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

1、<p>　　課程設(shè)計名稱 ：步進式加熱爐系統(tǒng)控制 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、實驗任務(wù)</b></p><p><b>　　二、實驗要求</b></p><p>　　三、步進式加熱爐簡介</p>

2、<p>　　四、過程控制中儀表的選擇</p><p>　　五、步進式加熱爐控制方案</p><p>　　1、煤氣/空氣流量控制方案</p><p><b>　　2、爐溫控制方案</b></p><p><b>　　3、爐壓控制方案</b></p><p>　　六、加

3、熱爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　七、加熱爐控制系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計</p><p><b>　　八、實驗感受</b></p><p>　　附錄1（PLC梯形圖）</p><p>　　附錄2（力控監(jiān)控組態(tài)軟件）</p><p><b>　　我的任務(wù)：</b><

4、/p><p>　　綜合步進式加熱爐的爐溫、爐壓控制系統(tǒng)的控制方案，以及PLC的編程和力控監(jiān)控組態(tài)界面的設(shè)計。</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　一、實驗任務(wù)</b></p><p>　　以鋼鐵企業(yè)常見的“步進梁式加熱爐”為對象，采用PLC為控制系統(tǒng)硬件，圍繞工藝要求，

5、完成控制系統(tǒng)方案設(shè)計。</p><p><b>　　二、實驗要求</b></p><p>　?。?）通過查閱文獻，了解步進式加熱爐工藝流程。</p><p>　　（2）了解對步進式加熱爐的爐溫控制、煤氣/空氣流量控制、爐壓控制等功能，完成控制方案設(shè)計。</p><p>　?。?）了解常見的PLC系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)軟件及應(yīng)用

6、，完成加熱爐自動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、硬件選擇設(shè)計及組態(tài)畫面設(shè)計。</p><p>　　三、步進式加熱爐簡介</p><p>　　1、步進式加熱爐概述</p><p>　　加熱爐作為軋鋼生產(chǎn)線上的主要能耗設(shè)備，其出爐鋼坯的溫度是鋼鐵生產(chǎn)工藝的首要指標(biāo)，溫度控制的好壞直接影響到下層產(chǎn)品的質(zhì)量，并逐步影響到鋼材的質(zhì)量，還有可能會影響到生產(chǎn)線的其他相關(guān)行業(yè)，嚴(yán)重情況下可能會破

7、壞整個軋鋼生產(chǎn)線的正常運行。因此，加熱爐作為軋鋼生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)，擔(dān)負著為軋制工序提供質(zhì)量合格鋼坯的任務(wù)。</p><p>　　加熱爐的作用是將鋼坯加熱后送往軋機進行軋制，其中加熱爐能耗占冶金能耗的25%，因此，提高加熱爐的熱效率，對整個冶金行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要意義。為了保證鋼坯在加熱爐中均勻受熱，必須調(diào)節(jié)鋼坯的入爐參數(shù)、工藝指標(biāo)及生產(chǎn)狀況，因此要求的方面有：爐溫、空氣流量及壓力、煤氣流量及壓力、空燃比、爐膛

8、壓力等。通過控制上述量從而達到減少氧化損耗、降低能源損失。步進式加熱爐通過步進梁的“步進”運動，將鋼坯從裝料側(cè)移至出料側(cè)，通過鋼坯在爐內(nèi)的“步進”運動，從而完成從低溫段到高溫段，最后進入均熱段的加熱過程，從而達到軋鋼所要求的軋制溫度。</p><p>　　加熱爐的加熱過程具有非線性、強耦合、不確定等特性，是一個高度復(fù)雜的工業(yè)過程。因此加熱爐計算機過程控制技術(shù)成為鋼鐵工業(yè)研究的重要課題之一，在國內(nèi)外都得到了廣泛的重

9、視。</p><p>　　在鋼鐵行業(yè)早期，我們使用的加熱爐主要是推鋼式的，但是由于推鋼式爐生產(chǎn)上有許多問題，比如：長度短、燒損大、產(chǎn)量低，如果操作不當(dāng)，會造成粘鋼現(xiàn)象，難以實現(xiàn)自動化控制。推鋼式加熱爐有許多難以克服的問題，后來，人們通過研究發(fā)現(xiàn)步進式加熱爐系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，比如：生產(chǎn)周期短、加熱均勻、產(chǎn)量高及操作靈活等。本設(shè)計采用步進梁式加熱爐作為研究對象，這種加熱方式通過專用的步進設(shè)備，使得鋼坯在爐內(nèi)做舉行運動

10、。當(dāng)鋼坯將要出爐時，為了有效消除滑軌擦痕，采用托出裝置出爐。鋼坯既可以不留出鋼坯間隙，也可以根據(jù)實際需要留出，因此，這樣可以有效消除步進梁與鋼坯之間產(chǎn)生的摩擦。所以從整體層面來看，步進式鋼坯加熱爐具有加熱起來比較均勻、生產(chǎn)操作非常方便靈活、產(chǎn)量高以及加熱爐長度不受到任何限制等諸多優(yōu)點，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)時代發(fā)展，增強產(chǎn)品市場競爭力，完全滿足高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保及生產(chǎn)操作高度自動化的要求。</p><p&g

11、t;　　2、步進式加熱爐工藝流程</p><p>　　步進式加熱爐爐型為三段供熱側(cè)進測出的方式。加熱爐自裝料端到出料端沿爐長上分為預(yù)熱段、加熱段及均熱段。為了調(diào)節(jié)各段爐溫方便靈活，在加熱段與均熱段之間設(shè)有無水冷隔墻。為了使兩段爐溫和爐壓得到精確控制，并消除兩段之間的輻射等因素的干擾，一般使用無水冷隔墻來隔開。采用分布在爐子兩側(cè)墻上的燒嘴進行供熱，各段均為上下加熱。為了減少煤氣在爐內(nèi)的擾動，一般采用每對燒嘴切換燃燒

12、的方法，該方法同時增強了爐氣對鋼坯的傳熱。</p><p>　　鋼坯在步進梁的“步進”運動，從裝料口開始經(jīng)過三個階段：預(yù)熱段、加熱段和均熱段，經(jīng)過這三個加熱階段的充分加熱，最后在傳送到爐子的出料口。當(dāng)軋機發(fā)送需求鋼的信號后，步進梁就會將最終料位處的鋼坯從固定梁上托放在出料懸臂輥上面，然后移送出爐，進入扎線進行軋制。如圖1-1所示。</p><p>　　全爐采用多臺燒嘴，為了最大程度上保證生

13、產(chǎn)的連續(xù)、穩(wěn)定運行，每套燒嘴都配備了一套獨立的換向系統(tǒng)。通過集成協(xié)調(diào)控制多臺燒嘴的開與閉，使得系統(tǒng)能夠很好的滿足生產(chǎn)的需要，適應(yīng)不同品種、不同批量的生產(chǎn)。在加熱特殊鋼種時，加熱爐可以根據(jù)實際情況，決定是否打開靠近爐尾的一部分燒嘴，延長預(yù)熱段的長度，這樣操作可以節(jié)省部分燃料，對于低溫入爐相當(dāng)方便。如果不需要低溫入爐，但是要求較大產(chǎn)量時，就可以將燒嘴全部打開，增加加熱段長度，這樣對于提高產(chǎn)量也有很大幫助，這樣一來，就可以最大程度的實現(xiàn)操作上

14、的靈活性。</p><p>　　步進式加熱爐與推鋼式加熱爐相比，其基本的特征是鋼坯的移動式通過固定梁和載有鋼坯的移動梁進行的，在固定梁上的鋼坯，通過移動梁反復(fù)地上升、前進、下降、后退的矩形運動，一個循環(huán)運動過程使鋼坯在爐內(nèi)的梁上發(fā)生滑動就前進一步。爐內(nèi)鋼坯通過步進梁的步進動作，自裝料端一步一步經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段和均熱段傳送到爐子的出料端。在接到軋鋼機要鋼信號后，步進梁就將固定梁上最終料位處的鋼坯托放在出料懸臂輥上

15、面，然后送出進入軋線軋制。傳動機構(gòu)的上下運動和前后運動分別是獨立機構(gòu)構(gòu)成的，支撐在棍子上的步進梁的前進、后退用油壓傳動方式，上下運動采用各種方式，如采用油壓或采用電動，爐子裝鋼要保持規(guī)定的間隔，用推鋼機或輸送機裝入爐內(nèi)，加熱好的鋼坯出鋼采用出鋼進入下一步工序。</p><p>　　3、步進式加熱爐的研究意義</p><p>　　作為一個典型的復(fù)雜的工業(yè)被控對象，加熱爐具有很多特點，如純滯后

16、、非線性、時變、大慣性、強耦合和多變量等，并且系統(tǒng)本身很容易受外界因素干擾，同時爐溫分布難以測量。面對難以控制又復(fù)雜的控制對象，無論是采用經(jīng)典的控制方法還是常規(guī)的數(shù)學(xué)建模手段，都難以滿足實際生產(chǎn)的控制效果。</p><p>　　用最低成本和最少的消耗量生產(chǎn)處高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時實現(xiàn)企業(yè)利潤的最大化，這是每個行業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)亦然如此。由于我國生產(chǎn)技術(shù)水平落后，在鋼坯加熱過程中存在各種問題，比如：能耗高、效率低

17、、壽命短，為了減少不必要的能源浪費，因此，研究鋼坯加熱爐的控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。</p><p>　　四、過程控制中儀表的選擇</p><p><b>　　1、控制器的選擇</b></p><p>　　控制器是常規(guī)儀表控制系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)。擔(dān)負著整個控制系統(tǒng)的“指揮”工作，正確地選用控制器，可以大大改善和提高整個過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。該

18、控制系統(tǒng)包含流量、溫度和壓力三種控制器，所以必須根據(jù)實際的工藝要求選擇合適的控制器。</p><p><b>　　2、控制規(guī)律的選擇</b></p><p>　　控制器主要有三種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例積分微分控制規(guī)律，分別簡寫為P、PI和PID。</p><p>　　比例控制規(guī)律（P）的特點是：控制器的輸出信號與輸入信號

19、(偏差)成比例，即閥門的開度變化與偏差變化有對應(yīng)關(guān)系。它能較快地克服擾動的影響，過渡過程時間短。但是，純比例控制器在過渡過程結(jié)束后仍然存在余差，而且負荷變化越大，余差也越大。只具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器。比例控制規(guī)律是最基本的控制規(guī)律，它既可以單獨采用，又可以與其他控制規(guī)律結(jié)合在一起用，具有結(jié)構(gòu)簡單，整定方便的優(yōu)點。比例控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控變量允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。例如，一般

20、的精餾塔塔底液面、貯槽液面、冷凝器液面和次要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)，均可采用比例控制器。</p><p>　　比例積分控制規(guī)律(PI)的特點是：控制器的輸出不僅與偏差的大小成比例，而且與偏差存在一定的函數(shù)關(guān)系。具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為比例積分控制器，比例積分控制規(guī)律是一種應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律。它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、被控變量又不允許有余差的場合。例如，流量控制系統(tǒng)、管道壓力控制系統(tǒng)和某些要求

21、嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)普遍采用比例積分控制器。</p><p>　　比例積分微分控制規(guī)律(PID)的特點是：在增加了微分作用后，控制器的輸出不僅與偏差的大小和存在的時間有關(guān)，而且還與偏差的變化速度成比例，這就可以對系統(tǒng)小的容量滯后起到超前補償作用，并且對積分作用造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定性也有所改善。把具有比例、積分、微分控制規(guī)律的控制器稱為PID控制器，又稱三作用控制器，比例積分微分控制規(guī)律綜合了多種控制規(guī)律的優(yōu)點，是一種比

22、較理想的控制規(guī)律。適合于調(diào)節(jié)通道時間或容量滯后較大、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。目前用較多的是溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)工藝的要求和控制規(guī)律的特點，從串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看,主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用。溫度是主變量，為了主變量的穩(wěn)定，主控制器必須具有積分作用，它的控制通道時間或容量滯后較大、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高，在這種情況下，為保證主變量的控制精度，故溫度控制器應(yīng)

23、選用比例積分微分控制規(guī)律(PID)。然而副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速、精確地跟隨主控制器的輸出而變化，副控器最好不帶積分作用，因為積分作用會使跟蹤變得緩慢，當(dāng)選流量作為副參數(shù)時，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因為當(dāng)副控制器有微分作用時，一旦主控制器的輸出稍有變化，控制閥就將大幅度地變化，這對控制也是不利的。只有當(dāng)副對象容量滯后較大時，可適

24、當(dāng)加一點微分作用。所以在串級控制系統(tǒng)中的流量控制器即副控制器需要采用比例積分控制規(guī)律（PI）。</p><p>　　在比值控制系統(tǒng)中流量的控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控變量又不允許有余差，所以流量控制器應(yīng)選用比例積分控制規(guī)律(PI)。</p><p>　　在爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大，控制要求不高，被控變量只要控制在微正壓即可，允許它在一定范圍內(nèi)有余差

25、，所以壓力控制器應(yīng)選用比例控制規(guī)律（P）。</p><p>　　3、控制器的正反作用的選擇</p><p>　　工業(yè)控制器一般都具有正作用和反作用兩種工作方式。當(dāng)控制器的輸出信號隨著被控變量的增大而增加時，控制器工作于正作用方式；當(dāng)控制器輸出信號隨著被控變量的增大而減小時，控制器工作于反作用方式?？刂破髟O(shè)置正、反作用的目的是為了適應(yīng)不同被控對象，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋控制的需要。因為在一個控制系統(tǒng)

26、中，除了控制器外，其它各個環(huán)節(jié)(被控對象、測量變送據(jù)、執(zhí)行器)都有各自的作用方向。如果各環(huán)節(jié)組合不當(dāng)，使系統(tǒng)總的作用方向構(gòu)成了正反饋，則控制系統(tǒng)不僅起不到控制作用，反而破壞了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。又因為被控對象、測量變送器和執(zhí)行器的作用方向是不能隨意選定的，所以，要想使控制系統(tǒng)具有閉環(huán)負反饋特征，只有通過正確地選擇控制器的正、反作用來實現(xiàn)。</p><p>　　假設(shè)對控制系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)作如下規(guī)定：</p>

27、<p>　　1．控制器工作于正作用方式為“—”，工作于反作用方式為“十”；</p><p>　　2．執(zhí)行器的閥門開度隨控制器輸出信號的增加而增大(氣開式)為“十”；隨控制器輸出信號的增加而減小(氣關(guān)式)為“一”；</p><p>　　3．被控變量隨操縱變量的增加而增加為“十”，隨操縱變量的增加而減小為“一”；</p><p>　　4．測量變送器放大倍數(shù)的

28、符號肯定為 “十”。</p><p>　　判別準(zhǔn)則：只要控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)規(guī)定符號的乘積為正，則該系統(tǒng)是一負反饋系統(tǒng)。即負反饋系統(tǒng)要滿足判別式：(控制器)*(執(zhí)行器)*(被控對象)*(變送器)＝(十) 。 </p><p>　　串級控制系統(tǒng)中主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關(guān)?？紤]問題的出發(fā)點仍與單回路控制系統(tǒng)相同，即

29、為了使副回路構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應(yīng)為“正”。因此，只要知道了控制閥、副對象和副變送器的放大倍數(shù)符號，就可以很容易地確定副控制器的正、反作用，副控制器正、反作用確定之后，就可以確定主控制器的正、反作用。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定。主環(huán)內(nèi)包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器。對于副回路可將它視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待。因為副回路是一隨動系統(tǒng)，對它的要求是：副變量要

30、能快捷地跟蹤給定值(即主控制器輸出)的變化而變化。因此，整個副回路可視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)看待。這樣，只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“正”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。實際上，主變送器放大倍數(shù)符號一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)，因此，主控制器的正、反作用實際上只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。當(dāng)主對象放大倍數(shù)符</p><p>　

31、　根據(jù)以上判別準(zhǔn)則，可以方便地確定溫度控制器、流量控制器和壓力控制器均為反作用控制器。</p><p>　　五、步進式加熱爐過程控制方案</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，

32、所以將燃料和空氣構(gòu)成雙閉環(huán)比值控制系統(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

33、煙道百葉窗的開度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，達到控制爐膛壓力的目的。</p><p>　　煤氣/空氣流量控制方案設(shè)計</p><p>　　煤氣和空氣在燃燒過程中，熱損失和空氣過程系數(shù)μ（，其中為實際空氣供給量，為理論上煤氣完全燃燒空氣需要量），正常情況下，要想保證最佳燃燒，應(yīng)保持μ=1.02～1.10。假若空氣不足，燃燒會產(chǎn)生黑煙，浪費能源，熱效率降低，并且污染環(huán)境；如果空氣過量，會浪費燃料，并

34、且，過量的空氣會加速鋼坯的氧化燒損。所以，我們采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)來控制空氣和煤氣的比值。</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[2]。</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，大大地克服了燃料流量

35、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荷有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負荷的場合，實用性強[2]。設(shè)計的燃料流

36、量與空氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下：</p><p>　　給定 F1</p><p><b>　　—</b></p><p><b>　　F2</b></p><p&

37、gt;<b>　　—</b></p><p>　　圖1-2 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>　　雙閉環(huán)比值控制是比值控制系統(tǒng)的一種方法，和比值控制系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)比值控制有它的優(yōu)點，比如：它的主、從動量都進行了閉環(huán)控制，在燃燒負荷變化不劇烈情況下，為了保證進入爐膛的煤氣流量與空氣流量之間的恰當(dāng)比值關(guān)系，在控制爐溫同時，讓煤氣流量

38、和空氣流量能夠很好的配比，合理地燃燒，充分的發(fā)揮能源效益，達到靜態(tài)的比值關(guān)系。在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，從動量控制回路將會減少對主動量控制回路的影響。保持與主動量之間的比值關(guān)系，主動量的擾動通過主動量控制回路能實現(xiàn)控制，從而達到定值控制的目的。</p><p><b>　　2、爐溫的控制系統(tǒng)</b></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

39、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

40、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，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

41、；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；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1-3。</p><p>　　圖1-3 爐溫與流量串級控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　加熱爐溫度控

42、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

43、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)置的兩個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。爐溫的雙交叉限幅控制的檢測流程圖如下：</p><p>　　圖1-4 雙交叉限幅控制的檢測流量圖</p><p>　　圖5-3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

44、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

45、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＜，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

46、，作</p><p>　　雙交叉限幅保證了焦?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[11]。</p><p>　　爐膛壓力的控制系統(tǒng)方案</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

47、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)過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)[2]。</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

48、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)方框圖如下：</p><p><b>　　給定</b></p><p><b>　　—</b></p><p>　　圖1-5 爐膛壓力控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　綜上

49、所述，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雙交叉限幅方

50、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)煙囪的吸力，達到控制爐膛壓力的目的。</p><p>　　六、加熱爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　一套完整的控制系統(tǒng)

51、構(gòu)成包括硬件部分和軟件部分。硬件部分是首要條件，是控制系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)，為軟件部分準(zhǔn)備前提。在充分的分析系統(tǒng)控制要求下，合理地選擇系統(tǒng)硬件，不但可以節(jié)省成本，而且還對軟件設(shè)計有所幫助。</p><p>　　首先，要想設(shè)計出系統(tǒng)，在設(shè)計初期，第一步就是要選好硬件配置，確定哪些量是輸入/輸出量，并且要完成什么樣的控制要求。確定系統(tǒng)的硬件配置后，為了達到控制系統(tǒng)的任務(wù)要求，合適地選擇配件配置。恰當(dāng)?shù)倪\用各個器件。最主要的

52、體現(xiàn)在模塊選擇上，比如：在機架選擇完畢后，電源模塊PS是選擇直流的，還是交流的，CPU選擇帶通信接口的、附帶信號模塊的，還是其他類型的等等。每個硬件確定插入并選擇后，需要在SETP7中完成硬件組態(tài)工作，包括系統(tǒng)硬件組態(tài)、CPU的參數(shù)設(shè)置、模塊的參數(shù)設(shè)置等。并將組態(tài)信息下載到CPU中去。完成硬件組態(tài)后，接著就是對控制系統(tǒng)進行軟件設(shè)計，也就是通常所說的程序設(shè)計，利用SETP7編程軟件，完成軟件設(shè)計部分，達到控制系統(tǒng)所要求的控制任務(wù)。<

53、/p><p>　　而此設(shè)計是采用西門子PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)的。本設(shè)計采用的是PLC控制器加DCS上位監(jiān)控的控制系統(tǒng)，PLC控制器作為控制系統(tǒng)的控制中樞,其內(nèi)部存儲著控制邏輯、梯形邏輯程序。加熱爐區(qū)PLC控制的最終目的是保證板坯在加熱爐內(nèi)順利傳輸,維持板坯對軋機的供應(yīng)量。這就需要各種電氣設(shè)備密切配合,嚴(yán)格按照時序動作。而上位機則是利用DCS軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功

54、能。通過PLC與DCS的通信，上位機對PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控，可以實現(xiàn)向上級提供工藝流程圖、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報表顯示等多種窗口技術(shù),使整個控制系統(tǒng)具有良好的人機界面,實現(xiàn)生產(chǎn)過程調(diào)度的自動化和信息化。上位監(jiān)控站主要承擔(dān)控制系統(tǒng)的所有操作、監(jiān)控。即在上位監(jiān)控站發(fā)出操作指令,通過PLC控制層的邏輯運算,將上位監(jiān)控站發(fā)出的各種指令輸出到現(xiàn)場的設(shè)備,控制現(xiàn)場設(shè)備的工作,同時將現(xiàn)場設(shè)備當(dāng)前時刻的工作參數(shù),如水質(zhì)參數(shù)、流量、壓力、溫度、液位及運行狀態(tài)等

55、信息由現(xiàn)場上傳到上位監(jiān)控站上進行顯示,并同時被送入系統(tǒng)創(chuàng)建的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫,利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),控制不同工藝參數(shù)的變化快慢和重要程度,達到優(yōu)化控制的目的。</p><p>　　在組態(tài)過程中，軟件具有自動校正和修改功能。用戶在編輯過程中若對某個點進行修改，系統(tǒng)會自動對所有數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)點進行相應(yīng)的校正，使用相當(dāng)方便。組態(tài)軟件支持鼠標(biāo)和鍵盤操作，人機界面美觀，實時幫助功能豐富，是設(shè)計低成本DCS的理想平臺。</

56、p><p>　　1、PLC方面的介紹</p><p>　　西門子公司的PLC系列應(yīng)用廣泛，其中S7-300是一種中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。S7-300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S7-300系列具有極高的性能/價格比。</p><p>　　S7-300系列出色表現(xiàn)在一下幾個方

57、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、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。</p><p>　　S7-300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。

58、</p><p>　　S7-300系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，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)域極其廣泛，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。</p><p>　　2、S7-300的模塊選擇</p><p>　　本設(shè)計選用西門子公司S7-300系列

59、PLC中的過程控制器CPU224作為整個加熱爐控制系統(tǒng)的核心。本機集成14輸入/10輸出功24個數(shù)字量I/O點?？蛇B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高速計算器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU224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

60、電源，則24V DC輸入，24VDC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口分配</p><p>　　4、DCS方面的介紹</p><p>　　DCS（Distributed Control

61、 System）是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱之為集散控制系統(tǒng)。DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。</p><p>　　“集”和“散”這兩個字是集中管理和分散控制的簡稱，是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求, 從綜合自動化的角度出發(fā), 按功能分散、管

62、理集中的原則構(gòu)思，具有高可靠性指標(biāo), 不斷以新的技術(shù)成果充實而研制開發(fā)出來的, 以微處理器、微型計算機技術(shù)為核心, 與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、顯示、人機接口技術(shù)、輸入輸出接口技術(shù)相結(jié)合的, 用于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制，它是一種處于新技術(shù)前沿的新型控制系統(tǒng)。</p><p>　　DCS具有以下特點：（1）高可靠性。由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)

63、致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。（2）開放性。DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。</p><p>　　DC

64、S系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元、通用計算機接口、操作員站（OPS）、工程師站（ENS）、機柜、電源等組成。系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。它的硬件系統(tǒng)在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。底層漢化的軟件平臺具備強大的處理功能，并提供方便的組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力與用戶自主開發(fā)專用高級控制算法的支持能力，易于組態(tài)，易于使用。支持多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)以便適應(yīng)未來的擴充需要。<

65、/p><p>　　七、加熱爐的PLC軟件設(shè)計</p><p>　　1、S7-300編程語言</p><p>　　本設(shè)計主要利用梯形圖進行編程，故下面著重介紹一下梯形圖編程語言。</p><p>　　梯形圖編程語言是在繼電器-接觸控制系統(tǒng)電路圖基礎(chǔ)上簡化了符號演變而來的，在簡化的同時還加進了許多功能強而又使用靈活的指令，是目前應(yīng)用最廣泛的一種可編程

66、控制器編程語言。按在梯形圖(LAD）中，程序被分為網(wǎng)絡(luò)的一些程序段。每個梯形圖網(wǎng)絡(luò)是由一個或多個梯級組成。梯形圖程序區(qū)段的結(jié)構(gòu)對應(yīng)與繼電器開關(guān)操作的梯級。在梯形圖編輯器中，背景窗口是邏輯網(wǎng)格。在它的左邊有所謂的左匯流條。這些左匯流條對應(yīng)于梯級的相線。正如在梯級中一樣，只有接至電源及接至左匯流條的梯形圖目標(biāo)將在梯形圖編程期間被“編輯”，對應(yīng)于中線的右匯流條不進行顯示。但是，在內(nèi)部，所有的線圈和FB、FC輸出都接在它上面，從而建立起電流通路

67、。編程語言梯形圖的基本目標(biāo)是為了構(gòu)建PLC的組織單元節(jié)，可以加入大量的觸點、線圈以及基本功能、基本功能塊、導(dǎo)出功能塊等。當(dāng)生成鏈條時，與其它鏈路的目標(biāo)重疊是允許的。</p><p>　　在梯形圖中，并沒有真實的電流流動。為了便于分析PLC的周期掃描原理及信息存儲空間分布的規(guī)律，假象在梯形圖中有“電流”流動，這就是“能流”。能流在梯形圖中只能作單方向流動，層次的改變只能是先上后下。梯形圖程序區(qū)段中的各個目標(biāo)的處理次

68、序由節(jié)點中數(shù)據(jù)流來確定。添加在左匯流條的網(wǎng)格從上至下進行處理。在程序區(qū)段中的彼此獨立的網(wǎng)格按放置次序依次進行處理。</p><p>　　梯形邏輯圖控制語言編程的步驟如下：</p><p>　?。?）根據(jù)工藝過程對順序控制系統(tǒng)的要求，經(jīng)過分析、比較和列寫程序條件表或圖。</p><p>　?。?）對輸入輸出單元進行地址分配，并完成輸入輸出模塊的組態(tài)工作。</p&

69、gt;<p>　?。?）編制梯形邏輯圖，并對添加的內(nèi)部繼電器、計數(shù)器等分配地址。</p><p>　?。?）程序輸入和調(diào)試。</p><p>　　2、軟件編寫（附錄）</p><p>　　3、上位監(jiān)控組態(tài)軟件</p><p>　　上位機監(jiān)控軟件采用的是三維力控監(jiān)控組態(tài)軟件。力控組態(tài)軟件具備方便、靈活的開發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫面

70、模板，大大降低了組態(tài)開發(fā)的工作量；高性能實時；歷史數(shù)據(jù)庫，快速訪問接口在數(shù)據(jù)庫4萬點數(shù)據(jù)負荷時，訪問吞吐量可達到20000次/秒；強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲，回復(fù)功能；支持操作圖元對象的多個圖層，通過腳本可靈活控制各圖層的顯示和隱藏；強大的Activex控件對象容器，定義了全新的容器接口集，增加了通過腳本對容器對象的直接操作功能，通過腳本可調(diào)用對象的方法、屬性；全新的、靈活的報表設(shè)計工具,提供豐富的報表操

71、作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制，包括腳本調(diào)用和事件腳本，可以提供報表設(shè)計器，可以設(shè)計多套報表模板。</p><p>　　力控組態(tài)軟件所建立的工程有主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分組成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。</p><p>　　主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主窗口中可以放置一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口，負責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開

72、或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，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)庫存盤文件名稱及存盤時間。</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。</p><p>　　用戶窗口：主要用于設(shè)置工程中的人機交互界面，例如生成各種動畫顯示畫面、報警

73、輸出、數(shù)據(jù)曲線圖表等。</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，它將力控工程的各個部分連接成有機的整體。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。</p><p>　　運行策略：主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序，選用各種功能構(gòu)建，例如數(shù)據(jù)提取、定時器、配方操作、多媒體輸出等。</p>&

74、lt;p><b>　　八、實驗感受</b></p><p>　　對這次實驗，我們查閱了大量的資料，閱讀了與加熱爐有關(guān)的一些論文，使我們增加了加熱爐的控制理念、思想以及方法。并且和小組成員一起學(xué)習(xí)、討論，增強了團隊成員的合作，為以后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)?？傊?，在這次的課程設(shè)計中，我在各方面都提高了自己的能力，實驗讓我學(xué)會了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，對待問題要嚴(yán)肅、認(rèn)真；在試驗中遇到的問題，可以通

75、過查閱資料并經(jīng)過和同學(xué)討論得出正確的解決方法。同時，對書本上的知識和實際中遇到的問題有了更深刻的認(rèn)識，讓我們的理論和實踐有了更好的理解。這次的課程設(shè)計讓我們充分認(rèn)清了自己的不足，知道在以后的學(xué)習(xí)、工作中能更好學(xué)習(xí)側(cè)重點的方面。</p><p><b>　　附錄1</b></p><p><b>　　附錄2（組態(tài)畫面）</b></p>