的比较大），双交叉限幅使煤气流量的增加速度受到空气流量实际值的限制，即煤气流量的设定值应大于等于出现过氧燃烧的煤气流量的低限并且同时小于等于出现缺氧燃烧的煤气流量的高限（高限和低限是决定于当前的空气流量设定），这样，煤气流量的设定值的增长幅度受限，防止了缺氧燃烧现象的发生;同理，当负荷减少时，煤气流量的设定值的减少幅度受限，防止了过氧燃烧现象的发生。

综上，在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，采用双交叉限幅控制保证了燃料流量和空气流量之间的最佳配比关系。

双交叉限幅控制系统框图如图2.4所示：

其