焦炉烘炉温度控制系统设计

1、i 焦炉烘炉监控系统设计 摘 要 焦炭是冶金、机械、化工行业的主要原料和燃料，同时我国也是目前世界上 最大的焦炭生产和出口国。为了节省煤炭的使用量焦炉的质量起着很重要的作用， 而烘炉是焦炉生产过程中的重要工序，所以烘炉质量的好坏对焦炉的寿命有着重 要的作用。焦炉是热工炉窑中最为复杂的热工设备，具有大时滞、大惯性、强非 线性、多因素藕合、变参数等特点。 通过对传统焦炉烘炉过程的分析，可以知道传统的焦炉烘炉存在很多弊端， 导致焦炉烘炉的质量不能保证，以至于大大影响的焦炉的使用寿命，为此，本系 统在传统控制过程的基础上加进了新的元素。首先，在炉室内的各个测温点改用 热电偶做为测温工具，能够更加精确的

2、对室内的温度进行检测。本系统采用了串 级控制，效果会更好，使用了 jx-300xp 控制系统，对 dcs 进行了整体设计、组 态设计、网络设计和外配设计，通过 advantrolpro2.65 组态软件完成了对系统的 i/o 组态、控制方案组态，以及其监控画面，此外，给出了系统的配置图和网络传 输图，最后，设计了系统的接地图和系统供电图。 本设计方案适应了焦炉加热自动控制技术的发展趋势，使本次焦炉计算机控 制系统改造整体上达到了一个较高的水平。 关键词:焦炉烘炉;jx-300xp;组态；温度控制 ii coke oven temperature control system design ab

3、stract coke, metallurgy, machinery, chemical industry, the main raw material and fuel , while our country is currently the worlds largest producer and exporter of coke . in order to save the use of coal coke quality plays an important role in the coke oven is an important step in the production proc

4、ess , so the quality of the coke oven quality plays an important role in the life . thermal furnace coke is the most complex thermal equipment , with a large delay, large inertia , strongly nonlinear , multi-factor coupling , variable parameters and other characteristics . by analyzing the process o

5、f conventional coke oven，can know the traditional coke ovens , there are many drawbacks，resulting coke oven can not guarantee the quality of，that greatly affect the life of coke oven，so，the conventional control system is based on the process into the new elements。first, in the furnace room as each t

6、hermocouple temperature measurement points instead tools, to more accurately detect the temperature of the indoor. the system uses a cascade control, would be better, using the jx-300xp control system, for the overall design of the dcs, configuration design, network design and outside with design, b

7、y advantrolpro2.65 configuration software on the system i / o configuration, control solution configuration, as well as its monitoring screen, besides, gives the system configuration and network transmission diagram, finally, the design of the system and the system power supply diagram access map. t

8、he design adapted to the coke oven heating automatic control technology trends , make this oven computer control system transformation as a whole reached a higher level. keyword: coke ovens ; jx-300xp; configuration ; temperature control iii 目录 iv 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 焦炉的背景和意义.1 1.2 焦炉的发

9、展现状.1 第 2 章 焦炉烘炉工艺过程.3 2.1 焦炉烘炉的工艺.3 2.2 焦炉烘炉的炉体结构.3 2.3 控制方案.7 第 3 章 系统的硬件设计.9 3.1 系统的总体设计.9 3.2 系统的网络设计.10 3.3 系统的外配设计.11 3.3.1 供电设计 .11 3.3.2 安全栅 .12 3.4 接地系统.14 3.4.1 接地的概念 .14 3.4.2 接地的分类 .14 3.4.3 接地的设计 .15 3.5 端子板.16 3.6 测量元件的选择.17 v 第 4 章 软件设计.18 4.1 系统的 i/o 测点.18 4.2 i/o 组态和控制方案组态.18 4.3 控制

10、方案组态.25 4.4 监控画面.28 第 5 章 结束语.33 参考文献.34 致辞.35 附录.36 1 第 1 章 绪论 1.1 焦炉的背景和意义 目前，随着全球信息化的快速发展，企业竞争己经逐渐从局部向全球化发展。 在激烈的市场竞争和内外环境的压力下，企业若要达到预期的市场占有率和经济 效益，提高企业的应变能力和竞争能力，必须提高自己的劳动生产率和节约生产 消耗。提高企业生产的自动化水平是解决该问题的主要途径。 焦炉是煤炭企业中的重要设备，其高效、优质地生产尤为重要。焦炉既是高 温化学反应器，又是十分庞大而且结构复杂的热工设备，它由多个炭化室和燃烧 室依次相间组成。炭化室是煤隔绝空气干

11、馏的地方，燃烧室是煤气燃烧的地方。 每个燃烧室又包括一定数量的火道，其中每两个火道作为一对，组成一个气体通 路，其两端分别和下面的蓄热室相连。煤气和空气在众多的燃烧室火道内混合、 扩散、燃烧，产生的热量通过辐射对流的形式传递给炭化室，煤料在炭化室中隔 绝空气加热(高温干馏)形成焦炭，燃烧室里煤气燃烧产生的废气经蓄热室、烟道进 行排放1.2。 烟煤隔绝空气加热到 9501350，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、 收缩等阶段最终制得焦炭，这一过程称为高温炼焦(高温干馏)。由高温炼焦得到的 焦炭用于高炉冶炼、铸造、气化和化工等工业部门作为燃料或原料；炼焦过程中 得到的干馏煤气经回收、精制得到各种芳

12、香烃和杂环化合物，供合成纤维、染料、 医药、涂料和国防等工业作原料；经净化后的焦炉煤气既是高热值燃料，又是合 成氨、合成燃料和一系列有机合成工业的原料。因此，高温炼焦是煤综合利用的 重要方法之一。 1.2 焦炉的发展现状 20 世纪 70 年代后期，国外开始焦炉加热控制方面的研究与探索，自从 1973 2 年日本钢管公司在福山钢铁厂 5#焦炉上首次成功地开发应用了焦炉燃烧控制系统 (ccs)pa 来，世界上许多钢铁公司已先后开发了 10 多种焦炉加热自动控制系统， 相继出现了 accs、carpo、cohc 等各具特色的系统。目前日本已有 57 座焦炉 实现了焦炉加热自动控制，其中的 3 座焦

13、炉还实现了单个燃烧室的加热控制。美 国、法国、德国、荷兰和芬兰等国也有一些焦炉实现了自动控制。工业发达的国 家投入大量的人力、财力和物力用于焦炉计算机控制系统的研究，开发和应用， 取得了明显的经济效益4。 3 第 2 章 焦炉烘炉工艺过程 2.1 焦炉烘炉的工艺 自本世纪 20 年代起，焦炉耐火砖由粘土改为硅砖，使结焦时间从 24-28h 缩 短到 1416h，一代炉龄从 10 年延长到 20 一 25 年。由于高炉炼铁技术的进展， 要求焦炭强度高、块度均；由于有机化学工业的需要，希望提高萘和烃基苯的产 率。这就促进了对焦炉工艺的研究，使之既实现均匀加热以改善焦炭质量，又能 保持适宜炉顶空间温

14、度以控二次热解而提高萘等有机物的产率3。 2.2 焦炉烘炉的炉体结构 工业中常用的焦炉有五十个左右相同的单元构成，这五十个单元之间是并列 的关系，完成的作用也是相同，所以每个单元的控制方案也是相同的，每个单元 主要由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区所组成，蓄热室以下为基础和 烟道，焦炉炉体结构如图 2.1 所示。 （本文中介绍一个单元） 现代焦炉可按加热煤气和空气的供入方式，燃烧室火道类型，实现高向加热 均匀的方式。每一种焦炉型式均由以上分类的合理组合构成。焦炉加热煤气和空 气的供入方式有侧八式和下喷式两类。6燃烧室火道的类型分为水平火道和直立火 道两大类。焦炉高向加热均匀性的方式主要有

15、高低灯头、不同炉墙厚度、分段加 热和废气循环等四种方式。焦炉的加热方式主要有单热式和复热式两种7，8。 4 图 2.1 焦炉炉体结构图 （1）炭化室和燃烧室的结构 1炭化室 2.炉头 3.隔墙 4.火道 图 2.2 燃烧室与炭化室 炭化室是隔绝空气，进行煤的干馏的地方；燃烧室是煤气燃烧的地方，两者 5 依次相间，其间的隔墙要传递干馏所需的热能。焦炉生产时，燃烧室墙面平均温 度约 1300c，炭化室内平均温度约为 11000c。在此温度下，墙体承受炉顶机械和 上部砌体的重力，墙面要经受干馏煤气和灰渣的侵蚀、以及炉料的膨胀压力和推 焦侧压力。因此要求墙体透气性低、导热性好、荷重软化温度高、高温抗蚀

16、性强、 整体结构强度高。 (2)斜道区的结构 斜道区位于蓄热室与燃烧室之间，是连接该两者的通道，其结构如图 2.3 所示。 斜道区内布置着数量众多的通道(斜道、砖煤气道等)，它们距离很接近，而且走压 力不同的各种气体，容易漏气，因此结构必须保证严密9。此外，焦炉两端因有抵 抗墙定位，不能整体膨胀，为了吸收炉组长向砖的热膨胀，在斜道区内各砖层均 预留膨胀缝，缝的方向平行于抵抗墙，上下砖层的膨胀缝间设置滑动层，以利于 砌体 受热时，膨胀缝两侧的砖层向膨胀缝膨胀。 1.炭化室 2.火道 3.调节砖 4.砖煤气道 5.废气循环孔 6.膨胀缝 7.斜道 8.蓄热室 图 2.3 焦炉斜道区的结构 斜道的倾

17、斜角应大于 30，以免积灰造成堵塞。同一火道内的两条斜道出口中 心线的夹角尽量减小，以有利于拉长火焰。斜道出口收缩和突然扩大产生的阻力 应约占整个斜道阻力的 75。这样，当改变调节砖厚度而改变出口断面时，能有 6 效地调节贫煤气和空气量5。 （3）蓄热室的结构 蓄热室位于焦炉炉体下部，上面经斜道与燃烧室相连，下面经废气盘与高炉 煤管和大气相通。蓄热室可以回收燃烧废气的热量并预热高炉煤气和空气。蓄热 室的结构如图 2.4 所示，自上而下分为小烟道、篦子砖、格子砖和顶部空间。蓄热 室中间被单墙隔开，导入时：分别走煤气和空气；排放时：都走废气。蓄热室位 于斜道下部，通过斜道与燃烧室相通，是废气与空气

18、(或煤气)进行热交换的部位。 小烟道用来与废气盘连接实现导入冷煤气、空气和排放热废气，由于交替变换的 冷热气流温差较大，为了承受温度的急变防止气流对墙面的腐蚀，小烟道内砌有 粘土衬砖。小烟道粘土衬砖上砌有篦子砖，合理的篦子砖孔型和尺寸排列可以使 蓄热室内气流沿长向均匀分布。篦子砖上架设有格子砖，当从火道下降的炽热废 气经过蓄热室时，其热量大部分被格子砖吸收，每隔一定时间进入冷空气或高炉 煤气，格子砖又将热量传递给空气或高炉煤气。在焦炉整个时间内，蓄热室就是 这样不断地进行热交换。 蓄热室下部设有分烟道，来自各下降蓄热室的废气流经各废气盘分别汇集到 机侧和焦侧的分烟道，进而在炉组端部的总烟道汇合

19、后导入烟囱根部，然后排入 大气。机侧和焦侧的烟道与总烟道的衔接处之前设有吸力自动调节翻版，用以调 节烟道的吸力。 7 1.蓄热室的主墙 2.小烟道粘土衬砖 3.小烟道 4蓄热室单墙 5.篦子砖 6.隔热砖 图 2.4 焦炉蓄热室的结构 2.3 控制方案 焦炉的温度控制指标如下表 2.1 表 2.1 焦炉温度控制指标 名称燃烧室碳化室炉顶区蓄热室炉道区 温度（）14501100125016501350 当温度达到并超过以上温度时，焦炉的烘炉过程就会发生炉体结焦的现象，从而 影响的焦炉的质量，所以，在控制过程中，各部分温度不能达到或超过以上温度。 由于焦炉烘炉 i/o 点数不多，大多数控制指标可以

20、利用简单的单回路来实现控 制，单回路反馈控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资 少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求。因此在工业生产小 应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小，负荷和扰动变化比较平 缓，或者控制质量要求不太高的场合。本系统中大部分温度调节回路均设计为单 回路控制，单回路清单如表 2.2 所示： 表 2.2 单回路清单 回路号位号描述单位上限下限 0tic10011#直行温度调节 12500 1tic10021#火道温度调节 12500 2tic10031#横墙温度调节 7500 3tic10051#篦子砖温度调节 16500 4tic

21、10061#分烟道温度调节 13500 5tic10071#抵抗墙温度调节 9000 6tic10091#碳化室温度调节 11000 但由于燃烧室温度直接影响蓄热室和火道温度，所以，在这里设计串级控制 来提高控制精度，串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂 8 控制系统。它的特点是两个调节器相串接，控制系统内环为副控对象，外环为主 控对象。主调节器的输出作为副调节器的设定,外环为定制控制，内环为随动系统。 内环的作用是将外部扰动的影响在内环内进行处理，而尽可能不使其波及到外环。 串级控制主要应用于对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化 大、对控制质量要求较高的场合

22、，以便加快系统的快速性并提高系统的品质，提 高系统的工作频率和抗干扰能力。串级控制回路如下表 2.3 所示： 表 2.3 串级控制回路 序号位号描述量程单位 tic10041#蓄热室温度调节0-1250 7 tic10081#燃烧室温度调节0-1450 tic10021#火道温度调节0-1250 8 tic10081#燃烧室温度调节0-1450 对于回路 7，蓄热室温度温度控制作为主控变量，燃烧室温度作为副控变量构 成串级控制。蓄热室温度是整个加热炉中最重要的被控变量，其影响因素有煤炭 的燃烧量、燃烧情况及停留时间等，其中燃料进料流量为主干扰，由于蓄热室温 度会先于燃烧室温度发生变化，且与蓄热

23、室温度呈正相关关系，选用燃烧室温度 作为副环被控变量，直接调节燃料流量调节阀的开度，能够有效地提高系统的响 应速度，有效抑制进入副环的干扰，减少加热炉结焦，提高控制精度。焦炉烘炉 串级控制系统的系统框图如图 2.5 所示： 图 2.5 焦炉烘炉串级控制系统框图 9 对于回路 8，火道温度为主控制变量，燃烧室温度为副控制变量。由于火道温度不 能达到其上限值，所以当其温度过高时，来作为控制室的输入值，来控制燃料的 进入炉体的量，从而来降低温度。 第 3 章 系统的硬件设计 3.1 系统的总体设计 本系统采用 jx-300xp 控制系统根据信号点数及控制要求由一个操作员站、一 个工程师站、一个控制站

24、和一套过程控制网络组成。根据具体测点配备有 1 个 dcs 系统柜，命名为 sc-1；1 个辅助柜，命名为 ac-1。工程师站和操作员站分别 命名为 es130 和 os131。 高可靠性是过程控制系统的第一要求。冗余技术是计算机系统可靠性设计中 常采用的一种技术（冗余：当一块卡工作时另一块处于备用状态，当其出现故障 时，另一块处于工作状态） ，是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。控制系 统从结构上充分地采用了冗余技术。本系统对于主控卡是 xp243x、数据转发卡是 xp233、模拟量的 i/o 卡件、网络通讯等都设计了冗余，采用冗余结构不仅能避免 控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全

25、稳定运行，同时也保证设备故障的 在线排除，从而消除事故隐患。本系统的卡件备用硬件实时监听工作硬件信息， 内部数据实时与工作硬件保持一致，一旦工作硬件出现故障，备用硬件即可随时 参与工作，不存在切换问题，也就避免了切换时对系统造成的扰动。本系统配置 如图 3.1 所示。系统安装完成后可使用 ping 指令进行调试，使其设备间彼此都实 现通讯。 10 图 3.1 系统配置图 3.2 系统的网络设计 通讯网络是 dcs 系统得以正常运行的重要部分， jx-300xp dcs 的通讯网络 自上而下分为四层：第一层是信息管理网，用户可根据实际情况选用；第二层是 过程信息网 sonet，即 c 网；第三层

26、是过程控制网 scnet，系统采用冗余的高速 工业以太网，互为冗余的两网分别叫做 a、b 网；第四层网络是控制站内部 i/o 控 制总线 sbus。系统的网络结构图 3.2 如下： 图 3.2 网络结构图 过程控制网中包括互为冗余的 a/b 网，其中，a 网的网络地址为 11 128.128.1.*，b 网的网络地址为 128.128.2.*， （*可以通过主控卡的拨码来玩 成地址范围为 2127） 。 c 网成为过程信息网，其地址为 128.128.5*，通常情况下我们可以将其和 b 网合并，这不并影响网络连接，合并后的网络图如图 3.3 所示： 图 3.3 网络合并图 3.3 系统的外配设

27、计 “外配”，主要是指 dcs 系统以外的辅助硬件设备及必要时连接 dcs 与执行机 构、dcs 与检测单元的中间设备。外配设计是 dcs 系统总体设计的重要一环，包 括电源及供电设计、 、端子板、安全栅、隔离器、防雷栅等部分的设计内容。由于 系统防爆设计对于整个系统的安全可靠运行极其重要，这里主要讨论安全栅的设 计内容13。 3.3.1 供电设计 本系统采用双路供电即：采用来自两段不同母线的电源为系统供电，在条件 允许下应采用双路 ups 配置，如条件有限，至少应保证其中一路采用 ups 供电。 这样保证的了系统不会因为停电而停机，当断电时系统会自动用 ups 来供电，保 证了系统的稳定运行

28、。根据该系统的实际情况，采用来自一段母线的两路电源， 一路经一台 ups 后供电、一路直接供电。系统供电图如图 3.4 所示： 12 图 3.4 系统供电图 3.3.2 安全栅 安全栅，是接在本质安全电路和非本质安全电路之间的隔离器件。它是将供 给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置,其 核心元件为齐纳二 极管，限流电阻及快速熔断丝，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并 可限制因故障引起的安全区向危险区的能量转递，工作原理如下图 3.5 所示： 图 3.5 安全栅工作原理图 安全栅分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。齐纳式安全栅，电路中采用 13 快速熔断器、限流电阻或限压

29、二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出 到危险区的能量。其内部相当于一个保险丝，当出现过高电流电压时，保险丝烧 断，达到保护现场的目的。隔离式安全栅，采用了将输入、输出以及电源三方之 间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。其内部用隔离变 压器隔离了输入、输出、电源三部分限制到现场的电流电压在安全防爆的范围内。 使现场无法达到火花电压电流。二者的接线示意图如图 3.6： 图 3.6 齐纳安全栅隔离栅接线图 以上两种安全栅有各自的特点：齐纳安全栅原理简单、电路实现容易， 价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限 制了其应用范围。隔离栅可以将危险

30、区的现场回路信号和安全区回路信号有 效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的 施工;使用隔离栅，大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高系统可靠性;允 许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的;隔离栅有保护功能电路，意外损坏 的可能性较小，允许现场仪表带电检修，可缩短工程开车准备时间和减少停车时 14 间。 本系统采用了安全栅装置，从而保证系统的安全。安全栅安装在辅助柜 ac-1 里。 3.4 接地系统 系统的实际应用主要设计到本系统真正应用是实际中去的时候，还需要做哪 些准备，需要注意的主要就是接地问题。 3.4.1 接地的概念 接地对系统在投入使用之后的正常

31、运行和操作人员的安全起着重要的作用， 所以，接地对系统的设计是很重要的一步。 dcs 控制系统接地有两个目的：一是为了安全；二是为了抑制干扰。 合理准确的接地是保证集散控制系统运行安全可靠,系统网络通信畅通的重要 前提。正确的接地既能抑制外来干扰，又能减小设备对外界的干扰影响。而错误 的接地反而会引入干扰，严重时甚至会导致集散控制系统无法正常工作。因此接 地问题不仅在系统设计时要周密考虑，在工程安装投运时也必须以最合理的方式 加以实现14。 3.4.2 接地的分类 接地分为保护接地、工作接地、电气接地、防雷接地。主要是前两种。 保护接地：（也称为安全接地）是为人身安全和电气设备安全而设置的接地

32、。 凡控制系统的机柜、操作台、仪表柜、配电柜、继电器柜等用电设备的金属外壳 及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如绝缘破坏等）而有可能带 危险电压者，均应作保护接地。低于 36v 供电的现场仪表，如无特殊要求可不做 保护接地，但有可能与高于 36v 电压设备接触的除外。当安装在金属仪表盘、箱、 柜、框架上的按钮、信号灯、继电器等小型低压电器的金属外壳，与已接地的金 属仪表盘、箱、柜、框架电气接触良好时，可不做保护接地。 15 工作接地：仪表及控制系统工作接地包括：仪表信号回路接地和屏蔽接地。 隔离信号可以不接地。这里的“隔离”是指每一输入信号（或输出信号）的电路 与其它输入信号（或输

33、出信号）的电路是绝缘的、对地是绝缘的，其电源是独立 的、相互隔离的。非隔离信号通常是以直流电源负极为参考点，并接地。信号分 配均以此为参考点。仪表工作接地的原则为单点接地，信号回路中应避免产生接 地回路，如果一条线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地，则应采用隔离器 将两点接地隔离开12。 3.4.3 接地的设计 同一个 jx-300xp dcs 系统中，所有 scnet 网络节点的系统地必须同地，以 满足系统内直流地（系统地）的等电势要求。系统内的系统地、安全地、屏蔽地 必须最后汇流到同一个接地点上（即一点接地） ，而这个接地点的接地电阻应足够 小，以保证有效地快速消除干扰。在实际现场施工过

34、程中，这个接地点最好是为 jx-300xp 系统而设置的独立地桩（其接地电阻符合要求） ，这对系统的安全性和 抗干扰能力都很有好处。机柜安装时要避免将机柜与工厂电气地连通，仪表柜的 接地也必须不能破坏 dcs 系统一点接地的原则。 jx-300xp 系统配用安全栅，推荐将安全栅的接地与系统地连接。 如果现场已构成接地网并且接地电阻满足要求，系统可以将系统内的接地点 先联成一个独立接地网，最后将系统内的这个接地网中的一点与现场接地网相连， 也就是保证了“一点接地”。为保证系统网络上的所有设备同地，这“一点接地”可以 是单独地桩，也可以是符合要求的电气地。但不能系统接地网既连单独地桩，又 连电气地

35、；或者是操作站接地与电气地相连，而控制站系统地与单独地桩相连。 这两种情形其实都属于“二点接地”，很容易被雷电击坏 scnet 网络或系统。 jx-300xp dcs 必须在保证一点接地的前提下，系统才可以安全上电，否则系 统上电后有可能损坏 scnet 网络中的设备，更严重的情况会有人身安全。如果现 16 场的电气地接地电阻不满足要求，而安装机柜的槽钢已与现场电气地连在一起， 则安装时需用绝缘物将机柜垫起，避免接触。接地的设计方案如下图 3.7 所示： 图 3.7 系统接地图 3.5 端子板 端子板在本系统的设计中起着十分重要的作用，它的作用是将现场采集到的 信号和 i/o 卡件连接起来，也

36、就是说现场信号通过端子板传输到控制系统中去，从 而进行监控。该套系统端子板有三种型号：xp520、xp520r、i/o 拓展连接端子板。 首先：xp520 是非冗余连接端子板，它用于不冗余的相邻的两个卡件的接连， 其次：xp520r 是冗余连接端子板，它用于相互冗余的两个卡件的连接，i/o 拓展 连接端子板用于当本地 di、do 连接口不够时进行拓展接口。 3.6 测量元件的选择 由于本系统是对温度的测量，为了提高控制的精确度，在此，本系统选择热 电偶作为测量元件。综合几种热电偶的比较，本系统选择了 k 型热电偶。k 型热 电偶作为一种温度传感器，k 型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节

37、器 17 配套使用。k 型热电偶可以直接测量各种生产中从 0到 1300范围的液体蒸汽 和气体介质以及固体的表面温度。k 型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和 接线盒等主要部件组成。k 型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为 其他热电偶的总和。k 型热电偶丝直径一般为 1.24.0mm。k 型热电偶具有线性 度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便 宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。 时下 k 型热电偶使用比较多的是镍铬镍硅型热电偶，由于它价格相对便宜， 此外，其测量温度范围相对较大，在此，本系统也选择此种热电偶。其外观如下 图 3.8

38、所示： 图 3.8 热电偶的外观图 18 第 4 章 软件设计 4.1 系统的 i/o 测点 本系统采用了 jx-300xp 进行 控制。 一个焦炉一般由五十个左右相同的单元结构构成，这些单元的结构是相同的， 在此，我以其中一个单元为例进行说明，其它的与其相同。 每个单元一般由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区所组成，所以每 一个单元的主要测点是如下表 4.1 所示： 表 4.1 测点清单 序号位 号测点名称测温点信号类型范围 1tt10011#直行温度距炉顶面 2.5m热电偶 0-1250 2tt10021#火道温度距炉顶面 2.5m热电偶 0-1250 3tt10031#横墙温度距炉顶

39、面 4.5m热电偶 0-750 4tt10041#蓄热室温度蓄热室测温孔热电偶 0-1250 5tt10051#篦子砖温度蓄热室测温孔热电偶 0-1650 6tt10061#分烟道温分烟道测温孔热电偶 0-1350 7tt10071#抵抗墙温抵抗墙顶部测温孔热电偶 0-900 8tt10081#燃烧室温度燃烧室底部热电偶 0-1450 9tt10091#碳化室温度碳化室底部热电偶 0-1100 4.2 i/o 组态和控制方案组态 工业焦炉一般由四十个左右相同的单元构成，每个单元取 9 个测点，共 360 个左右测点，全部为 ai 信号，需要一对主控卡，四个机笼即可：这样可以开始进 行控制站和操

40、作站的组态。 首先，控制站组态如图 4.1 所示： 19 图 4.1 控制站组态 其次，操作站组态如图 4.2 所示： 图 4.2 操作站组态 在控制站和操作站组态过程中，主控卡的组态时的地址要和硬件上的地址一 致（硬件上的地址通过拨码来实现），主控卡的地址默认从 2（二进制码 0010） 开始，由于主控卡需要设置冗余主控卡，冗余卡的地址为 3（二进制码 0011）. 数据转发卡组态如图 4.3 所示： 20 图 4.3 数据转发卡组态 数据转发卡的同样采用了冗余，其地址设置方法同样是通过拨码，数据转发卡的 地址从 00、02、04 开始的偶数，冗余卡为 01、03.05. i/o 组态首先从

41、数据转发卡组态开始。数据转发卡表中列出的数据转发卡都挂 接在该主控制卡上，并可将当前正在组态的数据转发卡设为冗余。设为冗余的数 据转发卡不再进行下一步的 i/o 卡件组态如图 4.4 所示。 本系统要控制的是焦炉的温度，所采用的热电偶来测量温度，在此我们所采 用的 xp314i 卡件，xp314i 是 6 路点点隔离型电压信号输入卡，每一路可单独组 态并接收各种型号的热电偶以及电压信号，将其调理后再转换成数字信号并通过 数据转发卡送给主控制卡。 21 图 4.4 i/o 卡件组态 i/o 输入对话框的 i/o 卡件表中列出了挂接在当前数据转发卡下已组态的 i/o 卡件的各项设置，可在其中选定某

42、一 i/o 卡件进行 i/o 点的组态。各个信号点的参 数属性、趋势、报警等信息都可以再 i/o 点组态对话框中进行设置。电压信号输入 卡的各点信息如图 4.5 所示： 22 图 4.5 电压信号输入卡 i/o 类型项选定当前信号点信号的输入/输出类型，类型包括：模拟信号输入 （ai） 、模拟信号输出（ao） 、开关信号输入（di） 、开关信号输入（do） 、脉冲 信号输入（pi）五种类型。地址项定义指定信号点在当前 i/o 卡件上的编号。信号 点的编号应与信号接入 i/o 卡件的接口编号匹配，不可重复使用。不同的 i/o 卡件 可接的信号点数不同，因此它们的地址数也不同。在本系统中由于只用到

43、 ai 所以 在此只介绍 ai。 对 ai 信号来说，控制站根据信号特征及用户设定的要求做一定的输入处理， 系统依据组态的设定要求，逐次进行温压补偿、滤波、开方、累积等处理。经过 输入处理的信号已经转化为一个无单位的百分型信号量，即无因次信号。 在位号 项填入当前信号点在系统中的位号。每个信号点在系统中的位号应是唯一的。操 作站的软件都是通过位号来引用信号点。参数设置如图 4.6 所示： 23 图 4.6 参数设置 图 4.7 趋势设置 当信号需加报警时，选中报警项，打开其后的上上限/下下限、上限/下限、报 警死区和报警等级六项。在上上限/下下限、上限/下限各项中填入适当报警限值， 各项数值当

44、然应有上上限上限下限下下限，且在信号量程内。在报警死区 24 项中填入死区的大小，在报警等级项中填入该信号的报警优先级。在报警处理中 加入报警死区是因为如果信号在小范围内会频繁波动，那么当信号接近报警限时， 系统将出现频繁的报警而给操作带来不必要的麻烦，为避免此类情况的发生，需 在报警处理中加入报警死区处理，死区的大小取决于信号频繁波动范围的大小。 如图 4.8 所示： 图 4.8 报警设置 按照此步骤，一次将带测量的测点进行组态，并设置好其参数，通过 i/o 组态， 将完成系统全部的控制硬件配置。从中可以看出，jx-300xp dcs 中的控制硬件结 构呈“树”型组合，即以挂接在 jx-30

45、0xp dcs 网络上的一个主控制卡为“树根”向下 25 逐层展开，直至单个信号点为最小的“叶”。组态过程中，应根据系统的上述特点， 自上而下，逐层组态。 随着 i/o 组态的完成，控制柜的布局也就出来了，如图 4.9 所示： 图 4.9 机柜布置图 4.3 控制方案组态 完成系统 i/o 组态后，就可以进行系统的控制方案组态。控制方案组态分为常 规控制方案组态和通过图形化语言编写的用户自定义控制方案组态。本次设计统 一采用自定义回路组态，其对话框和回路信息输入如图 4.10 所示： 26 图 4.10 单回路组态 在完成本步组态之后，该对其进行图形化编程，在这里我们选用功能块图来完成， 所选

46、用的模块为 baxc:如图 4.11 所示： 图 4.11 单回路功能块 该模块是对在自定义回路中声明的单回路进行定义，确定它的输入输出，组 成一个控制回路。通过序号 n 与自定义回路中的声明相对应，将它在自定义回路 中所相应序号所对应的位号组入监控画面中，可在监控画面中对其进行参数设置。 其中 bscx 可以有更多的参数让用户来设置。 自定义回路编译成功之后，可以在监控画面中对其 pid 参数进行调整，如下图 27 4.13 所示。模块内部采用增量式算式，其 pid 参数要求为：比例度 p（）p 最小 值为 p=6.25%，p 的最大值为 p=204800%。微分时间常数 d（单位秒）最大为

47、 3276.8s，最小值可以为 0s。积分时间常数 i（单位分）最大值与 d 一致， 3276.8/6054.61 分；而因为 i 在计算时表现为倒数形式，如果太小会引起计算的 溢出，因此将 i 最低限制为 1s，1/600.02 分。 图 4.13 回路参数调整画面 通过图像化编程对单回路进行编程，模块编程如图 4.14 所示： 图 4.14 单回路程序图 28 接下来使用 cscx 进行串级控制的编程，串级控制回路调整画面有两个，一 个为外环回路，一个为内环回路。内环可以运行在手动、自动和串级状态下，而 外环只能工作在手动和串级两种状态下，且工作在手动时，其手动值并不会输出， 无任何作用。

48、程序如下图 4.15： 图 4.15 串级控制程序 到此为止，系统组态部分就完成了。 4.4 监控画面 监控画面主要用于在系统验收之后，供工厂工作人员观测现场设备的工作情 况使用，该部分分两个操作站即：一个工程师站和一个操作员站，二者的权限不 同，工程师可以对系统的软件部分进行修改和维护，而操作员站只能进行观测。 系统标准画面组态是指对系统已定义格式的标准操作画面进行组态。包括总 貌画面、趋势曲线、控制分组、数据一览四种操作画面的组态。 系统总貌画面是为了系统观察、操作方便，将需要观察、操作的控制组、趋 势图、流程图、仪表数据等组织起来，形成的一个系统监控目录。 系统的趋势曲线画面可以显示登录

49、数据的历史趋势。在此项中可以指定当前 29 页中所有趋势曲线共同的记录周期。同一趋势画面中的所有趋势曲线必须有相同 的记录周期，时间单位秒。记录周期必须为整数秒，取值范围为 13600。 系统的仪表分组画面可以实时显示登录仪表的当前状态。 系统的数据一览画面可以实时显示与登录位号对应的测量值及单位。 系统流程图登录是通过流程图登录组态对话框完成的。单击编辑按钮，将启 动流程图制作软件，对当前选定的流程图文件进行编辑组态。 系统报表登录是通过报表登录组态对话框完成的。单击编辑按钮可启动报表 制作软件，进行报表编辑。 实时监控软件支持功能强大的操作员键盘，可通过组态软件的自定义键组态 对其进行操作

50、组态。 实时监控软件支持声卡语音报警。系统语音报警组态是通过语音报警组态对 话框完成的。下面分别给出了监控界面登陆画面、总貌画面、流程图、数据一览 画面、参数调整画面、分组控制画面、趋势画面和故障诊断画面。监测画面如下 图所示： 图 4.16 控制分组图 30 图 4.17 参数整定画面 图 4.18 趋势图画面 31 图 4.19 数据一览画面 图 4.20 系统状态画面 32 图 4.21 工艺流程图 图 4.22 系统总貌图 33 第 5 章 结束语 本篇论文题目为焦炉烘炉温度控制系统，在本学期的最初两个月的时间，我 前往浙江中控技术股份有限公司实习，在实习期间，重点学习了，jx300xp 控 制软件，回学校之后，开始用系统做毕业设计，利用刚刚学习的该软件进行设计， 恰好可以。在这个过程中，我首先对该系统进行了分析，分析了焦炉的构造，通 过查资料掌握焦炉的结构、生产工艺，以及焦炉烘炉在控制过程的控制要求，从 而总结出焦炉的测定清单，进而，进行了组态设计、总体设计、网络设计、供电 设计、接地设计，经过这一系列的工作之后，开始撰写论文并完成。 在以及此次做毕业设计我有很多感悟： 首先：在当今的控制领域里，有很多控制软件，尤其是 dcs 控制，每种有每 种的优点，而中控比较常用的是 jx-30