過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計--步進式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　步進式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　一、步進式加熱爐工藝流程</p><p><b>　　⒈步進式加熱爐簡介</b></p><p><b>　?、挪竭M式加熱爐</b></p><p>　　步進式加熱爐是一種靠爐底或水冷金屬梁的上升、前進、下降、后退的動作把料坯一步一

2、步地移送前進的連續(xù)加熱爐。</p><p>　　爐子有固定爐底和步進爐底，或者有固定梁和步進梁。前者叫做步進底式爐，后者叫做步進梁式爐。軋鋼用加熱爐的步進梁通常由水冷管組成。步進梁式爐可對料坯實現(xiàn)上下雙面加熱。</p><p>　?。?）步進式爐的幾種類型</p><p>　　步進式爐從爐子構(gòu)造上分目前有：單面供熱步進式爐、兩面供熱步進式爐、鋼料可以翻轉(zhuǎn)的步進式爐、

3、交替步進式爐、爐底分段的步進式爐等等。</p><p>　　單面供熱步進式爐也稱步進底式爐，鋼料放置在耐火材料爐底或鋪設(shè)在爐底上的鋼枕上。鋼坯吸熱主要來自上部爐膛，由于一面受熱，這種爐子的爐底強度較低。它適用于加熱薄板坯、小斷面方坯或有特殊要求的場合。</p><p>　　兩面供熱步進式爐也稱步進梁式爐，活動梁和固定梁上都安設(shè)有能將鋼壞架空的爐底水管。在鋼坯的上部爐膛和下部爐膛都設(shè)置燒嘴，

4、因此爐底強度較高，適用于產(chǎn)量很高的板坯或帶鋼軋前加熱。</p><p>　　鋼坯可以翻轉(zhuǎn)的步進式爐是每走一步爐內(nèi)鋼料可以翻轉(zhuǎn)某一角度，步進梁和固定梁都帶有鋸齒形耐熱鋼鋼枕，這是加熱鋼管的步進式爐，每走一步鋼管可以在鋸齒形鋼枕上滾動一小段距離，使受熱條件較差的底面逐步翻轉(zhuǎn)到上面，以求加熱均勻。</p><p>　　交替步進式爐則有兩套步進機構(gòu)交替動作。運送過程中，鋼坯不必上升和下降，振動較小

5、，底面不會被劃傷，表面質(zhì)量較好。</p><p>　　爐底分段的步進式爐的加熱段和預(yù)熱段可以分開動作。例如預(yù)熱段每走一步，加熱段可以走兩步或兩步以上。這種構(gòu)造是專門為易脫碳鋼的加熱而設(shè)計的。鋼坯在預(yù)熱段放置較密，可以得到正常的預(yù)熱作用，在加熱段鋼坯前進較快，達到快速加熱，以減少脫碳。</p><p>　　（3） 步進式爐的優(yōu)缺點</p><p>　　步進式爐是借機械

6、將爐內(nèi)鋼坯托著一步一步前進，因此鋼坯與鋼坯還不必緊挨著，其間距可根據(jù)需要加以改變。</p><p>　　原始的步進式爐只用于加熱推鋼機無法推進的落板坯或異形坯，隨著軋機的大型化和連續(xù)化，推鋼式爐已不能滿足軋機產(chǎn)量和質(zhì)量的要求。在這種情況下，近十年來造價較高的步進式爐得到了快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)也日趨完善。</p><p>　　步進式爐具有以下特點：（1）爐子長度不受鋼坯厚度的限制，不會拱鋼，爐子

7、可以建得很長，目前有些爐子已接近60米長，一個步進式爐可以代替1.5—2個推鋼式爐。（2）操作上靈活性較大，可以通過改變裝料間隙調(diào)節(jié)鋼坯加熱時間，且更換品種方便。（3）爐內(nèi)鋼料易于清空，減少停爐時清除爐內(nèi)鋼料的時間。（4）鋼坯在爐內(nèi)不與水管摩擦，不會造成通過軋制還不能消除的傷痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸準(zhǔn)確的軋材。（6）兩面加熱步進式爐可以不要實底均熱段，因此加熱能力比推鋼式爐稍大。（7）沒有出料滑坡，減少了由于滑坡高差作用而吸入

8、爐內(nèi)的冷空氣。（8）鋼坯有側(cè)面加熱，這樣可實現(xiàn)三面或四面加熱，因此加熱時間短，鋼坯氧化少。(9)生產(chǎn)能耗大幅度降低,從煉鋼連鑄后開始全連續(xù)的直接生產(chǎn)。(10)產(chǎn)量大幅度提高,在100*t/a以上。(11)生產(chǎn)自動化水平非常高，原加熱爐的控制系統(tǒng)大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)也大多是模擬量控制式供電裝置，現(xiàn)在的加熱爐的控制系統(tǒng)大多數(shù)都具有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置。<

9、/p><p>　　步進式爐的缺點是爐底機械設(shè)備龐大，維護和檢修都較復(fù)雜，爐子造價太高。兩面供熱的步進式爐爐底水管較多，熱損失大。單面供熱的步進式爐雖然無水冷熱損失，但產(chǎn)量較低。因此，盡管步進式爐有很多優(yōu)點，僅由于它造價太高，目前在中小型廠全面推廣還不適宜。</p><p>　?、膊竭M式加熱爐的結(jié)構(gòu)</p><p>　?、挪竭M式加熱爐結(jié)構(gòu)圖</p><

10、p><b>　　(2)爐底結(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　從爐子結(jié)構(gòu)看，步進式加熱爐分為上加熱步進式爐、上下加熱步進式爐、雙步進梁步進式爐等。</p><p>　　上加熱爐只有上部有加熱裝置，固定梁和移動梁是耐熱金屬制作的，固定爐底是耐或材料砌筑的。這種爐子幾乎沒有水冷結(jié)構(gòu)，所以熱耗較低，只能單面加熱，用于較薄鋼坯的加熱。</p><p&

11、gt;　　與推進式加熱爐一樣，為了滿足加大鋼坯的需要，步進式加熱爐也發(fā)展了以下的加熱方式，出現(xiàn)了上下加熱的步進式加熱爐。結(jié)構(gòu)圖如圖（2）</p><p><b>　　. </b></p><p>　　此爐底是架空的，可以實現(xiàn)雙面加熱，鋼坯沒有緊靠在一起，也可以看成是四面受熱。下加熱一般只能用側(cè)燒，上加熱可以用軸向端燒嘴，也可以用側(cè)燒嘴或爐頂端燒嘴供熱?？紤]到軸向燒

12、嘴火焰沿長度方向的溫度分布和各段溫度的控制，某些大型步進式爐有明顯的爐頂壓下，而下加熱段設(shè)有端墻，以免各段溫度之間相互干擾。因此這樣的步進式爐子長度溫度調(diào)節(jié)有更大的靈活性。如果爐子寬度較大，火焰長度又較短時，可以在爐頂上安裝平焰燒嘴。</p><p><b>　　(3)傳動機構(gòu)：</b></p><p>　　步進式加熱爐的傳動機構(gòu)分為機械傳動和液壓傳動，目前廣泛應(yīng)用的

13、是液壓傳動方式。此種傳動方式運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、運行速度的控制比較準(zhǔn)確，占地面積小、設(shè)備質(zhì)量小、比機械傳動有明顯的優(yōu)點。由于步進式爐很長，上下兩面溫度差過大，線膨脹的不同會造成大量的彎曲和隆起。為解決這個問題，目前一些爐子將大梁分成若干段，各段間留有一定的膨脹間隙，變形雖不能避免，但彎曲的程度大為減輕，不致影響爐子正常工作。</p><p><b>　　(4)密封結(jié)構(gòu)：</b></p&

14、gt;<p>　　為了保證步進梁正常無阻礙的運動，在活動梁和移動梁之間要有一定的間隙，對步進梁來說則在梁支撐穿過爐底部分有保證它運動的足夠大的開孔。這些縫隙或開孔的存在雖然是必要的，但也容易吸入冷風(fēng)，影響加熱質(zhì)量和降低燃料利用率，也可能造成爐氣外逸，危害爐底下部設(shè)備，對軋鋼用步進爐則必須考慮密封問題。目前有滑板式密封和水封兩種密封形式，前者密封較差，水封密封較好。</p><p>　?、巢竭M式加熱爐

15、工藝流程</p><p>　　一般情況下，加熱爐沿爐膛長度方向分為預(yù)熱段、加熱段和均熱段。進料端為預(yù)熱段，爐氣溫度較低，其作用在于充分利用爐氣熱量，給進爐板坯預(yù)熱到一定溫度，以提高爐子的熱效率。加熱段為主要供熱段，爐氣溫度較高，以利于實現(xiàn)板坯的快速加熱，保證板坯加熱到要求的目標(biāo)溫度。均熱段位于出料端，爐氣溫度與金屬料溫度差別很小，保證出爐料坯的斷面溫度均勻。一般用于加熱小斷面料坯的爐子只有預(yù)熱段和加熱段。<

16、/p><p>　　鋼坯加熱是熱軋生產(chǎn)工藝過程中的重要工序。其生產(chǎn)過程如下：對于步進式加熱爐，鋼坯的移動是通過固定梁和移動梁的周期運動來實現(xiàn)的。鋼坯位于固定梁上，移動梁反復(fù)地進行上升、前進、下降、后退的矩形運動，移動梁的每一個循環(huán)運動帶動鋼坯在爐前進一步，而且保證鋼坯沒有任何滑動。傳動機構(gòu)的上下運動和前后運動分別是由獨立的機構(gòu)完成的。步進梁的進后運動多采用油壓傳動方式，上下運動可以采用油壓傳動也可以采用電動方式。鋼坯被

17、送到加熱爐外的上料輥道上，經(jīng)過測長后，從裝料爐門進入爐內(nèi)，然后在爐內(nèi)懸臂輥道上進行對中定位，通過移動梁步進機械的周期運動，一步步地前進。當(dāng)鋼坯被輸送到出爐位置，且已達到所要求的出爐溫度，當(dāng)接到允許出鋼信號時，鋼坯加熱結(jié)束，由出料懸臂輥道從出料爐門送出，送往軋機進行軋制。</p><p><b>　　步進行程如圖（3）</b></p><p><b>　　工藝

18、過程如圖（4）</b></p><p><b>　　二、控制方案</b></p><p>　　步進式加熱爐的熱工制度主要包括:溫度制度、燃料燃燒制度和爐壓制度等。 根據(jù)影響加熱爐鋼坯質(zhì)量的因素，其主要能控因素是溫度和爐膛壓力，而溫度的變化主要受燃料流量和空氣流量的影響，為了充分燃燒，燃料流量和空氣流量必須按一定的比例送入管道，所以將燃料和空氣構(gòu)成雙閉環(huán)比值

19、控制系統(tǒng)，這樣不僅實現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且使燃料流量和空氣流量變得比較平穩(wěn)，確保了兩物料總量基本不變，為后續(xù)溫度的控制提供了前提條件。對于溫度的控制采用單交叉限幅方式的串級控制系統(tǒng)，這樣可以在爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量；爐溫偏高時，先減煤氣量，后減空氣量，實現(xiàn)空氣、煤氣交叉控制，保證了燃料的完全燃燒，最終通過控制燃料和空氣流量以達到控制爐溫的目的。對于爐膛壓力，采用單回路控制，它是通過調(diào)整煙道百葉窗的開度，從而調(diào)節(jié)煙囪

20、的吸力，達到控制爐膛壓力的目的。</p><p>　　1、 燃料燃燒的控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動的不足而設(shè)計的。它是在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，增設(shè)了主流量控制回路而構(gòu)成。</p><p>　　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主流量控制回路的存在，實現(xiàn)了對燃料流量的定值控制，大大地克服了

21、燃料流量干擾的影響，使燃料流量變得比較平穩(wěn)。通過比值控制副流量即空氣流量也將比較平穩(wěn)。這不僅實現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個主要特點。另一個優(yōu)點是提降負(fù)荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器即燃料控制器的給定值，就可以提降燃料流量，同時副流量即空氣流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。這種方案能夠適用于主流量干擾頻繁及工藝上不允許負(fù)荷有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場合，實用性強[2]。設(shè)計

22、的燃料流量與空氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下：</p><p>　　圖2-1 燃料流量和空氣流量構(gòu)成的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　2. 爐溫的控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　在步進式加熱爐加熱鋼坯的過程中，空燃比過高，使鋼坯表面氧化，熱量損失增加；空燃比過低，使燃料不能完全燃燒，造成煤氣外流，浪費了燃料并污染了環(huán)境。所以為了控制溫度，工藝上不

23、但要求燃料量與空氣量成一定的比例，而且要求在溫度發(fā)生變化時，燃料與空氣的提降量有一定的先后次序，以保證空燃比的合理性及供熱區(qū)段溫度的可控性。本設(shè)計采用單交叉限幅控制，即以爐內(nèi)溫度為主環(huán)，空、煤氣為副環(huán)的串級爐溫控制回路。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)是由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名的。它是由主、副兩個控制器串接工作的。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現(xiàn)對變量的定值控制。在這個設(shè)計中

24、，主控制器是溫度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空氣控制器，這要依據(jù)提降時的先后順序而定。一般來說，主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，它是一個定值，在該系統(tǒng)中主參數(shù)溫度是一個定值，工業(yè)上要求步進式加熱爐預(yù)熱段溫度為750℃～1100℃，加熱時間15～30分鐘；加熱段的溫度為1250℃～1300℃，加熱時間40～60分鐘；均熱段的溫度為1150℃～ 1250℃，保溫時間20～30分鐘；連鑄冷坯料、模鑄冷坯料的總加熱時間為90～120分鐘；

25、因此，主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)。而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副回路是一個隨動系統(tǒng)。設(shè)計的爐溫與流量的串級控制系統(tǒng)方框圖如圖2-2。</p><p>　　圖2-2 爐溫與流量串級控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　加熱爐溫度控制是通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣流量來實現(xiàn)的。溫度控制器根據(jù)實測溫度，按照PID控制策略，產(chǎn)生一個輸出。該輸出作為煤氣控制器和空氣

26、控制器的設(shè)定值，去控制煤氣和空氣流量。溫度控制器與煤氣流量控制器或空氣流量控制器構(gòu)成一個串級控制系統(tǒng)。其中，溫度控制器是主控制器，實現(xiàn)溫度的粗調(diào)，煤氣流量控制器或空氣流量控制器是平行的副控制器，完成精確控制。</p><p>　　在控制爐溫的過程，當(dāng)爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量，當(dāng)爐溫偏高時，先減煤氣量，后減空氣量，實現(xiàn)空氣煤氣交叉控制，以保證燃料的完全燃燒。而完成具有邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩

27、個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。爐溫的單交叉限幅控制的檢測流程圖如下：</p><p>　　圖2-3 單交叉限幅控制的檢測流程圖</p><p>　　圖2-3所示為“串級和比值控制組合的系統(tǒng)，由爐膛溫度與燃料、空氣流量的串級控制系統(tǒng)和燃料與空氣的流量比值控制系統(tǒng)相組合。完成邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。在正常工況下，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，溫度

28、控制器的輸出，等于燃料流量變送器的輸出，也等于空氣流量變送器的輸出。也就是說高、低選擇器的兩個輸入端信號是相等的，整個系統(tǒng)猶如不加選擇器時的串級和比值控制組合的系統(tǒng)進行工作。當(dāng)系統(tǒng)中的爐膛溫度降低時，溫度控制器的輸出增加(根據(jù)串級控制系統(tǒng)的要求，溫度控制器應(yīng)選用反作用式控制器)，這個增加了的信號不被低選器選中，而卻被高選器選中，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加。然后由于空氣增加，使其變送器輸出增加，也就使開始增加。因此時

29、＜，被低選器選中，從而改變?nèi)剂狭髁靠刂破鹘o定值，命令提量。這一過程保證在增加燃料且前，先加大空氣量，使燃燒完全。整個提量過程直至＝=時，系統(tǒng)又恢復(fù)到正常工況時的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中的爐膛溫度升高時，溫度控制器輸出減少，因而它被低選器選中，作為燃料流量控制器的給定值而命令燃料降量。燃料量降低，經(jīng)變送器的測量信號被高選器選中，作</p><p>　　單交叉限幅保證了焦?fàn)t煤氣在正常工況條件和異常工況波動條件下,都能穩(wěn)定的

30、與空氣保持一定偏差范圍內(nèi)的比例,并以焦?fàn)t煤氣流量為主控變量,以空氣流量為從動變量,實現(xiàn)了燃燒過程的經(jīng)濟性和合理性要求。</p><p>　　3、 爐膛壓力的控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，因此又稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，卻能解決生產(chǎn)過程中的大量控制問題。它是生產(chǎn)過程控

31、制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。爐內(nèi)氣體流動狀況是爐膛壓力的主要影響因素，而氣體流動狀況又受到煙道百葉窗的開度的直接影響。設(shè)計中對爐壓的控制采用的是單回路控制策略，它是通過調(diào)整煙道百葉窗的開度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，進而控制爐膛壓力，爐壓檢測點位于出料端。設(shè)計的爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)方

32、框圖如下：</p><p>　　圖2-4 爐膛壓力控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　三、PLC硬件選型與系統(tǒng)連接</p><p>　　PLC(Programmable Logic Controller)是可編程序控制器的英文縮寫, 它是綜合了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)與繼電器邏輯控制概念而開發(fā)的一代新型工業(yè)控制器,是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成

33、開關(guān)量的控制, 比如,將行程開關(guān)、按鈕開關(guān)、無觸點開關(guān)或敏感元器作為輸入信號, 輸出信號可控制電動閥門、開關(guān)、電磁閥和步進電機等執(zhí)行機構(gòu)。它采用可編程的存儲器, 在其內(nèi)部存儲, 執(zhí)行邏輯運算, 順序控制、定時計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令, 通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化。</p><p>　　PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該以易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而

34、設(shè)計。它的主要功能有：①在線數(shù)據(jù)采集和輸出；②控制功能，包括條件控制、順序控制、邏輯控制、定時、計數(shù)等；③數(shù)據(jù)處理功能，既能進行基本數(shù)學(xué)、邏輯運算，還可通過編程實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；④輸入/輸出信號調(diào)制功能；⑤通信、聯(lián)網(wǎng)功能，可進行遠(yuǎn)程控制、多臺PLC間聯(lián)網(wǎng)通信、外部器件與PLC的信號處理單元之間實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換等；⑥支持人機界面功能；⑦編程、調(diào)試等。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，

35、它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。</p><p>　　PLC的特點是：①可靠性高，抗干擾能力強；②配套齊全，功能完善，適用性強；③操作簡單，易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；④系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便、易于改造；⑤體積小、質(zhì)量輕、功耗低。</p><p>　　1.S7-200簡介&

36、lt;/p><p>　　S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。</p><p>　　S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊

37、能力、豐富的擴展模塊。</p><p>　　S7-200包括集成的24V電源、高速脈沖輸出、通信口、模擬電位器、EEPROM 存儲器模塊、電池模塊、高速計數(shù)器以及CPU模塊等。該系統(tǒng)中配置了模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)模塊、監(jiān)控模塊, 所有輸入/輸出模塊，全部采用光電隔離, 大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力。</p><p>　　S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其

38、強大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。</p><p>　　2． S7-200的模塊選擇</p><p>　　本設(shè)計選用西門子公司S7-200系列PLC中的過程

39、控制器CPU 224作為整個加熱爐控制系統(tǒng)的核心。本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。I/O端子排可以很容易地整體拆卸。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU 224具有1個RS-485通信口，支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。若采用24V DC電源，則

40、24V DC輸入，24V DC輸出；若采用100～230V AC電源，則24V DC輸入，繼電器輸出。它是具有較強控制能力的控制器，該產(chǎn)品具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可靠性高、操作性強、可維護性好、可擴展性好等特點。</p><p>　　3． PLC的I/O地址分配</p><p>　　表3-1 I/O地址分配表</p><p>　　四、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計</p>

41、<p><b>　　。</b></p><p>　　上位機監(jiān)控軟件采用的是MCGS組態(tài)軟件，MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件公司開發(fā)的一套基于Windows平臺，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。</p><p>　　MCGS能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理

42、、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。</p><p>　　MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)環(huán)境是生成應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，用戶在組態(tài)環(huán)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作。運行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運行環(huán)境，進行各種處理，完成組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。也就是，在組態(tài)環(huán)境中你可以根據(jù)你最終要達到的控制要求去設(shè)計，運行環(huán)境運行

43、你設(shè)計好的組態(tài)工程。</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成。</p><p>　?。?）主控窗口:是工程的主要窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程名稱，編制工程菜單，設(shè)計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設(shè)定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫

44、存盤文件名稱及存盤時間等。</p><p>　?。?）設(shè)備窗口:是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊設(shè)備驅(qū)動程序，定義連接與驅(qū)動設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。也就是，要在設(shè)備窗口中選擇所有連接的控制器(如PLC，變頻器，儀表等)的型號，并設(shè)定需要從設(shè)備中讀取的變量(如PLC中的寄存器D0)。</p><p>　?。?）用戶窗口:本窗口主要用于設(shè)置工程中人機交互的界

45、面，諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。也就是，設(shè)置所要顯示的控制界面。</p><p>　?。?）實時數(shù)據(jù)庫:是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設(shè)備驅(qū)動的對象。也就是，要在實時數(shù)據(jù)庫里定義一些變量與所要控制的設(shè)備中的變量一一對應(yīng)，以備建立的各個用戶窗口調(diào)用。</p><p>　?。?）運行策

46、略:本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序(腳本程序)，選用各種功能構(gòu)件。比如，當(dāng)做的監(jiān)控界面有一段說明文字是根據(jù)PLC的兩個輸入點閉合的情況分別顯示不同的內(nèi)容，這就要在運行策略窗口做一個if....then判斷。 </p><p>　　MCGS軟件的分類：包括嵌入版組態(tài)軟件、通用版組態(tài)軟件、網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件。本設(shè)計中選用的是通用版組態(tài)軟件，通用版屬于監(jiān)控系統(tǒng)中層的組態(tài)軟件，主要完成通用工作站的數(shù)據(jù)采集

47、和加工、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出等日常性監(jiān)控事務(wù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能方便的代替大量的現(xiàn)場工作人員的勞動和完成對現(xiàn)場的自動監(jiān)控和報警處理，隨時或定時的打印各種報表。</p><p>　　步進式加熱爐控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示畫面如下：</p><p>　　1.參數(shù)顯示、報警畫面</p><p>　　包括預(yù)熱段、加熱段、均熱段三段

48、溫度的上下線報警和壓力上下線報警及報警描述。</p><p>　　圖4-1 溫度報警及數(shù)據(jù)顯示畫面</p><p>　　圖4-2 爐壓報警及數(shù)據(jù)顯示畫面</p><p><b>　　2.實時趨勢畫面</b></p><p>　　對加熱爐的各段爐溫以及爐膛壓力進行實時監(jiān)視。</p><p>　　圖4

49、-3 溫度和爐膛壓力實時趨勢畫面</p><p><b>　　3.歷史趨勢畫面</b></p><p>　　加熱爐各段爐溫及爐膛壓力是在運行的當(dāng)前時刻存盤，對溫度和壓力的變化保持記憶, 隨時可任選顯示開始運行后任一時間段的溫度和壓力的變化趨勢曲線。</p><p>　　圖4-4 溫度和爐膛壓力歷史趨勢畫面</p><p>

50、;　　4.工藝流程監(jiān)控畫面</p><p>　　包括爐內(nèi)加熱爐的工藝流程、燃料總管和空氣總管的調(diào)節(jié)、爐膛三段溫度調(diào)節(jié)及顯示畫面、爐膛壓力調(diào)節(jié)及顯示畫面、溫度和壓力報警和數(shù)據(jù)顯示及實時曲線與歷史曲線顯示畫面等。</p><p>　　圖4-5 加熱爐生產(chǎn)過程監(jiān)視畫面</p><p><b>　　5． 系統(tǒng)流程圖</b></p><

51、;p>　?。?） 主程序流程圖</p><p>　　圖4-6 步進式加熱爐控制主程序流程圖</p><p>　　(2)燃料與空氣比值控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4-7 燃料與空氣比值控制子程序流程圖</p><p>　　在步進式加熱爐的生產(chǎn)工藝中,加熱爐的空燃比值燃燒控制是一個相當(dāng)重要的部分,既要保證加熱爐的各段溫度達到一定數(shù)值,以

52、滿足加熱鋼坯的需要,又要考慮燃料的經(jīng)濟成本。所以空燃比值燃燒控制中采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng),使燃燒更加完善,燃燒質(zhì)量大幅度提高,大大降低了軋鋼的生產(chǎn)成本,減少了廢氣污染,為生產(chǎn)高效奠定了可靠的基礎(chǔ)。</p><p><b>　?。?）溫度控制系統(tǒng)</b></p><p>　　圖4-8 溫度控制系統(tǒng)子程序流程圖</p><p>　　溫度控制是自動控

53、制經(jīng)常討論的課題之一，它代表了一類自動控制的方法。而且溫度控制在我國電子、冶金、機械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以說在生產(chǎn)生活中無處不在，例如加熱爐、電冰箱等等。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，所以溫度控制帶來的時滯效應(yīng)難題始終困擾著實際應(yīng)用，使得它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前，仍有相當(dāng)部分工業(yè)、企業(yè)在步進式加熱爐加熱鋼坯過程中存在著控制精度不高，爐內(nèi)各段溫度均勻性差等問題，達不到工藝要求，造成裝備運行成本費用高，

54、產(chǎn)品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟效益，急需進行技術(shù)改造。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，溫度控制技術(shù)得到了很大的進步，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷的擴大。</p><p>　　步進式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計是個傳統(tǒng)的課題，溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)、科研活動中是個很重要的環(huán)節(jié)，能否將溫度控制在所需要的范圍內(nèi)關(guān)系到整個步進式加熱爐系統(tǒng)的成敗。由于控制對象不同，所控制的精度有所不同，為了達到所需要的精度，所以在本設(shè)計采用基于西門子的可編程控制器

55、與集散控制系統(tǒng)來控制爐膛內(nèi)的各段溫度。其中步進式加熱爐為三段式加熱爐，預(yù)熱段溫度為750℃～1100℃，加熱段的溫度為1250℃～1300℃，均熱段的溫度為1150℃～1250℃。各加熱段內(nèi)置熱電偶用于檢測溫度,各段溫度控制器采用可編程控制器，熱電偶檢測的溫度與設(shè)定值比較，經(jīng)PLC計算后輸出4～20mA控制信號給執(zhí)行器調(diào)節(jié)爐溫。PLC再將采集到的溫度數(shù)據(jù)送到組態(tài)系統(tǒng)中，對加熱爐內(nèi)的三段溫度進行顯示及報警輸出。</p>&l

56、t;p>　?。?）爐膛壓力控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4-9 爐膛壓力控制系統(tǒng)子程序流程圖</p><p>　　為防止冷風(fēng)倒灌和火焰從爐內(nèi)噴出，加熱爐內(nèi)應(yīng)保持微正壓。調(diào)節(jié)器根據(jù)安裝在均熱段側(cè)壁上的變送器測量的壓力變化去控制煙道百葉窗的開度，以保證爐內(nèi)維持微正壓。爐壓控制器設(shè)自動(A)和手動(M)兩種模式。自動方式時：在CRT上由人工給定爐壓調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值控制爐壓；手動方式時：在

57、CRT上由人工對爐壓調(diào)節(jié)器的輸出值手動控制。當(dāng)爐壓變送器處于故障狀態(tài)時，爐壓控制器被強制為手動狀態(tài)，煙道百葉窗維持原來的開度。</p><p>　　爐膛壓力要保持在一定范圍內(nèi),過高會使?fàn)t門噴火損傷爐體及設(shè)備,過低則影響燃燒質(zhì)量和效果。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過這次的過程控制課程設(shè)計，我學(xué)到了很多，不

58、僅僅是知識方面。</p><p>　　剛接觸到這個題目，感覺非常棘手，對各種只是都不了解，因而，就開始了搜索資料的過程。但是網(wǎng)上的資料也并不是很全面，很多東西還是很模糊，也去圖書館查閱了一些資料，再結(jié)合這自己所學(xué)的知識，慢慢的摸索出了一些門道。課程設(shè)計是一個綜合性的題目，它包括的不只是過程控制的知識，還有像DCS，自動控制原理等等的知識的結(jié)合，是融會貫通的。這就讓我將自己大學(xué)幾年里學(xué)的知識綜合到了一起，對自己所學(xué)

59、的知識體系有了更進一步的理解。</p><p>　　老師也進行了課程設(shè)計的答疑，讓一些同學(xué)分享了自己做課程設(shè)計的經(jīng)驗，再加上老師的講解，我對這次課程設(shè)計的思路、知識有了更加深刻的認(rèn)識，也給我做課程設(shè)計時有了一定的指導(dǎo)方向。通過我們小組成員的共同努力，我們成功的將這次過程控制課程設(shè)計完成了。</p><p>　　這次課程設(shè)計，讓我學(xué)到了不少實際工程運用的知識，加深了我對課本知識的理解。同時，

60、也鍛煉了我對于問題分析，進而進行搜索、匯集、整理資料的能力。不僅如此，他還增強了我的團隊意識，學(xué)習(xí)了團隊的精神?？傊?，這是課程設(shè)計不只是一次知識的領(lǐng)悟，而且是對我人生發(fā)展的綜合考驗。我也能不斷督促自己做的更好，不斷的進步。</p><p><b>　　七、參考資料</b></p><p>　　1.《自動化儀表與過程控制》 施仁，劉文江，鄭輯光編第3版北京：電子工業(yè)出

61、版社</p><p>　　2. 電子文獻：中國優(yōu)秀碩士學(xué)士論文（加熱爐控制）</p><p>　　3. 《組態(tài)軟件應(yīng)用指南:組態(tài)王Kingview和西門子WinCC》 王善斌主編北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011</p><p>　　4.《過程控制工程》第二版，王樹青，戴連奎，于玲?；すI(yè)出版社。</p><p>　　5. 龍偉,聶官鴻;S7