YGW_9300型有机热载体加热炉控制系统方案

1、 毕业设计(论文)YGW-9300型有机热载体加热炉控制系统 课 程 名 称PLC原理与应用45 / 48加热炉燃烧控制系统设计与仿真摘 要冶金工业消耗大量的能源，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的四分之一。自70年代中期以来，各工业先进国对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛、深入的研究，大大降低了能耗。步进式加热炉不仅是轧线上最重要的设备之一，而且也是耗能大户。钢坯加热的技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。因此步进式加热炉优化设定控制技术的推广对钢铁企业意义重大。步进式加热炉的生产目的是满足轧制要求的钢坯温度分布，并实现钢坯表面氧化烧损最少和能耗最小。由于步进式加热炉具有非线性、不

2、确定性等特点，其动态特性很难用数学模型加以描述，因此采用经典的控制方法难以收到理想的控制效果，只能依靠操作人员凭经验控制设定值，当工况发生变化时，往往使工艺指标（如空燃比）实际值偏离目标值围，造成产品质量下降消耗增加。针对以上情况，本文通过理论和仿真比较说明使用双交叉限幅控制系统是一种比较好的燃烧控制方法。关键词：步进式加热炉； 空燃比； 双交叉限幅 ；系统仿真目 录摘要IABSTRACT错误！未定义书签。第一章引言1第二章步进式加热炉42.1步进式加热炉简介42.2 步进式加热炉工艺过程52.3 加热炉控制技术的发展和现状8第三章燃烧控制系统设计与仿真93.1 步进式加热炉生产工艺和控制要求

3、93.2 燃烧控制系统与仿真103.2.1 Simulink简介103.2.2 仿真模型的建立113.2.3 串级比值控制系统设计与仿真123.2.4 单交叉限幅燃烧控制系统设计与仿真173.2.5 双交叉限幅控制系统设计与仿真223.2.6 偏置单元和炉膛负压控制系统简介29第四章组态软件MCGS在加热炉控制中的应用304.1 MCGS简介304.2 MCGS在加热炉控制中的应用32第五章仪表选型345.1 检测元件的选型345.1.1 温度检测345.2 压力和流量的测量365.3 变送器的选取375.3.1温度变送器385.3.2差压变送器的选取395.4 执行器的选择40结束语42参考

4、文献43致44第一章 引言工业锅炉广泛应用于炼油、冶金、化工、轻工、造纸、纺织与食品等行业。每年消耗大量的原煤。由于热工检测手段落后，自动控制系统不够完善与运行管理不良等原因,导致热效率比设计值低10%20%。并由于调节量过大的波动引起执行机构过度磨损，燃烧不稳定，热力设备与管道的热应力破坏，工艺次品率升高，锅炉冒黑烟，产生大量氮氧化物等造成环境污染。许多厂家和单位已研制出多种工业锅炉的仪表或微机控制系统，并取得一定成效。但运行实践表明，工业锅炉滞后和惯性大，反应慢，回路多，耦合性强，过程扰动与噪声大，以与对象特性由于积灰、结垢、电子元件老化，环境、负荷、煤质等原因而发生变化。人们发现，燃烧调

5、节系统已偏离最佳整定，要么反应迟钝，要么振荡太大，难以长期或在某些工况下运行。而调节器的整定又很费时间，且要求相当的技术，因此常将其切换至手控运行方式。不仅工人劳动强度大，且易使效率降低，污染加剧。采用自适应控制可以使自控系统投入率提高，减少运行操作人员，节约能源，减轻污染。自动燃烧控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前提下，实现最佳燃烧控制以达到减少烧损、节约能源的目的。根据燃烧机理，一般加热炉空气过剩系数u的最佳围为1.021.10，称为最佳燃烧带。如果u过大，使火焰温度降低，氧化铁皮厚度增加即烧损增加；反之，u过小，既冒黑烟污染环境，又使燃烧效率下降。一般情况下，加热炉燃烧控制都

6、采用基本串级比值控制方案，或是其变化形式。但由于空气管道时间常数比燃料回路大，当负荷突然发生变化时，这种控制方案不能保证u在最佳燃烧区。为解决这一问题，许多人进行了深人研究，先后产生了几种交叉制约控制方案，使燃烧控制系统日趋完善1。1、加热炉的工艺和结构在本文中加热炉使用的是步进式加热炉。它由以下几个基本部分结构组成：炉膛和炉衬，燃料系统，供风系统，排烟系统，冷却系统，余热利用装置，装出料设备，检测与调节设备，电子计算机控制系统等。步进式加热炉的工业过程：由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装

7、料辊道运至装料机口定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算机的控制系统发出指令，炉门升起，炉步进梁再将其托起、前进、下降、后退，完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端依次顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动后，算出板坯位置，当炉子接到信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。2、控制参数的选择燃烧过程的控制有以下三个基本要求：1） 保证炉膛温度稳定，能按要求自动增减燃料量；2） 燃烧良好，

8、供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；3） 保证锅炉安全运行。保证炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，造成炉膛热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉，从而使热量损失增加7。因此，在本设计中要做两个控制系统。一个是温度控制系统；一个是炉膛负压控制系统。则控制参数分别为炉膛温度和炉膛负压。炉膛温度围是11001200，炉膛负压围是0-30Pa3。3、控制燃烧方案燃烧自动调节系统包括热负荷、送风、引风三个调节回路。其中，燃料量和送风量的比例是影响燃烧经济性的主要因素。为了防止不完全燃烧，保证动态过程中风量始终有一定裕量，就

9、需要采用单交叉控制（或称选择性控制），以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。 单交叉控制只有风对燃料的限制，没有燃料对风的限制，即可以保证风量始终有一定富裕量，但不能排除风量过大可能造成的热损失。为此可采用双交叉控制，即在风量调节回路中再增加一个低值选择器，燃料回路中再增加一个高值选择器与必要的运算组件，以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风，保证一定的空气裕量，同时又防止风量过大。双交叉限幅经历了燃料先行的比值或空气先行的比值调节系统、串级串联燃烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单交叉限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它是以炉温调节回路为主环，燃料流量和空气

10、流量调节为副环，构成串级并联双交叉限幅控制系统13。双交叉限幅控制系统在负荷变化时，系统各参数变化，根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅。在负荷增加或减小时，燃料流量和空气流量相互限制交替增加或减小，即使在动态情况下，系统也能保持良好的空燃比。炉膛负压控制系统采用前馈反馈控制系统，炉膛负压控制一般可通过控制引风量来实现，但当锅炉负荷变化较大时，单回路控制系统较难控制。因负荷变化后，燃料与送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风控制器去控制，这样引风量的变化落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波动。为此用反映负荷变化的蒸汽压

11、力作为前馈信号，组成前馈反馈控制系统。4、仿真手段早期的仿真软件是仿真程序，是针对某类问题或仿真方法编制的专用程序，是仿真软件的初级形式。例如，CSS仿真程序就是专门解决连续系统仿真问题的。仿真程序通常采用人机对话方式输入必要参数，具有使用简单、修改与扩充方便、易于普与推广等优点11。但仿真程序的功能比较简单，一般只能处理仿真的一些基本问题，不能对复杂的系统进行有效的仿真。仿真语言是一种直接用于解决仿真问题的专用高级语言，是仿真软件的高级形式。它是在某一种程序设计语言的基础上编制的，其成熟期在20世纪的70年代至80年代。例如，ACSL,DARE-P,CSSL IV,SLAM和MIMIC就是其

12、比较流行的数字仿真语言。使用者可以通过一些专用语句，把微分方程或系统结构图输入到计算机中，由仿真语言中的“翻译模块”将它们翻译成机械的汇编语言或某种程序设计语言，并自动翻译、装配、执行，从而使得用户更多地摆脱对程序的熟悉和了解。仿真语言比仿真程序功能更全面，使用起来更方面。然而，由于要求用户能按仿真语言的格式去编写仿真源程序，因此对于一般工程技术人员而言，使用起来仍然感到不是很方面4。近二十年来，随着计算机技术的飞速发展，控制系统计算机仿真与辅助设计软件也取得了巨大的进步，突出的表现是广泛的可视化操作和软件的高度集成化。1985年推出的MATLAB语言就是这样的一个软件。尤其是1993年问世的

13、Simulink，这个集成在MATLAB中的动态系统建模与仿真工具，使得MATLAB集可靠的数值运算（尤其是矩阵运算）、图形图像显示和处理、高水平的图形界面设计功能与一身，并提供与其他高级程序设计语言的接口，因此成为控制系统研究人员必备的工具。目前，MATLAB已可以在多种机型上运行，用MATLAB设计的仿真模型具有良好的可移植性。MATLAB是一种解释性程序设计语言，用户既可以在MATLAB环境下输入一个命令，也可以用MATLAB语言编写应用程序，由MATLAB负责执行并给出结果14。而控制系统工具箱是MATLAB中专门针对控制系统工程分析设计的函数和工具的集合。该工具箱采用M文件形式，提供

14、了非常丰富的算法程序。它主要应用于反馈控制系统的设计、分析和建模，所涉与的领域涵盖 经典控制理论和现代控制理论的大部分容，包括根轨迹、极点配置和LQG（线性二次最优）控制器设计等。另外，还提供友好的图形界面环境（GUI），大大简化了控制系统的分析和设计过程。为此，在本设计中我选用MATLAB来对本设计进行仿真。第二章 步进式加热炉2.1步进式加热炉简介热连轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢连铸的钢坯在钢坯库冷却后，必须经过加热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往热轧线进行轧制，它在炼钢生产和连续性轧钢生产之间起缓冲、平衡作用。步进式加热炉是热连轧厂中钢坯加热用的设备，它将冷钢坯加热到轧制要求的目标

15、温度，并使其温度均匀。加热炉的控制系统直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥连轧机的生产能力，要求加热炉提高炉床负荷，因此有必要增强对加热炉的控制。步进式加热炉属室状炉类型，即炉温是随时间而变的。加热炉要根据钢坯的材质、尺寸规格、装炉温度、出炉温度等，确定炉子的加热制度，即确定加热升温曲线，包括各阶段的加热温度、加热时间、加热速度、保温时间。加热炉在保证安全运行与完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效与经济地燃烧。因此当加热炉控制系统的负荷与煤气的质量等因素发生波动时，应当考虑采用何种合理有效的控制手段，能使加热炉的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制围之，并且能够使加热炉工作在

16、最佳燃烧区5。步进式加热炉的结构图如下所示：图2-1 步进式加热炉的结构图2.2 步进式加热炉工艺过程由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算机的控制系统发出指令，炉门升起，炉步进梁再将其托起、前进、下降、后退，完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端按顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动

17、后，算出板坯位置，当炉子接到要钢信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。当步进梁需要分段操作时，在两段步进梁的分段区域设置一组激光检测器，经检测确认分段区域没有钢坯时，才能进行步进梁按工艺要求的分段操作。步进式加热炉的工艺过程图如下所示：图2-2 步进式加热炉的工艺过程图步进梁的运动轨迹是一个矩形运动轨迹，具体入下图所示。步进梁运动由水平运动和升降运动组成：水平运动和升降运动过程中的速度是变化的，其目的在于保证板坯以较低的速度接触固定梁和步进梁开始动作和结束动作的缓和，减少步进机构产生的冲击和震动。步进机构的水平运动是：通过一台平移液压缸

18、驱动平移框架，使其在提升框架的滚轮上作平移运动，此时，提升钢处于静止状态。图2-1 步进式炉钢坯运动轨迹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。步进梁运动的工作行程为：上升为200mm，前进为550mm，步进周期为35秒，其中上升10.5秒，前进7秒，下降10.5秒，后退7秒，运动速度的变化由液压系统比例阀的控制来实现，而步进梁的运动极限位置以与运动速度改变点(位置)分别由升降缸置线性位移传感器和平移缸置线性位移传感器来确定。当板坯较长时间停炉时，要求步进梁停在中位与固定梁同一标高或进行踏步，以避免板坯变形弯曲和黑印加重，正常生产

19、时步进梁停在低位7。通过前面的介绍，我们可以总结出步进式加热炉相对于推钢式加热炉的优点如下：1）轧机计划停轧前，步进式加热炉可以把所有的钢坯取出送往轧机而不需要其他设备，炉子出空后其热惰性比装有坯料的炉子小，冷却较快，缩短了检修周期，减轻了劳动强度；轧机事故停扎时，炉钢坯可以局部或全部从装料侧方向退出炉外，没有因炉保温造成的氧化损失和燃料消耗。2）钢坯在步进式炉以一定间隔放置，排除了粘钢的可能性。装料可以按任意顺序安排钢号或钢种，只要在他们之间将间隙增大到若干步距即可。3）钢坯在步进式炉四面受热，加热断面温差小、加热均匀，能减少脱碳深度，减少氧化烧损。4）步进式加热炉炉长不受限制，产量高，生产

20、操作灵活，符合高产、优质、低耗、节能、无公害与生产操作自动化的工艺要求。2.3 步进式加热炉的工艺结构步进式加热炉共分为3个供热段：预热段、加热段、均热段，对应于10个燃烧控制区。炉体四壁由不同材质的耐火保温材料砌筑而成。设备组成如下:1） 板坯输送辊道设备2） 装料炉门升降机构3） 装钢机4） 炉底步进机械5） 步进炉液压系统6） 出钢机7） 出料炉门的升降机构8） 干油集中润滑系统2.3 加热炉控制技术的发展和现状现代化的高产量热轧带钢轧机，由于对轧制带钢的厚度尺寸公差，带钢表面质量和板型控制的要求日益严格，因而对板坯加热温度均匀性和热板坯表面的质量要求也不断提高。加热炉是热轧带钢轧机必须

21、配备的热处理设备，随着工业自动化技术的不断发展，现代化的热连轧机应该配置大型化的，高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质低耗、节能、无公害以与生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。我国轧钢工业的加热炉型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，板坯背面滑轨擦痕多，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，在炉做矩形运动来移送板坯，板坯之间可以留出空隙，板坯和步进梁之间没有摩擦，出炉板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

22、的坯料，钢坯加热断面温差小、加热均匀以与可出空炉料，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、无公害以与生产操作自动化的工艺要求。从60年代开始，一些发达国家就开始对工业炉进行改造，除组织合理化以外，主要靠技术进步，即新设备、新工艺和自动化技术与计算机应用，从而使工业炉技术飞速发展，且向高产、优质多品种和节能降耗方向发展。由于自动化与计算机应用不仅节省人力，更重要的是能把工艺参数严格控制在规定值围之，监控生产过程，甚至于自寻最优而使工艺过程优化，达到高产、优质、节能降耗以与降低成本，而且能生产过去不能生产的产品，故自动化与计算机应用不仅是工业现代化的标志，而且

23、是生产必需和关键的环节，因此世界各国都努力发展工业自动化。加热炉采用计算机控制系统，一般能节能5%左右，减少氧化烧损0.2%左右，在频繁改变生产计划、坯料钢种和规格的情况下，其节能和减少板坯氧化烧损的效果将更加显著。我国在7080年代建的轧钢生产线大多存在能耗高、产量低、产品质量差、生产自动化水平低等问题。1979年12月召开的全国轧钢会议，对我国轧钢工业现状与其发展方向进行了全面深入的讨论，提出应用连铸逐步代替初轧，用连续式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，用连续式棒材型材轧机代替横列式轧机，用步进式加热炉代替推式加热炉等等。我国轧机在装备水平上与国

24、外的差距一是规模小，装机水平低；二是我国的轧机加热炉大多数是推钢式加热炉，小时产量为6080吨，国外发达国家基本是采用步进式加热炉，加热能力为250吨。80年代后期开始我国经济发达的省份和各大钢铁集团公司相继引进或改建成了控制系统引进国外的系统具有国际水平的全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点：1）生产能耗大幅度降低，从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。2）产量大幅度提高，现在都在100万吨/年以上。3）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统都是PLC或DCS统，而且大多还具有二

25、级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置8。第三章 燃烧控制系统设计与仿真3.1 步进式加热炉生产工艺和控制要求待轧钢坯根据计划被排列在加热炉的滑轨上，用燃料和空气混合燃烧产生的热量进行加热，钢坯被加热到合适的温度后送给轧机进行轧制。燃料的燃烧需要适当配比的空气，空气量不足会造成燃料燃烧不充分从而浪费能源并污染大气；而空气过量时多余的空气会带走炉热量，同时过量的空气会造成钢坯的氧化烧损，高效燃烧控制的重点就是空燃比的控制。考虑燃料和空气混合的实际情况，通常空气量要多于燃烧所需的理论值，即理论空气量，而空气过剩系数一般控制在1.021.1之间。为了充分利用燃烧产

26、生的热量，保证钢坯按适当的速度升温，加热炉沿入料端至出料端分成预热、加热、均热三个温度段。预热段为缓慢加热区，炉膛温度稍低；加热段为快速加热区，温度在炉最高均热段主要是消除钢坯表面和芯部的温度差，使整个钢坯的温度适合于轧制要求。对于不同规格种类的钢坯三段温度的控制要求不同。钢坯在炉随着温度场的变化逐渐被加热到轧制温度。炉膛温度在正常生产情况下与投入到炉的燃料量是相对应的，在满足轧机生产要求的前提下适当降低加热强度，可以降低燃料的消耗量。3.2 燃烧控制系统与仿真对于燃烧控制系统，空气过剩系数u是一个重要参数。因为燃烧控制系统一个最重要的参数就是空燃比k，而k=u，其中为量程修正系数。u与节能有

27、着直接的联系。如下图所示：图3-1 空气过剩系数与节能的关系从图中可以看出，最佳燃烧围是空气过剩系数在1.021.1之间。当空气过剩系数从1.02逐渐减小时，由于空气不足，燃料燃烧不完全，这样不但要冒黑烟污染环境，还要燃烧率降低浪费能量；当空气过剩系数从1.1逐渐增大时，由于空气过多，使多余的空气带着热量排到空气中，这也使热效率减小。3.2.1 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰与仿真

28、精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制与数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图

29、的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。3.2.2 仿真模型的建立为了对本设计中的三种燃烧控制系统进行比较，作者在设计中用Simulink对这三种燃烧控制系统调试仿真，使控制效果达到最佳，进最终改进加热炉燃烧控制的性能。由于加热炉温度控制有大滞后、大惯性的特点，而其也可以看成单容对象，因此温度的传递函数可以设定为：G(S)=(3-1)燃料流量和空气流量反应较快，又是单容对象，因此它们都可以看成一阶惯性环节，其传递函数如下：燃料流量对象传递函数：G(S)=(3-2)空气流量对象传递函数：G(S)=(3-3

30、)由于温度对象的传递函数具有滞后和非线性，则温度PID中要有比例、积分和微分环节。微分的作用是克服温度的滞后，积分的目的是消除静态误差和稳定温度控制对象。因此温度PID的传递函数为：G(S)=Kp+(3-4)流量是个脉动信号，因此不能在控制器中加入微分作用，否则系统对输入太敏感，容易引起系统严重不稳定。同时为了控制器可以快速对偏差做出反应，燃料流量和空气流量PID设定为纯比例，即G(S)=Kp。 (3-5)根据执行器的原理可知，如果系统接受一阶阶跃信号，执行器得由一个开度变化到另一个开度，因此这有一个过程，则中间就有一个过渡，但时间较短。因此执行器的传递函数可以近似为一阶惯性环节：G(S)=(

31、3-6)由于检测和变送器的输入信号和输出信号可以看成已线性化，因此其传递函数可以看成纯比例，即G(S)=Kp9(3-7)3.2.3 串级比值控制系统设计与仿真本设计共做了三个控制系统，现在先设计串级比值系统。下面是其仪表圆圈图： 图3-2 串级比值控制系统仪表圆圈图如图所示，其中FaC和FaT是空气流量控制器和变送器；FfC和FfT是燃料流量控制器和变送器；K为初始空燃比。串级比值控制系统的工作过程是，首先用热电偶从炉膛检测实时温度，通过温度变送器送到温度控制器，然后其输出作为燃料控制器的设定值。通过设定值和燃料流量变送器输出的信号比较，来控制阀门的开度以改变燃料的流量。而空气流量控制器的设定

32、值是燃料流量变送器输出乘以空燃比K，因此空气流量控制器的设定值随炉温变化而改变，同燃料控制回路，空气流量也相应改变，最终使炉膛温度稳定在一个合适的温度。本系统的优点是能快速克服进入副回路的干扰，使系统的抗干扰能力增强，控制质量提高；改善控制过程的动态特性，提高系统的工作效率；对负荷和操作条件的变化适应性强。下面，本设计将要对本系统进行Simulink进行仿真。仿真原理图如下：图3-3 串级比值控制系统Simulink仿真原理图从本原理图中可以看出，串级控制系统的副回路是燃料流量控制。在仪表之间的通讯信号统一为05V，而对象输出的信号为实际的流量信号和温度信号。各个环节之间都经过了统一的标度转换

33、。下面对仿真结果图进行说明，在空燃比的仿真图中，纵轴代表的是空燃比，横轴代表的是时间，单位是秒；在温度的仿真图中，纵轴代表的是温度，单位是度，横轴代表的是时间，单位是秒。当降负荷时，即炉温设定值调低。由于温度控制器是反作用，燃料流量给定值和空气流量给定值同时下降，但由于空气对象的时间常数大于燃料对象，使得实际燃料流量给定值降低快于空气流量给定值。则空燃比将有个波峰，空气过剩。这可能使产品氧化，质量下降。当升负荷时，即炉温设定值调高。则温度控制器由于是反作用，其输出变大，燃料流量给定值和空气流量给定值同时上升，同样由于空气对象的时间常数大于燃料对象的时间常数，使燃料流量给定值增加快于空气流量给定

34、值。则空燃比将有个波谷，空气不足。这将引起冒黑烟，污染环境，浪费能量10。下面是串级比值控制系统温度降量时的空燃比仿真图：图3-4 串级比值控制系统降量时的空燃比仿真图从图中可以看出，当温度降量时空燃比有一个大的波峰，同时可以知道此时空气过剩系数大于1.1，已经超出最佳燃烧区的上限。因此，过剩的空气将带走能量，并将氧化钢坯的表面，使产品质量下降。下面是串级比值控制系统温度提量时空燃比仿真图：图3-5 串级比值控制系统提量时空燃比仿真图从图中可以看出，当温度提量时，空燃比有一个大的波谷，同时可以知道空气过剩系数此时已经小于最佳燃烧区的下限值1.02。因此，在本控制系统温度提量时空气过少，煤气过多

35、，导致冒黑烟，将对环境污染和能量浪费。3.2.4 单交叉限幅燃烧控制系统设计与仿真下面是单交叉限幅燃烧控制系统仪表圆圈图：图3-6 单交叉限幅燃烧控制系统设计与仿真其中：K空燃比;K1、K2偏置单元;、a，则低选器选择a，而a与b比较，a大于b，则信号a作为空气流量控制器的给定值；对于燃料回路，ec，则高选器选择信号e，而e与d比较，e大于d，低选器选择d，即燃料流量控制器给定值是信号d。上述情况表明：升温时，燃料和空气同时取上限限幅值，随温度的上升，e值逐渐变小，最终温度值达到设定值，进入稳定状态，双交叉限幅过程结束。当炉温降负荷时，即温度设定值变小，同上，输出e变小。对于空气回路，ea，则

36、低选器选择信号e，而e又小于b，因此高选器选择信号b作为空气流量控制器的给定值；对于燃料回路，ec，则高选器选择信号c，同时，由于cK4，使增加的气流量大于燃料流量，从而达到“先增空气后增燃料”，这样就可以防止冒黑烟；降负荷时，设定K2K3，使减少的燃料流量大于空气流量，从而实现“先减燃料后减空气”，这样就可以防止浪费能量。3）在稳态时可以防止空气和燃料流量波动。K4和K3可以防止因空气流量的波动而引起燃料流量的波动；K1和K2可以防止空气流量跟随燃料流量的波动。这相当于设置了一个死区，可以防止干扰和改善系统的响应特性13。偏置单元取值小时，可以有效节能，但会降低系统的响应速度；反之，可以提高

37、响应速度，但节能效率降低。最终综合得出如下结果：K1=1.07,K2=0.96,K3=0.93,K4=1.04。炉膛负压控制系统是一个前馈-反馈控制系统，炉膛负压控制一般可以通过控制引风量来实现，但当锅炉负荷变化较大时，单回路控制系统较难控制。因负荷变化后，燃料与送风量均将变化，但引风量的变化落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波动。为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈-反馈控制系统。通常炉膛负压控制在-20Pa14。第四章 组态软件MCGS在加热炉控制中的应用4.1 MCGS简介MCGS组态软件 MCGS(Monitor and Control Generated System

38、)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。 MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以与企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。 MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行

39、业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境是生成应用系统的工作环境，用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作。运行环境是用户应用系统的运行环境，进行各种处理，完成组态设计的目标和功能。也就是，在组态环境中根据使用者要达到的控制要求去设计，运行环境运行您设计好的组态工程。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。主控窗口:是工程的主要窗口或主框架。在主控窗口

40、中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称与存盘时间等。设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。也就是，要在设备窗口中选择所有连接的器控制(如PLC，变频器，仪表等)的型号，并设定从设备中读取哪些变量(如PLC中的寄存器D0)。用户窗口:本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。也就是，所要显示的控制界

41、面。实时数据库:是工程各个部分的数据交换与处理中心。在本窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接与设备驱动的对象。也就是，要在实时数据库里定义一些变量与所要控制的设备中的变量一一对应，以备建立的各个用户窗口调用。当然也可以根据需要建立一些中间变量来存放计算的过渡值或是临时状态。运行策略:本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序(脚本程序)，选用各种功能构件。比如，当监控界面有一段说明文字是根据PLC的两个输入点闭合的情况分别显示不同的容，则就要在运行策略窗口做一个if.then判断。 MCGS软件的分类： 1)嵌入版组态软件：嵌入版处于整个监控系统最下层的

42、组态软件，主要完成现场数据的采集、前端数据的处理与控制。与其他相关的硬件相结合，可以快速、方便地开发成各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。2)通用版组态软件：通用版处于监控系统中层的组态软件，主要完成通用工作站的数据采集和加工、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等日常性监控事务，系统稳定可靠，能方便的代替大量的现场工作人员的劳动和完成对现场的自动监控和报警处理，随时或定时的打印各种报表。本设计就是使用的通用版。 3)网络版组态软件：网络版处于整个监控系统中最上层的组态软件，主要完成整个系统的信息收集和发布，即把位于其监控之下的所有监控站点的数据通过各

43、种复杂的网络结构，最终集中在网络服务器中，并把所有的数据在服务器中统一管理和保存，通过Web浏览的方式向各个采集站点发布，使位于办公室的部门直观地看到现场的工作情况。 MCGS的“与设备无关”概念：无论您使用PLC、仪表、还是使用采集板等设备，在进入工程现场前的组态测试时，均采用模拟数据进行，等测试合格后，再进行与设备连接15。4.2 MCGS在加热炉控制中的应用本设计使用的是通用版MCGS。主要完成以下功能：实时显示各加热段的温度和煤气总管的压力，并对煤气总管压力和温度进行上、下限报警；显示实时曲线、历史曲线和历史报警数据。系统组态如下图所示：图4-1 步进式加热炉燃烧控制系统MCSG用户窗

44、口图其实时曲线如下图所示：图4-2 MCGS实时曲线图其历史曲线如下：图4-3 MSGS历史曲线图其报警数据如下：图4-4 MCGS报警数据图第五章 仪表选型5.1 检测元件的选型5.1.1 温度检测1)热电阻测温热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍、钨、银等。薄膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。其中骨架用瓷，引线采用铂钯合金。热电阻的测温原

45、理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。其优点很多，也可以远传电信号，灵敏度高，稳定性强，互换性以与准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，铂热电阻的测温的围一般为零下200800摄氏度，铜热电阻为零下40140摄氏度16。由于热电阻测温的围较窄，在本设计中不采用热电阻。2)热电偶测温热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时,回路中

46、就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势-热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时， 只要该材料两个接点的温度一样，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温， 可接入测量仪表， 测得热电动势后， 即可知道被测介质的温度。共有S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。其中，

47、铂铑10-铂热电偶(S型) 该热电偶长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性与在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。而R型热电偶（铂铑13-铂热电偶）与S型热电偶性能相仿。铂铑30-铂铑6热电偶（B型）该热电偶长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。

48、镍铬-镍硅热电偶（K型）其使用温度为-2001300。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。镍铬硅-镍硅热电偶（N型）其使用温度为-2001300。 N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点。镍铬-铜镍热电偶（E型）该热电偶的使用温度为-200900。E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。铁-铜镍热电偶（J型）通常使用的温度围为0750，J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。铜-铜镍热电偶（T型）测量温区为-200350，T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。综上所述，本设计采用S型和K型热电偶。其中，K型应用于预热段，S型应用于其它两端17。为使热电偶使用寿命长，不可以把