热工炉温度和窑压自动监控系统设计.doc

河北工程大学科信学院2013届本科毕业论文（设计）论文题目：热工炉温度和窑压自动监控系统设计学生姓名： 所在院系： 科信学院所学专业：自动化导师姓名： 刘增环完成时间：2013年 5 月 20 日摘 要工业窑炉内工件加热质量的提高与燃烧控制技术有着密切的联系。目前国内普遍采用比例控制、双交叉限幅控制等连续燃烧控制形式,但往往受燃料量的测量和调节这一关键环节的制约,控制效果不佳,近年来国际上出现了脉冲燃烧控制技术,克服了这些弊端,被称为“未来工业炉控制技术的发展方向” 关键词：窑炉，脉冲燃烧控制，Design based on the PLC industrial sewage processing systemAbstractIn recent years, sewage treatment plant has already become one of the most important infrastructures in every city, and especially in small and medium-sized ones, to build and expand such plants has been on the local governments top agenda to improve peoples life. With the development and improvement of automation technique and computer technology, automation level of sewage treatment plants has also made a corresponding leap. While PLC has series of merits such as: mature technique, fine universal property, high reliability, flexible to install, convenient to expand, excellent cost performance, etc, which have enabled it gain a more and more widespread application in industrial control. This paper will mainly introduce the composition and function of the automatic control system in sewage treatment plants and several problems that may occur in the practical use of the system and the possible solutions to them. Since the transformation by employing PLC control system in sewage treatment, the reliability of automatic control has been advanced, which has not only reduced workers work intensity, but also improved the operational efficiency of the sewage treatment plants, thus has made the scientific administration of manufacturing in sewage treatment plants possible.Key words: PLC, Sewage treatment, SBR reaction目录摘要IAbstractII1 绪论2 系统总体设计12.1 总体方案2.2 电气连接图3 控制系统设计23.1 炉温控制23.2 助燃空气压力控制33.3 窑压控制43.4 点火控制53.5 空燃比控制64 系统硬件设计74.1 阀84.2 换热器94.3 传感器104. 4 plc4. 5 变频器.4. 6 点火器. 点火变压器.电动执行器4. 9 上位机5 系统软件设计105.1 plc控制程序105.2 上位机组态116通讯15结论16致谢17参考文献18281 引言普通烧嘴的调节比一般为1:4左右,当烧嘴在满负荷工作时,燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态,但当烧嘴流量接近其最小流量时,热负荷最小,燃气流速大大降低,火焰形状达不到要求,热效率急剧下降,高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时,上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃烧则不然,无论在何种情况下,烧嘴只有两种工作状态,一种是满负荷工作,另一种是小火工作,只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节,所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷,需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时,燃气喷出速度快,使周围形成负压,将大量窑内烟气吸人主燃气内,进行充分搅拌混合,延长了烟气在窑内的滞留时间,增加了烟气与制品的接触时间,从而提高了对流传热效率,另外,窑内烟气与燃气充分搅拌混合,使燃气温度与窑内烟气温度接近,提高窑内温度场的均匀性,减少高温燃气对被加热体的直接热冲击。2 控制系统总体设计总体方案窑炉分三个区，每个区由一个PID控制，每个区有三个烧嘴，运行时三个烧嘴轮流工作,未轮到的烧嘴按小火输出给定，每个烧嘴对应一个点火装置。天然气总管上设快速切断阀和自力式减压阀,正常工作时切断阀打开,自力式减压阀调节天然气总管压力使其稳定在一定范围。当天然气低压或空气低压时,切断阀自动切断。助燃空气总管配备1台变频助燃风机,通过调节风机转速来调节空气压力。在炉尾设有烟道、换热器和自然抽吸烟囱。排烟时热的烟气经过换热器排空,冷空气经过换热器预热。通过这种换热方式,可以预热冷空气,有效利用了废气的热能。在烟道上设电动调节阀,通过调节烟道闸板的开度控制炉膛压力微大于大气压力。这样,即保证炉子热量不外泄,又可阻止炉外冷空气进入炉内。回火炉每个区形成一独立的脉冲燃烧控制系统,由点火控制和大小火脉冲控制两部分组成。工艺流程图如图2所示图2助燃空气支管依次布置流量手动调节旋塞阀、脉冲空气电磁阀(天然气支管依次布置流量手动调节旋塞阀、燃气电磁阀、空气/燃气比例调节阀和手动球阀 电气连接图 点火器接线图PLC I/Ol接线图3 控制系统设计3.1 炉温控制 脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。这个系统并不调节某个区域内燃料输入的大小,而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是事先给定的,每个烧嘴按照事先给定的开度和热量需求成正比的频率开闭。燃料流量可通过压力调整预先设定,烧嘴一旦工作,就处于满负荷状态,保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时,烧嘴大火燃烧时间加长,间断时间减小;需要降温时,烧嘴大火燃烧时间减小,间断时间加长。所有的烧嘴并不同时点燃,而是按照一定的时序依次点燃。脉冲燃烧控制主要由调节单元、非线性处理单元和输出控制单元三部分组成(1)调节单元(即PLC系统)主要完成对实测温度和设定信号进行处理。调节单元通常选择PID控制,其输入和输出关系为1p(t)=kPe(t)+kIe(t)dt+kDde(t)/dt(1)调试中,要根据实际工况调节kP,kI,kD值的大小,使温度调节快速,超调量小。(2)非线性处理单元和输出控制单元(即脉冲控制器)其非线性变换关系如下1f0(t)=0p(t)D0p(t)D0p(t)D1(2)当p(t)D1时,说明系统输出偏差很大,应该将所有烧嘴打开;当D0p(t)D1时,采用脉冲时序控制,保证有较好的过渡过程和控温精度;当p(t)D0时,即进入控制盲区,系统在加热和冷却转换之间,这时控制输入视为零,不加热也不冷却。从式(2)可以进一步看出,脉冲控制的作用实际上是把传统的PID的比例、积分作用的相对强弱根据p(t)的大小不同来回改变。当p(t)较大时,相当于PID的比例作用较强;当p(t)较小时,相当于PID以积分作用为主,可以减小超调量和稳态误差,从而提高温控精度。从等效的控制器作用来看,脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分PID控制器,当实际温度远远低于设定温度时,系统给出最大输出,相当于比例作用增强,积分作用减弱,控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。同时,当温度偏差较小时,烧嘴处于脉冲燃烧状态,相当于比例作用减弱,积分作用增强,进而减小温度的超调量和稳态误差,因此采用这种控制系统一般情况下不会出现温度振荡的情况。脉冲控制系统在不同输出量时烧嘴的工作情况如图3.1 所示图3.13.2 助燃空气压力控制助燃空气总管配备1台变频助燃风机,通过调节风机转速来调节空气压力。压力传感器实时采集管道空气压力与预先设定压力参与PID运算，运算后的结果输出给plc，再转换成4-20mA电流去控制助燃风机的变频器，实现助燃空气压力始终有个稳定的值。3.3 窑压控制 在烟道上设电动执行器,通过调节烟道闸板开度控制炉膛压力微大于大气压力。这样,即保证炉子热量不外泄,又可阻止炉外冷空气进入炉内。压力传感器实时采集炉膛压力与预先设定压力参与PID运算，运算后的结果输出给plc，再转换成4-20mA电流去控制电动执行器。3.4 点火控制 每个烧嘴配一套点火装置,主要由点火控制器、点火变压器、燃气电磁阀组成。考虑到回火炉离控制室距离较远,设计远程和就地两种点火方式,既可以在控制室通过操作员站画面点火、熄火,也可以通过现场操作箱按钮点火。点火时，控制点火变压器输出高频电压打出小火花点燃天然气。烧嘴自带的电离式火焰检测装置检测是否有小火,点火器控制燃气电磁阀打开，plc控制管道为小火输出，若点火失败则点火控制器报警输出端输出报警，按下连接复位端的按钮完成复位再继续点火，若全部烧嘴点火成功则同时启动各区的PID控制输出。为实现远程点火，复位和报警显示，需增设连接plc的三个继电器分别与点火按钮，复位按钮和报警器并联，通过上位机与plc的通讯实现远程点火，复位和报警显示。如果点火失败,点火控制器红灯报警,且操作员站画面没有小火显示。同时,烧嘴控制器将燃气电磁阀切断。这时,需在就地控制箱或控制室操作员站复位点火控制器并重新点火3.5 空燃比控制 使燃烧过程中有一个稳定的空燃比，需使用空燃比例阀。空气/燃气比例阀为弹簧机械式阀,用10mm紫铜管引空气电磁阀后的助燃空气到空气/燃气比例阀,以此助燃空气管路的压力为空气/燃气比例阀的动力,从而实现大火时空气、燃气配比合理,燃烧充分。使用这种控制方式控制空气和天然气流量的配比,可以减少中间控制环节,提高系统的快速响应能力系统硬件设计本系统实现了对窑炉温度，气压和气体流量的自动监控，下面逐一介绍此系统中用到的执行机构及主要检测装置。.阀,.空/燃比例阀 需保证烧嘴正常燃烧，空气和燃气须有一个稳定的混合比例，空燃/比例阀GRC就是用于实现恒定空燃比，在不同状态下烧嘴所需的燃气压力。如4.1.1 图所示，型号为GRC25R02-5 4.1.1 图空/燃比例阀安装于燃气管道下游，通过空气管道反馈回来的空气流量按一定比例自动确定燃气流量大小。安装时需注意燃气流入端的压力必须大于空气流入端的压力且其上游需安装安全切断阀。.安全切断阀安全切断阀用于保护管道下游的一切阀门，防止阀门因管道压力过高而损坏阀门。如 图4.1.2所示,型号为JSAV40 图4.1.2.放散阀放散阀用于释放烧嘴上游瞬时的压力波动级防止因减压阀的突然损坏造成的突然压升，安装于减压阀下游。如4.1.3图所示,型号为FSV 4.1.3图.减压阀减压阀用于恒定外网给的燃气压力在一定范围内，以保证流入烧嘴的燃气流量在同样的阀门开度时有一个恒定的值，减压上游最好安装过滤器。如4.1.4 图所示，型号为DN65 4.1.4 图.手动调节阀外网燃气管道进口处和烧嘴进口各处安装一个手动调节阀用于检修各功能阀门时关闭燃气进给口和烧嘴口，另外空气管道的烧嘴进口处也需安装一个手动调节阀。如4.1.5 图，型号为T40 4.1.5 图.燃气电磁阀用于烧嘴的燃烧控制和保障管道的安全，通过AC220V控制其开闭，属常开阀门。如图4.1.6 所示，型号为VGP 图4.1.6.电磁脉冲阀电磁脉冲阀用于配合脉冲控制器输出的信号去控制流进烧嘴的大流量持续时间和小流量持续时间，采用AC220V电源供电，由于在本系统中磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间故应选用常开型。如4.1.7 图所示，型号为MCK150B 4.1.7 图.电动煤气低压快速切断阀在管道内煤气压力低于30MPa时，由压力变送器发出信号控制阀门快速关闭，防止燃气管道压力太低致使炉内火焰串回管道引起爆炸，如4.1.8 图所示，型号为KD943H-0.5 4.1.8 图.过滤器用于燃气和助燃空气的过滤，如4.1.9 图所示，型号为HF2000 4.1.9 图.换热器预热助燃冷空气，有效利用烟道废气热量。如4.2 图所示，型号为热辐射式换热器 4.2 图.传感器.热电偶温度计热电偶温度计是利用热电偶传感器的热电效应实现温度测量的仪表。热电偶能将温度信号转换成毫伏级热电势信号输出，通过导线连接显示仪表和记录仪表，进行温度指示、报警及温度控制等，如图4.3.1 所示，型号为SBRR-4505K-DN80 PNI.6/1Cr18Ni9Ti-1000/850-0/1000 图4.3.1热电偶温度传感器的敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体材料将一端焊接或铰接而成，如图32中A、B所示。组成热电偶的两根导体称为热电极；焊接的一端称为热电偶的热端，又称测量端；与导线连接的一端称为热电偶的冷端，又称参考端。热电偶的热端一般要插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端所处温度不同，则测量回路中会产生热电势E。一般情况下，热电偶的冷端温度并不固定，而是随室温变化，这样就使E也随室温变化，从而带来测量误差。因此，要求对热电偶的冷端温度进行补偿，以减小热电偶冷端温度变化所引起的信号测量误差。所以，为使所测温度准确，需要冷端(参考端)温度保持稳定，通常固定为0。本系统中，规定监控室内温度为热电偶冷端温度。本系统热电偶安装于窑体内，测温时必须将数据采集模块与普通热电偶的冷端相连，并采用相应的补偿导线来连接。补偿导线加入热电偶回路后，其热电势仅与数据采集模块与补偿导线连接处及测量端温相关，却与冷端(参考端)温度的变化无关，这样就能避免热电偶冷端随环境温度变化造成较大的测量误差。使用补偿导线必须注意四个问题。一是两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度；二是各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；三是必须在规定的温度范围内使用；四是极性切勿接反。本系统采用SBRR-4505K-DN80 PNI.6/1Cr18Ni9Ti-1000/850-0/1000型铂铑10_铂热电偶对窑温进行测量电偶对烘干窑温度进行测量其测温范围为01600，输出信号为4-20mA，24VDC供电，负载电阻0-500。测温点的布局为：#1，#2，#3各区域各安装一热电偶。.压力变送器用于窑炉内压的测定和助燃空气管道的压力测定。本系统采用杭州润辰科技有限公司生产的PRC-915微差压变送器，该微差压变送器能测正压、负压和差压，量程范围为10Pa-50Kpa；输出信号为0-5V，0-10V，4-20mA，也可以特制为其它输出。供电形式为12VDC-36VDC(标准24VDC)。其接线方式如图 4.3.2 所示，型号为PRC-915 图 4.3.2注；由于隧道窑内的高温，不可将PRC-915微差压变送器直接安装在窑内，这里通过毛细管降温引压装置将其窑内压力引出。安装完毕后，如果变送器的输出信号有误，可对其进行调零设置。4.3.3 UV探头UV检测管与火焰控制器配合使用,对各种大气烧嘴,助燃风烧嘴进行火焰监测,广泛用于燃气/燃油热风炉,燃气/燃油锅炉及工业加热炉窑中。如 图4.3.3所示，型号为UVS 图4.3.34.4 plc4.4.1 主机cpu226用于窑炉内温度，压力和助燃空气管道压力的控制等。如 4.4.1 图所示，型号为西门子S7-200 cpu226 4.4.1 图4.4.2 模拟量输入模块EM231模拟量输入模板将输入电流或电压转变成内在的数字数据，向PLC CPU 提供所得的数字数据。如图4.4.2 所示 图4.4.24.4.3 模拟量输出模块EM232模拟量输出模板将PLC CPU 提的数字数据转换为输出电流或电压。如图 4.4.3所示 图 4.4.34.4.4 模拟量混合模块EM235综合了EM231和EM232的功能，如 4.4.4 图所示 4.4.4 图4.5 变频器本监控系统中，采用安川VS-616G5系列通用变频器控制助燃风机，使空气管道内维持恒定的压力。安川VS-616G5系列变具有超出同类产品的优越性能，实用的PID调节、简易PLC、灵活的输入输出端子、参数在线修改、自识别信号传输故障、停电和停机参数存储、定长控制、摆频控制、主辅给定控制、现场总线控制等一系列实用先进的运行、控制功能、为设备制造和终端客户在调速、节能、保护、自动控制等方面提供了集成度极高的一体化解决方案，对降低系统采购和运营成本，提高系统可靠性具有极大的价值，其基本运行配线图如图4.5 所示。 图4.5安川VS-616G5系列变频器的控制方式有以下三种情形：1)通过安川VS-616G5系列变频器自身内置的PID模块实现变频控制；2)通过外给定的方式(包括0V-10V的电压外给定、0-20mA的电流外给定及10V-10V的电压外给定)实现变频控制；3)通过标准的RS-485通讯口实现变频控制。本系统用外给定的方式进行变频控制，通过plc经PID运算后由模拟量输出模块给变频器0-10V电压实现风机转速变频控制。4.6 点火器与UV探头和高压包共同完成烧嘴的直接启动和检测，具有本地开关和远程复位两种模式，接线图如4.6 图。型号为IFS258 4.6 图注；引脚说明5,6,7引脚接UV探头的检测线，AC220vUV电源,地线。11,12引脚输出AC220V电压驱动电磁阀。4.7 点火变压器主要用于点燃工业燃烧器的引导火。点燃可靠， 适应于间断点火的场合。如4.7 图所示，型号为TRE 820P 4.7 图4.8 电动执行器主要由伺服放大器和执行器两大部分组成，电动执行器是电动单元组合仪表中的执行单元，以伺服电动机为动力的位置伺服机构。电动执行器接受调节器来的010mA或420mA的直流信号，将其线性地转换成机构转角或直线位置位移，用以操作风门、挡板、阀门等调节机构，以实现自动调节。本系统通过电动调节阀去控制烟道闸板的开度使窑炉内的压力微大于大气压力，保证炉内热量不外泄和阻止炉外冷空气进入炉内。如4.8 图所示，型号为DKJ-510。 4.8 图4.9 上位机本系统的上位机采用适合恶劣工作环境的研华工业计算机，操作系统采用实时windowsXP，上位机的主要功能是将plc实时采集到的数据进行集中显示，包括流量、温度、压力等相关参数进行显示存储。5 系统软件设计为达到任务要求，光硬件的选型还不够，还需对plc控制程序的编写和上位机的组态，以下详细列出两项的操作步骤和程序代