连续式加热炉计算机控制系统设计

1、摘要毕业设计说明书设计题目：连续式加热炉计算机控制系统的设计学生姓名： 学 号：专业班级： 学 部： 指导教师： 2012年05月22日III摘 要加热炉是冶金企业中的主要耗能设备，本设计是计算机控制系统在连续式加热炉上的应用。在钢铁冶金生产中，加热炉的计算机控制发展很快。本文首先对连续式加热炉的工艺进行了综述，分析了连续式加热炉结构、热工参数及其操作对象。其中重点介绍了连续式加热炉的组成、结构、控制原理及其优点等。其次，根据连续式加热炉结构特点设计控制系统，对加热炉温度变化的具有时变性的、多扰动的非线性随机过程进行了分析。介绍了双交叉限幅燃烧控制、流量控制、加热炉炉温控制、炉压控制、煤气总管

2、和空气总管的压力控制以及汽包液位控制。最后，介绍了计算机控制系统在连续式加热炉上的实现，分析了集散控制系统对连续式加热炉燃烧的自动控制原理。关键词 连续式加热炉；集散控制系统；计算机控制AbstractAbstractHeating furnaces are major energy consumption equipment in the metallurgical enterprises. The design is the application of computers in a continuous heating furnace. In the production of the

3、metallurgy of iron and steel, heating furnaces computer control has developed rapidly. The article first reviewed the process of continuous heating furnace, continuous furnace structure, thermal parameters and manipulate objects. Which focuses on a continuous heating furnace, the composition, struct

4、ure, control principle and its advantages. Secondly, according to the structure characteristics and design of continuous reheating furnace control system, the time-varied and disturbed casual process with nonlinear parameter is studied in this thesis .Introduces the realizing double cross limit comb

5、ustion control, flow control, temperature control of heating furnace, furnace pressure control, gas main and air main pressure control as well as steam drum fluid position control and electric interlocking logic control. Finally, introduced the computer control system in continuous heating furnace t

6、o achieve, analysis of the distributed control system for continuous heating furnace combustion automatic control principle.Key words continuous heating furnace; distributed control system; computer control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 连续式加热炉简介11.2 加热炉计算机控制的发展21.2.1加热炉控制技术的研究状况21.2.2加热炉控制技术的工程应用现状3第2章

7、 加热炉控制系统设计82.1炉温控制82.1.1 燃烧控制的基本原理82.1.2 串级控制简介92.1.3 炉温一煤气流量串级控制102.2 流量控制122.2.1 煤气流量一空气流量双闭环比值控制122.2.2 煤气流量一空气流量双交叉限幅控制132.3 炉压控制152.3.1 预热段和加热段炉压自动控制162.3.2 均热段炉压自动控制162.4 煤气总管和空气总管的压力控制以及汽包液位控制182.5 加热炉控制难点18第3章 计算机控制系统的实现193.1 控制系统结构193.2 控制系统的硬件组成及软件组态213.2.1 PLC的硬件选型213.2.2 Wincc项目设计22结论23参

8、考文献24谢辞26附录27第1章 绪论第1章 绪论1.1 连续式加热炉简介连续式加热炉广泛应用于冶金行业的各个企业，是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾装入，边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过出钢口出炉，再沿着辊道送往轧钢机。连续式加热炉的工作是连续性的，钢坯在炉内靠推钢机的推力沿着炉底的滑道不断地向前移动，加热后不断地排出。在炉子工作稳定的情况下，炉内的各点温度是相对稳定的，加热炉炉膛可以视为一个稳定的温度场，钢坯在炉膛内的传热可以看作是稳态传热，这样可以保证批量钢坯的加热质量。连续式加热炉特点各异，从炉子的结构和加热方式等方面可以把连续式加热炉分为以下几类1:u 按所用的

9、燃料分类:使用固体燃料的、使用重油的、使用气体燃料的、使用混合燃料的。u 按钢料在炉内的运动方式护类:推钢式炉、步进式炉、辊底式炉等等。u 按空气和油的预热方式分类:不预热式炉、换热式炉、蓄热式炉(单蓄热式和双蓄热式)。推钢式连续加热炉是目前应用最广泛的一种型式。炉膛内采取多点供热以控制炉温，现在很多设计上都使用三段式连续加热炉。一般三段式连续加热炉在加热制度上采取预热期、加热期、均热期三段温度制度，在炉子结构上也相应地分为预热段、加热段、均热段三个供热点。钢坯或钢锭由炉尾推入后，先进入预热段缓慢升温，然后再进入加热段迅速把钢料表面的温度加热到出钢所要求的温度，经过加热段后，钢料内外温度还有较

10、大的偏差，最后进入温度较低的均热段进行均热，这时，钢料表面的温度不再升高，钢料内外的温度逐渐地趋于均匀。加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的燃烧。当加热炉控制系统的负荷及油气的质量等因素发生波动时，如何采用合理有效的控制策略，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，提高产品质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮、降低对环境造成的污染等等，是提高企业竞争力的主要措施，也是企业界和科技界在加热技术改进方面一直关注的热门课题。1.2 加热炉计算机控制的发展加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。在轧钢生产

11、中占有十分重要的地位，它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量，并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗，减少氧化和烧损。连续加热炉的控制水平直接影响产品的质量、产量、和生产消耗指标，所以国内外关于加热炉自动控制的研究一直受到重视，发展的很快，也取得了较为丰硕的成果。下面就加热炉控制技术的理论及工程应用状况做一下简单的介绍:1.2.1加热炉控制技术的研究状况1.最佳燃烧控制在燃料与空气流量的串级调节仪表控制系统中，处理燃料与空气的关系通常采用配比调节，由于燃料与空气调节回路的响应速度不一致，流量测量也有误差，燃料的热值又不稳定以及烧嘴特性等的变化。这种配比关系

12、难于保证。特别是在燃烧负荷发生变化的情况下，更无法保持最佳配比。为解决这些问题,产生3种处理空燃比关系的交叉限幅法2:(1)单交叉限幅法;(2)双交叉限幅法;(3)改进型双交叉限幅法。单双交叉限幅法有以下几个优点:(1)使系统在燃烧负荷增加或要求升温时，实现空气先行，燃料跟随;燃烧负荷降低或降温时，燃料先行，空气跟随，以达到防止黑烟污染环境的目的。(2)使系统在调节的动态过程中，保持空气、燃料的相互跟随关系，控制空燃配比，特别是双交叉限幅的作用更好。(3)使系统在供风设备一旦发生故障停风时，能自动关闭燃料调节阀，具有自保护功能。但这两种方法的缺点是响应速度较慢，且偏置量在各种运行范围内为恒定值

13、K(满刻度流量的百分率)，与温度偏差大小及运行范围无关，温度设定值越低，需要的燃料越少，偏差值K所占实际比值越大。改进型双交叉限幅不但具有双交叉限幅的优点，实现双交叉限幅，空燃比范围精确，同时使偏置值与偏差大小成比例，提高系统的动态性能。据文献3报导，这种方法可节能4%7%，其空燃比控制精度不超过±0.02。缺点是系统较复杂，用的运算模块多。2.修正空燃比空燃比对于在加热炉各段内取得最佳燃烧率是重要的，正确地调整空燃比对于炉子安全运行及保证产品质量也是重要的。在常规的仪表控制系统中，空燃比往往由人工设定，但在频繁调节状态下，即使是最灵敏的传感器和调节阀也很难保证精确的空燃比。这是因为

14、，流量测量存在误差，以及燃料或空气的流速较低时，调节阀的位置及流速之间呈非线性关系。为了解决这个问题，多数加热炉计算机控制系统对加热炉各段建立了空燃比设定值曲线，通过修正这些曲线可以保证每个燃料流速下加热炉各段都能取得最大的燃烧率。目前残氧闭环控制是修正空燃比的一种非常重要的方法。用氧化错测定残氧量，用氧指标控制器调节输出修正空燃比，以达到降低过剩空气量的目的。3.附属回路调节及参数修正在加热炉燃烧过程中，除了温度流量串级主要回路外，还有为减少炉外冷空气进入及火焰外喷的炉膛压力调节;保障流量调节回路稳定的燃料及空气总管压力调节以及为保证稳定的空燃比而进行的温度、压力及燃料的热值修正，这些都是保

15、证最佳燃烧所不可缺少的。通过集散控制系统进行这些修正是轻而易举的，且多采用PI控制或PID控制。1.2.2加热炉控制技术的工程应用现状目前加热炉生产控制系统广泛应用有以下主要技术4:(1)PLC及DCS控制技术目前加热炉生产控制系统已经从常规仪表和继电逻辑控制系统发展到了PLC和DCS控制系统，在现场控制级普遍采用 Field Bus现场总线技术，在基础自动化级和过程控制管理级普遍采用计算机网络技术，基础自动化硬件的选择，传统的方法是使用PLC或DCS。对于大规模的系统，往往其电控系统部分采用PLC，而回路控制即过程量控制采用DCS。分散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统，简称分散型控制

16、系统 (Distributed Control System即DCS)。分散型控制系统综合了计算机(Computer)、控制(Control)技术、通信(Communication)技术、CRT技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分散型控制系统将以计算机集成制造系统(CIMS)为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。DCS的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级，直接与生产过程现场的传感器(热电偶、热电阻)、变送器(温度、压力、液位、流量变送器

17、等)、执行机构(调节阀、电磁阀等)、电气开关(触点输入输出)相连接，完成生产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信，接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，以及将现场工作情况信息整理后向显示操作站报告;第二级为集中操作监控级，主要是显示工作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能，它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能，显示操作站的另一功能是系统组态，因此可进行控制系统的生成、组态。第三级为综合信息管理级，用来实现整个企

18、业的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能，DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统 (Management Information System，简称MIS)，MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。近年来由于PLC增强了回路控制的功能，同样DCS也加强了逻辑控制的功能，而且彼此能互相覆盖。加热炉仪表系统的控制比较复杂，开关量控制相对简单，因此就仪表控制而言，一般选择DCS。为保证步进梁的检测控制精度，减少坯料从入炉到出炉的跟踪误差，电气控制系统对PLC的开环模拟量循环控制周期、模拟量分辨、采样刷新周期有严格的要求，一般采用高速PLC优化软件设计，确保系统正常运行。DCS

19、控制功能强，可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解祸、自适应、最优和非线性控制等，也可实现顺序控制;系统可靠性高;采用CRT操作站有良好的人机交互接口;软硬件采用模块化积木式结构;系统容易开发;用组态软件，编程简单，操作方便;具有良好的性价比。DCS也存在一些缺点，采用三层结构模式，线路多，维护管理麻烦，且各开发商的DCS遵循各自的标准，不能互联，以及难于实现设备之间和系统与外界之间的信息交换等，严重制约了系统本身的发展。随着计算机网络及通信技术的迅速发展，现场有越来越多的信息需要往上传，通信技术越来越往下延伸到现场，信息沟通联络的范围不断扩大。为实现企业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表

20、向智能化仪表发展、工业控制分立设备向共享设备发展、计算机网络从TOP、MAP向现场级网络发展，最终用户需要一种适应工业现场环境运行、可靠性高、实时性强、造价低廉、结构简单、维护方便的控制系统，以形成工厂的底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、以及自动化系统与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计算机、通信、微电子为主要内容的一门综合技术，是当今技术发展的结果。现场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有独立承担某些控制、数字计算和数字通信能力。提高了信号的测量、控制、传输精度和速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用

21、多种传输介质，如用普通电缆、双绞线、光纤、红外线、甚至电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统，在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其它网段，实现数据传输与信息共享，实现异地远程控制。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。现场总线是工业过程控制技术的发展主流，可以说现场总线控制系统(Fieldbus Control System)FCS的发展应用是自动化领域的一场革命，它既要“革”传统仪表的命，同时也向传统DCS发出

22、了挑战。对于DCS的发展过程，因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响，造成各生产开发商的产品自成一体，较难实现互换和互操作,系统也难于与外界进行信息交换，这样对用户来说，使企业的信息集成存在一定的困难;另外，DCS的控制分散也并不是彻底的分散，控制功能是通过各个集中的过程控制站如PLC来完成，许多方面的性能与FCS相比有较大差距。但是，DCS在当前情况下仍具有较强的生命力，其理由为5:a.近年来DCS技术的成熟以及广泛应用，DCS在可靠性、开放性、标准化方面大大前进了一步。b.DCS的价格大幅度下降。c.DCS能够满足目前的生产控制要求，用户习惯容易接受。d.FCS正在发展过程之中，某些方面还

23、不是十分完美。比如说现场总线的线状结构，一旦总线某支路的电缆断了，这条支路的运行就瘫痪了。又如系统组态较复杂，不易将系统设置到最佳状态等。e.目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较贵，硬要去追求潮流，将企业现有的运行良好的传统仪器仪表更新成智能仪器仪表，以及将DCS改换成FCS也不是很现实的。基于上述原因，DCS现在仍是大多数用户选择的主流控制系统。FCS作为一个完整的控制系统，也需要具有类似于DCS那样的监控管理系统，FCS的发展不是对DCS的绝对否定，既有在它们基础上对优点的继承，又具有自己特色的变革部分。虽然传统DCS属非开放式专用网络，但根据目前的实际情况，将出现通过特殊的网关将DC

24、S挂接在现场总线网段上，或作为企业网络中的一个特殊的子网，形成现场总线与DCS并存的局面。传统的DCS在一个过渡阶段内，仍会在一个很长的时期内在工业控制领域发挥重要作用。 (2)全数字式传动技术的应用随着电子信息技术的发展，全数字直流调速技术已日趋完善。近几年，全数字直流调速装置己广泛地应用于各工业生产环节。它具有模拟系统无法比拟的优点，数字系统的高智能化，使其具有优良的静、动态特性，可靠性高，调试方便，免维护，体积小等特点。全数字化的可控硅整流装置和全数字化的交流逆变装置己经彻底替代了原来的模拟控制的交/直流供电装置。在加热炉自动控制方面，早期的加热炉控制主要集中在常规燃烧控制上，其直接的目

25、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坯温度，同时保证经济地燃烧和安全地运行。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深入和发展，加热炉的计算机控制技术进入实用化阶段。但与工业发达的国家相比，我国国内的加热炉计算机控制技术起步较晚，并且发展很不平衡。据统计，目前我国拥有的加热炉中，很多的钢铁企业中的加热炉还没有实现计算机控制，大量存在着人工操作的现象。有些企业虽然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得到充分的利用，控制效果并不理想，效

26、益也不明显；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。另外，在燃烧系统的自动控制上，目前大多采用温度、流量的串级比值控制系统或双交叉燃烧控制，这两种控制在加热炉工况稳定的条件下基本能实现炉温的自动控制，但是，当工况不稳或燃料热值不稳时，这两种方法就都无能为力了，不能保证最佳燃烧控制。目前有些工业炉在尾气中安装了氧化锆测氧浓度仪表，利用尾气中的氧浓度来修正空燃比。但是，由于氧化锆的监测受温度、压力等因素的影响比较大，而且由于尾气中的杂质较多，所以检测起来比较困难，而且其维修量也很大。因此，在我国的众多钢铁企业中大多数的加热炉都没有安装氧化锆，对燃料热值的漂移只能通过

27、现场调火工人的实际经验手动修正。总之，在国内的众多加热炉控制系统中，大部分不能投入自动控制或是仅仅代替调节仪表使用，难以发挥计算机高速运算和逻辑判断的优势，究其原因，主要存在以下几个方面的问题:(1)系统的控制特性与对象特性不相符合。因为加热炉大多属于非线性、大惯性系统，所以采用常规控制理论中的控制方法以及模拟仪表进行简单的单回路控制都是不合适的。(2)部分参数检测比较困难。例如烟气残氧量，由于氧化锆的使用寿命较短，维护比较困难等原因，烟气残氧量这一参数便很难检测，这样系统就无法形成闭环自动控制。另外，燃料热值、重油流量、炉膛热效率等参数的在线检测也存在着一定的困难。(3)系统难以建立精确的数

28、学模型。由于炉内气氛、热工状况，温度场等均属于难知参数，而且工艺参数波动频繁，干扰因素较多，所以很难建立起精确的数学模型来对系统进行控制。(4)自动控制与工艺脱节。加热炉控制是一种综合控制，它与工艺、热工仪表、计算机、炉体结构等专业都是紧密结合密不可分的，如果只考虑某一方面，是无法取得理想控制效果的。提高加热炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于对工艺的改造、更新以及计算机系统资源的先进性上，更应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。近年来，国内应用现代控制理论进行控制的加热

29、炉正在逐步增加，出现了一些自校正、专家系统、自适应控制、模糊控制和智能控制等新型的加热炉控制系统，也取得了许多应用成果。29第2章 加热炉控制系统设计第2章 加热炉控制系统设计2.1炉温控制连续式加热炉一般分三段实现炉温自动控制，包括预热段、加热段和均热段。每段炉温各自独立控制，三段炉温采用相同的温度控制方案，炉温自动控制是以炉温控制为主环，煤气流量调节为副环的串级回路控制。2.1.1 燃烧控制的基本原理燃烧控制是加热炉加热过程计算机控制的中心内容6，是加热炉计算机控制实现优化烧钢的核心技术。燃烧控制实际上是根据加热炉生产工况，制定合理燃料供应量和空燃比、设定最佳炉温的综合控制。它是以设定炉温

30、为目标函数，当炉温低于或高于设定温度时，需要进行重油与空气量的调节，以实现炉温维持在设定炉温允许的范围内，使钢坯加热达到轧制的要求。在保证完全燃烧的前提下，炉内氛围的控制非常重要。控制适当的空气消耗系数，不使炉气中有大量的过剩空气，降低炉气中的自由氧浓度。同时注意适时地调节炉膛内的压力，保持微正压操作，尤其是在出钢口附近，避免吸入大量的冷空气，因为冷空气的重度大，留在炉底使钢坯表面上的氧化层增加，而且冷空气的吸入必然降低炉温，又使加热时间延长，浪费了大量的能源。在燃烧系统中，控制的主要任务是保证炉温在一定的范围之内，并且控制合适的空气过剩率。下图2.17表示了空气过剩率与燃烧的效率(不完全燃烧

31、的热损失以及排气带来的热损失)和污染之间的关系，由此可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。热损失由于不完全燃烧带走的热损失最佳燃烧区域燃烧效率排烟废气中带走的热损失燃烧效率空气过胜率（u）1.01.00图2.1 燃烧系统评估因素 =Fa / Fa maxF f / F f maxFaA0 * FfA0 * F f maxFa max设u为剩余空气系数，为空燃比。其定义如下: uFa/(A。*Ff)；*(2.1) = u * =A0为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量。Fa和Fa max分别为空气流量的测量值和最大值。Ff和Ff max分别为燃料流量

32、的测量值和最大值。为量程修正系数。从图2.1可以看出，当u为1时，是理论上煤气和空气的配比；但在实际中，u<1和1<=u<1.02分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当u>1.10时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低。同时，过多的O2会使NOx和SOx增加，对环保也不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩

33、空气燃烧区1.02u<1.10是最佳的燃烧方案，在此燃烧区域内，燃料几乎完全燃烧，这时燃烧效率最高，综合的热损失最小。另外，此燃烧区内不会产生太多黑烟，也不会产生太多的NOx和SOx。2.1.2 串级控制简介所谓串级控制系统就是由两台控制器串联在一起，控制一个控制阀的控制系统8。串级控制系统原理图如图2.2所示。主控制器副控制器执行器副对象主对象副检测、变送器主检测、变送器+_+_Y1Y2PV图 2.2 串级控制系统原理图串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点：(l)改善了被控过程的动态特性，可以使系统的响应加快，控制更为及时;(2)提高了

34、系统的工作频率，可使振荡周期缩短；(3)具有较强的抗扰动能力；(4)具有一定的自适应能力。综上所述，串级控制系统与单回路控制系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，调节器参数整定较复杂。所以在工业应用中，串级控制并不是任何场合都适用，往往应用于以下场合:(l)用于克服被控过程较大的容量滞后；(2)用于克服被控过程的纯滞后；(3)用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；(4)用于克服被控过程的非线性。2.1.3 炉温一煤气流量串级控制由于加热炉炉温过程是一个具有大惯性、非线性和多扰动等特点的过程，根据串级控制系统的特性，本文采用炉温一煤气流量串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的

35、自动控制。在此串级控制系统中，将变化较剧烈的煤气流量等扰动包含在副环回路中，利用副环回路的优良特性来抑制这些扰动对被控量即炉膛温度的影响。同时，利用串级控制系统可以改善被控过程动态特性和具有较强自适应能力的特点，来克服加热炉炉温过程的较大的容量滞后以及非线性等问题。炉温控制器煤气流量控制器执行器煤气流量对象炉温对象煤气流量检测、变送器炉温检测、变送器+_+_QTPVSP图2.3 加热炉炉温与煤气流量串级控制系统框图在图2.3中9，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即煤气流量控制器的设定值，而由煤气流量控制器的输出去控制煤气的调节阀，调节阀采用气开式，炉温控制器和煤气控制器均采用反作用方

36、式。在稳定状态下，炉温控制器和煤气控制器的输出都处于相对稳定值，煤气调节阀也相应地处于某一开度上。如果稳定状态被破坏，炉温控制器和煤气控制器的串级控制开始作用10。第一种情况：煤气流量发生变化。当煤气流量变送器检测出流量值与设定值进行比较，当实际流量值高于设定值 4000Nm3/h时，煤气流量控制器输出减小，通过执行器调整煤气流量，直至达到设定值。所以对于煤气流量的小变化，经过煤气流量控制器这一控制的结果，将不会引起炉温的变化；对于煤气流量的大变化，也将会大大削弱它对炉温的影响。随着时间的增长，煤气流量变化对炉温的影响将显示出来。炉温发生变化，炉温控制器开始工作，不断改变控制输出，直到炉温重新

37、回到设定值为止。第二种情况:炉温发生变化。假定当实测炉温高于1280，根据炉温控制器的反作用，控制输出减小，即煤气流量的设定值减小。由于此时煤气流量并没有变，即测量值暂时没有变化，又根据煤气流量控制器的反作用，其控制输出减小，调节阀应减小开度，煤气流量减小，炉温逐渐下降，直到炉温回到12001280为止。炉温降低时，其调节过程相反。第三种情况:假定炉温和煤气流量同时发生变化。这时分为两种情形：一种情形是温度、煤气流量同向发生变化；另一种情形是温度、煤气流量反向发生变化。对于第一种情形，以炉温升高、煤气流量增大为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测量值增

38、大，两方面作用一综合，这样流量控制器的输出应大幅度的减小，调节阀将大幅度关小开度，煤气流量大幅度减小，炉温很快回到设定值。对于第二种情形，以炉温升高、煤气流量减小为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测量值减小，两方面的作用结果，比较煤气控制器的输入是正偏差还是负偏差，然后经煤气控制器的作用控制调节阀的开度，使炉温回到设定值。2.2 流量控制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煤气流量与空气流量进行合理配比。本文采用比值控制方法来保证进入炉膛的煤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

39、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11。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荃础上，增加了交叉限幅功能，可以

40、很好地解决上述问题。由于双交叉限幅控制响应速度慢，因此当负荷较平稳时，采用煤气一空气流量双闭环比值控制策略，只有当负荷发生剧烈变化时，才采用双交叉限幅控制策略。2.2.1 煤气流量一空气流量双闭环比值控制本加热炉燃烧过程中，当燃烧负荷较平稳时，本文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。在本系统中，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12如图2.4所示。炉膛温度控制器煤气流量检测、变送器执行器煤气流量对象空燃比煤气流量控制器执行器空气流量对象空气流量控制器空气流量检测、变送器-+-煤气流量空气流量图2.4 煤气和空气双闭环比值控制

41、系统框图在稳定状态下，煤气流量和空气流量以一定的比值13(1:1.05)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

42、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。2.2.2 煤气流量一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

43、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料与空气之间的最佳动态配比关系14。当负荷增加时，燃料系统所需的煤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。防止空气或燃料量瞬时波动而两

44、流量不稳；在负荷增加(温度升高)的过程种，恰当的运用了“空气先行”，在负荷减少(温度降低)的过程中，恰当地运用了“燃料先行”，系统可以在低 “空气过剩率”下进行稳定的工作，使加热炉控制系统无论在升温过程还是在降温过程中都能使燃烧处于最佳燃烧状态15。这些是双交叉限幅控制最大的优点，因此，本文采用双交叉限幅控制策略来保证燃料流量和空气流量之间的最佳配比关系。炉温双交叉限幅控制系统框图16如图2.5所示。炉膛温度控制器煤气流量检测、变送器调节阀煤气流量对象空燃比煤气流量控制器调节阀空气流量对象空气流量控制器空气流量检测、变送器-+-双交叉限幅图2.5 炉温双交叉限幅控制系统框图双交叉限幅燃烧控制采

45、用煤气流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约防止负荷变化很快时出现煤气或空气的过渡过剩。通过双交叉限幅，副回路控制器在主回路的输出、以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值，这样，煤气流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内。双交叉限幅燃烧控制系统的优点17:双交叉限幅燃烧控制方式能有力地限制空气过剩率的实际值，克服了传统的串级控制系统的不足，从而保证了空气过剩率不至于远远地偏离设定值，保证燃烧同工作在最佳燃烧区内，减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带来的损失，

46、并且最大程度上降低了黑烟以及NOx和SOx给环境带来的污染。其中双交叉限幅工作原理示意图182.6所示。炉膛温度控制器煤气流量控制器空气流量控制器PV空流SP煤流煤流PV空流PV空流PV空流PV空流PV空流煤流PV煤流PV煤流取中值取中值双交叉限幅空燃比注：为限幅系数为空气过剩率图2.6双交叉限幅原理图2.3 炉压控制炉压控制不当是造成工业炉燃料浪费的最主要因素之一，炉内负压使得冷的空气通过炉门、炉衬裂缝以及其它开口进入炉内。这些漏入的冷空气必须被加热到炉温以后才能排出，这样会造成燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料。另外，如果炉膛内炉压太高，会大大降低加热炉的使用寿命，而且由于炉膛口的高压将使炉

47、门往外喷火，同样会浪费大量的燃料。所以，为保证安全生产和节能燃烧，我们有必要对炉压实现自动控制，以确保炉膛内压力的微正压。加热炉的炉膛压力控制，包括预热段、加热段、均热段炉膛压力控制19。加热段的炉膛压力控制是通过对排烟温度的自动控制来间接实现的；主要原因在于在加热段中，没有压力检测点，所以只能通过对排烟温度的控制来间接实现稳定炉膛压力的目的。由于在均热段炉顶有压力检测点，因此，均热段炉压采用直接控制方式。第2章 加热炉控制系统设计2.3.1 预热段和加热段炉压自动控制加热段炉压自动控制，是利用加热段排烟阀进行排烟温度调节，排烟阀通过控制排烟流量来调节排烟温度，从而间接实现加热段炉膛压力的稳定

48、。控制合适、相对平稳的排烟温度对提高加热炉的热效率和为加热炉提供温度稳定的预热空气，维持加热炉的炉内气氛非常重要。一般来说，排烟温度不能低于120，否则说明蓄热效果差，达不到节能的目的，也影响预热煤气和空气的质量；另外，排烟温度也不能太高，否则排烟温度中将带走很大的一部分热量，加热炉的热效率就不高，排烟温度过高，会烧坏阀门等非耐热部件，因此需要对排烟温度进行控制。当该段排烟温度过高时，应适当地减小该段排烟阀的开度，减少烟气的流通量。当任何一个排烟温度有高高报警时(一般排烟温度大于180时)，采取应急措施，将排烟阀强行关闭；只有当高高报警消除时，才重新将该排烟阀打开。实际上，整段排烟被禁止时，对

49、炉膛内的温度场影响很大，不应该使该排烟阀长时间地处于关闭状态。一般当一组换向装置的排烟温度有高报警时，该换向装置就会以定温方式换向，只要一换向，通过热交换的方向改变，排烟温度会很快得到控制，烟温也不大可能会有高高报替。加热段通过排烟温度间接调节炉压的控制系统框图20如图2.7所示。排烟温度设定值烟温控制器排烟调节阀烟温检测、变送器加热炉排烟平均温度图2.7 加热段炉压控制系统框图2.3.2 均热段炉压自动控制 均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从出钢口往外喷，造成很大的一部分热损失;炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气从炉膛口进入炉膛，这会大大浪费燃料能源。因此，必须保证均热段炉

50、膛压力的稳定。由于在均热段炉顶有压力检测点，因此，均热段炉压采用直接控制方式。但是，如果排烟温度过高，蓄热室温度也高，若达到蓄热体的耐热极限，将会影响蓄热体的寿命，所以在加热炉烟温过高时，炉膛压力波动就变成了次要矛盾，而烟温过高成为了主要矛盾，所以必须尽快将烟温回复到正常范围。综上，本文设计了均热段炉膛压力和排烟温度的选择性控制系统，来满足工艺过程对炉膛压力及排烟温度的要求。在烟温正常情况下，选择性控制系统将选择炉膛压力控制器来控制调节阀的开度，从而实现炉膛压力的稳定；烟温超高时，选择性控制系统将选择烟温控制器来控制调节阀的开度，从而使烟温能够尽快回复到工艺允许的范围。均热段炉膛压力和排烟温度

51、的选择性控制系统功能如下：(1)排烟温度正常时，选择性控制系统将选择炉膛压力控制器来控制调节阀的开度，从而实现炉膛压力的稳定；(2)排烟温度较高(超过烟温警戒线)时，选择性控制系统将选择烟温控制器来控制调节阀的开度，从而使得烟温能够尽快回复到工艺允许的范围；(3)排烟温度有高高报警(超过180)或换向出现故障时，为保护蓄热体，控制系统将立即强制关闭排烟阀；(4)不起作用的控制器需要跟踪正在工作的控制器的输出，以实现控制器之间的无扰切换。均热段炉压与排烟温度的选择性控制系统框图21如图2.8所示。烟温控制器压力控制器调节阀加热炉烟温检测、变送器压力检测、变送器PV1PV2选择控制器SP2SP1图

52、2.8 均热段炉压控制系统框图烟温控制器和炉压控制器共用一个调节阀。其中，在烟温正常时炉压控制器工作，烟温控制器处于备用状态，两个控制器的输出信号同时送至选择器，选择器选择炉压控制器输出的控制信号送给调节阀实现对炉压的自动控制。当烟温不正常时，选择器选择烟温控制器取代炉压控制器工作，直到烟温恢复正常，然后通过选择器的自动切换，再由炉压控制器来控制生产的正常进行。可见，均热段炉压控制系统不但能够在烟温正常的情况下克服外来扰动对于压力的影响，实现平衡操作，而且还可以在烟温偏高的情况下克服对加热炉蓄热体的影响，延长加热炉寿命。2.4 煤气总管和空气总管的压力控制以及汽包液位控制为保证烧嘴喷出的煤气和

53、空气有一定的速度且能充分混合，需调节煤气总管压力和空气总管的压力在一定的范围之内。煤气总管和空气总管的压力控制以及汽包液位控制器都采用单回路PID控制器22。煤气总管压力低于1500Pa和空气总管压力低于2000Pa的时候换向阀全部强制关闭。由于加热炉炉膛内长期保持高温状态，为防止炉膛内的支撑机构被烧坏，设置汽包冷却水循环对其降温，为保证管内水压力，汽包液位要求控制在一定水位。由于冷却系统在加热炉占有重要地位，采用压差式和电触点式两种水位检测方式。压差式灵敏度高，与电动阀及手操器构成PID调节回路，电触点式精度差，但性能可靠，用作备用。2.5 加热炉控制难点加热炉温度难以用严格的数学表达式来描

54、述其特性，是具有时变性、多扰动和严重非线性等特性的对象，其结构复杂，受许多干扰因素的影响，燃料的发热值又很难在线准确测量，因此一般线性调节器不能满足对象及工艺控制的要求，很难实现全自动控制，采用PID算法双交叉限幅控制器的效果很差23。从上述可归纳出被控对象有以下特性:(1)系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；(2)系统滞后的未知性和时变性；(3)系统严重的非线性；(4)环境干扰的未知性、多样性和随机性。显然，轧钢加热炉温度是具有不确定性的复杂控制对象。第3章 计算机控制系统的实现第3章 计算机控制系统的实现3.1 控制系统结构为实现对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的目的，系

55、统采用集散控制方式。根据连续式加热炉结构，控制系统由一台研华管理监控计算机作为DCS上位系统，对DCS下位系统本设计采用西门子S7-300系列PLC进行现场过程控制，用S7-200系列PLC进行换向控制。系统结构24如图3.1所示。管理监控计算机可对控制系统中各项控制参数及加热炉的各项过程参数进行管理、操作和监视。通过各种外设提供的与炉内各段温度、燃料流量及空气流量有关的数据、图像、曲线、报表等资料，为操作人员实时掌握炉内燃烧状态并进行正确的操作提供了依据，同时为生产管理人员统计，分析加热炉的生产技术指标带来极大的方便。键盘管理监控计算机显示器温度调节器燃料流量调节器空气流量调节器温度传感器烧

56、嘴燃料流量调节阀燃料流量传感器空气流量调节阀空气温度传感器空气流量传感器记录仪通信接口打印机加热炉空气燃料图3.1 加热炉计算机集散控制系统结构示意图S7-300完成对连续式加热炉燃烧、压力及汽化冷却系统的控制，为提高系统的动静态指标和抗干扰能力，各段控制均采用双闭环结构。内环由两个并行的回路组成。即燃料流量调节回路和空气流量调节回路。分别对燃料流量和空气流量进行控制。外环为温度环，实现对炉内各段温度的控制，从而保证各段的温度控制精度及升、降温速度。由于内环的调节作用，使系统对燃料流量与空气流量的波动有较强的抑制作用。从而大大减小了由于二者的波动而引起的温度波动。提高了系统的温度控制精度及抗干扰能力。燃料调节器回路与空气调节器回路之间由可调的空燃比曲线耦合，以调节炉内燃料与空气的比例。通过优化的空燃比曲线，可调节不同工况时的炉内燃烧气氛，实现