1、內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）畢業設計說明書基于PLC與DCS的步進式加熱爐控制系統i內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教 師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 盡我所知，除文中特別加 以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研 究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體， 均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名： 日 期：指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明本人完全了解大學關于收

2、集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電 子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供 目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制 手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分 或全部內容。作者簽名： 日 期：II內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）摘要步進式加熱爐是軋鋼生產線上的關鍵設備之一，與軋制機組構成了軋制生產 線的主體生產環節。為了提高步進式加熱爐產品的質量， 本文研究主要是從工業 控制的角度出發，對步進式加熱爐加熱的過程控制系統作了研究和探討。本文通過了解整個步進式加熱爐的生產工藝及

3、影響因素，確定了燃料燃燒控 制系統、溫度控制系統和爐膛壓力控制系統的控制方案，并對其控制規律及參數 進行選擇。下位機采用PLC進行軟件編程，上位機采用DCS軟件進行畫面監控顯 示，實現了加熱爐溫度和爐膛壓力的自動控制功能。最終可達到加熱爐安全、經濟、高效的運行。關鍵詞：步進式加熱爐；自動控制系統；PID控制；PLC； DCSThe Step-type Of The Heating Furnace Control Systemiii內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）Based On PLC And DCSAbstractStep-type of the heati ng furn ace

4、is one of the key equipme nt in the product ion line of rolli ng steel, it con stitutes the main product ion processes of the rolli ng product ion line with the rolli ng un it. In order to improve the quality of products in the step-type of the heating furnace, in this paper, the research is mainly

5、from the perspective of in dustrial con trol, it desig ns and explores the con trol system of the heat ing process about step-type of the heati ng fur nace.This article desig ns the con trol pla n of the fuel bur ning con trol system, the temperature control system and the chamber pressure control t

6、he system through un dersta nding the en tire step-type heat ing fur naces tech nique of product ion and in flue ncing factors, and choses its con trol rule and the parameter. Next-bit machi ne uses the software of PLC to program the software, the host computer uses the software of MCGS to monitor a

7、nd display screen, which realizes the automatic con trol fun cti on of the temperature and pressure of the furn ace. Fin ally it achieves the heati ng furn ace moveme nt safely, econo mically, the highly effective.Key words: step-type of the heating furnace;automatic control system;PID control algor

8、ithm;PLC;DCS摘要IIAbstractIV.第一章引言1.第二章步進式加熱爐工藝3.2.1步進式加熱爐簡介 3.2.1.1步進式加熱爐的概念 32.1.2步進式爐的幾種類型 32.1.3步進式爐的優缺點 3.2.2步進式加熱爐的工藝簡介.4.2.2.1步進式加熱爐的生產工藝流程42.2.2影響鋼坯質量的若干因素 7第三章步進式加熱爐控制系統硬件設計93.1控制方案.9.3.1.1燃料燃燒的控制系統設計 93.1.2爐溫的控制系統設計103.1.3爐膛壓力的控制系統設計 1.33.2檢測元件的選擇1.33.2.1溫度檢測元件133.2.2流量檢測元件143.2.3壓力檢測元件143.3

9、執行器的選擇 1.53.3.1執行機構的選擇153.3.2調節機構的選擇163.4控制器的選擇 1.73.4.1控制規律的選擇 173.4.2控制器的正反作用選擇1.83.5 PLC 選型203.5.1 S7-200簡介203.5.2 S7-200的模塊選擇 213.5.3 PLC的I/O地址分配 213.6 DCS 選型22第四章步進式加熱爐控制系統的軟件設計254.1軟件系統介紹254.2系統流程圖324.2.1主程序流程圖 324.2.2燃料與空氣比值控制系統344.2.3溫度控制系統344.2.4爐膛壓力控制系統 364.3程序編制寸.3.64.4系統調試.3.74.4.1系統軟件調試

10、374.4.2系統硬件調試 37第五章總結38參考文獻39附錄A源程序.4.1附錄B組態圖.5.6致謝57VI內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）第一章引言鋼鐵行業作為關系國計民生的基礎性行業，具有較高的產業關聯度。鋼鐵工業是一 個原材料的生產和加工部門，處于產業鏈的中間位置，它的發展與國家的基礎建設以及 工業發展的速度關聯性很強。鋼鐵企業軋鋼領域蓄熱式換熱技術的應用，從爐型上分：有推鋼式加熱爐、步進梁 式加熱爐、車底式爐、均熱爐、罩式爐、帶材連續式熱處理爐及冶煉連鑄領域的烘烤設 備。加熱爐是軋線的龍頭，加熱爐運行狀況對鋼鐵企業的產品質量、 效益有很大的影響 目前步進式加熱爐是各種機械化爐

11、中使用最廣、發展最火的爐型，是取代推鋼式加熱爐 的主要爐型。七十年代以來，世界各國新建的熱連軋機等大型軋機，幾乎都采用了步進 式爐。連續加熱爐在軋鋼生產中占有十分重要的地位。它的任務是按軋機的軋制節奏將鋼 坯加熱到工藝要求的溫度水平，并且在保證優質、高產的前提下，盡可能地降低燃料消 耗、減少氧化燒損。隨著軋鋼生產的大型化、連續化和對加熱爐高產、優質和低消耗的 要求不斷提高，采用計算機控制加熱爐生產已成為實現上述目標的發展方向和必然趨 勢。加熱爐中鋼坯加熱過程優化控制的目的不外乎優質、高產和低消耗，其優化控制目 標主要包括：燃耗最低、氧化燒損最小、產量最高和目標出爐溫度最準等。此外，還可 計入爐

12、子運行折舊、加熱和軋制的總能耗等指標。加熱爐的主要任務是加熱鋼坯，使其在出爐時達到軋制所要求的溫度分布。由于加 熱爐只是軋鋼工序的組成部分，許多不可預見的因素都將影響到加熱爐的穩定生產，而 待軋是爐子操作中一個典型的動態過程，也是不可避免的。一般將加熱爐的待軋狀態分 為計劃性和非計劃性待軋，其中計劃待軋指計劃檢修或換班引起的停頓，其時間一般能 準確確定；而非計劃待軋只由事故等隨機因素造成的，其時間一般不易預知。待軋一旦 發生，鋼坯在爐內不再運動，如果供熱制度不做適當調整，鋼坯溫度將不斷上升，這不 僅導致燃料浪費，而且還可能導致更多的氧化和脫碳，嚴重地影響到鋼坯的加熱質量。 因此，必須對生產過程

13、中出現的待軋情況進行動態的決策，使加熱爐在此不穩定工況下 仍能實現優化操作，滿足加熱爐優質、高產和低消耗的要求。現代化的高產量熱軋帶鋼軋機，由于對軋制帶鋼的厚度尺寸公差、帶鋼表面質量和 板型控制的要求日益嚴格，因而對板坯加熱溫度均勻性和熱板坯表面的質量要求也不斷 提高，如何提高其質量一直是冶金行業密切關注的問題。加熱爐是熱軋帶鋼軋機必須配 備的熱處理設備。提高板坯質量的方法多種多樣，在生產過程中運用自動控制即是其中 之一。隨著工業自動化技術的不斷發展，現代化的熱連軋機應該配置大型化的、高度自 動化的步進式加熱爐，其生產應符合高產、優質、低耗、節能、無公害以及生產操作自 動化的工藝要求，以提高其

14、產品的質量，增強產品的市場競爭力。48第二章步進式加熱爐工藝2.1步進式加熱爐簡介2.1.1步進式加熱爐的概念借助于爐底的升降和進退，使鋼坯在爐內做走步一樣，從裝料端一步一步地“走” 到出料端。以這種方式運送爐內鋼坯的爐子叫做步進式爐。2.1.2步進式爐的幾種類型步進式爐從爐子構造上分目前有：單面供熱步進式爐、兩面供熱步進式爐、鋼料可 以翻轉的步進式爐、交替步進式爐、爐底分段的步進式爐等等。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。兩面供熱步

15、進式爐也稱步進梁式爐，活動梁和固定梁上都安設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置燒嘴，因此爐底強度較高，適用于產量很 高的板坯或帶鋼軋前加熱。鋼坯可以翻轉的步進式爐是每走一步爐內鋼料可以翻轉某一角度，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到上面，以求加熱均勻。交替步進式爐則有兩套步進機構交替動作。運送過程中，鋼坯不必上升和下降，振 動較小，底面不會被劃傷，表面質量較好。爐底分段的步進式爐的加熱段和預熱段可以分開動作。例如預熱段每走一步，加熱 段可以走兩步或兩步以上。這種構

16、造是專門為易脫碳鋼的加熱而設計的。鋼坯在預熱段 放置較密，可以得到正常的預熱作用，在加熱段鋼坯前進較快，達到快速加熱，以減少 脫碳。2.1.3步進式爐的優缺點步進式爐是借機械將爐內鋼坯托著一步一步前進，因此鋼坯與鋼坯還不必緊挨著， 其間距可根據需要加以改變。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化，推鋼式爐已不能滿足軋機產量和質量的要求。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展，其結構也日趨完善。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

17、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節鋼坯加熱時間，且更換品種方便。（3） 爐內鋼料易于清空，減少停爐時清除爐內鋼料的時間。（4）鋼坯在爐內不與水管摩擦，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爐內的冷空氣。（8）鋼坯有側面加熱，這樣可實現三面或四面加熱，因此加熱時間短，鋼坯氧化少。（9）生產能耗大幅度降低，從煉鋼連鑄后開始全連續的直接生產。（10）產量大幅度提高,在100*104t/a以上。（11） 生產自動化水平

18、非常高，原加熱爐的控制系統大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統，傳動系統也大多是模擬量控制式供電裝置，現在的加熱爐的控制系統大多數都具有 二級過程控制系統和三級生產管理系統，傳動系統都是全數字化的直流或交流供電裝 置。步進式爐的缺點是爐底機械設備龐大，維護和檢修都較復雜，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 產量較低。因此，盡管步進式爐有很多優點，僅由于它造價太高，目前在中小型廠全面 推廣還不適宜。2.2步進式加熱爐的工藝簡介2.2.1步進式加熱爐的生產工藝流程加熱爐生產時，根據軋制計劃，將板坯送至加熱爐上料運輸輥道，鋼坯經稱重、測

19、長、測溫后送至區域管理計算機指定的爐門裝料口，按布料圖進行定位，在確定爐內有 足夠空間后，裝料爐門打開，裝鋼機將板坯送入爐內，板坯間隔50m m，完畢后裝料爐門關閉。爐內板坯通過步進梁的運動，經過爐子的預熱段、加熱段、均熱段充分加熱，達到 軋制要求溫度后，運行至出料端激光檢測處并完成最后一次步進運動，經激光檢測器檢 測及步進梁行程控制系統和爐內坯料跟蹤系統計算，鋼坯在爐內準確位置的信號被送往出鋼機，出鋼機托起鋼坯出爐，準確將鋼坯放在出爐輥道中心線上，再由出爐輥道輸送 到粗軋機軋制10。從初軋廠或連鑄車間來的板坯，一般經火焰清理后送入熱軋廠加熱爐，鋼坯從爐尾 裝入爐內，不斷前進，經預熱段、加熱段

20、和均熱段，最后被加熱到所需軋制溫度。加熱 爐的特點是熱負荷不隨時間變化，爐內各段溫度要求比較穩定，且分布均勻。加熱爐自 裝料端至出料端沿爐長上分為預熱段、加熱段及均熱段，如圖2-1。預熱段長度較長，可以充分利用煙氣來預熱裝入爐內的鋼坯，從而提高燃料的利用率。鋼坯在加熱初期會 因溫差過大而產生熱應力，因此要求控制升溫速度。鋼坯經預熱段預熱后進入加熱段， 加熱段是加熱爐中最重要的段，鋼坯在加熱段被加熱的程度決定了鋼坯是否能被燒透、 爐口能否正常出鋼。均熱段主要將鋼坯均勻熱到規定的出鋼溫度。若均熱段溫度過高， 將出現鋼體打滑現象，溫度過低，不能出鋼。三段的溫度互相融合，互相影響。本設計 中加熱爐為三

21、段式加熱爐，分為預熱段，加熱段，均熱段，其中預熱段、加熱段、均熱 段采用上端煤氣燃燒控制，加熱后的熱風送向各燒嘴，供燃燒時使用。為了便于靈活調節各段爐溫，在預熱段與加熱段，加熱段與均熱段之間設有無水冷 隔墻。用無水冷隔墻隔開，可以精確控制各段爐溫以及爐膛壓力，減少各段之間的輻射 干擾。各段均為上加熱，采用分布在爐子側墻上的蓄熱式燒嘴進行供熱。通過每對蓄熱 式燒嘴的切換燃燒，加強了爐氣在爐內的擾動，增強了爐氣對鋼坯的傳熱。空氣預熱溫 度1000r以上，排煙溫度150C以下。預熱段加熱段均熱段圖2-1步進式加熱爐工藝圖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是通過固定梁和載有鋼坯的

22、移動梁進行的，在固定梁上的鋼坯，通過移動梁反復地上升、前進、下降、后 退的矩形運動，一個循環運動過程使鋼坯在爐內的梁上發生滑動就前進一步。爐內鋼坯 通過步進梁的步進動作，自裝料端一步一步經過預熱段、加熱段和均熱段傳送到爐子的 出料端。在接到軋機要鋼信號后，步進梁就將固定梁上最終料位處的鋼坯托放在出料懸 臂輥上面，然后送出進入軋線軋制。傳動機構的上下運動和前后運動分別是獨立機構構 成的，支撐在輥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，爐子裝鋼要保持規定的間隔，用推鋼機或輸送機裝入爐內，加 熱好的鋼坯出鋼采用出鋼送入下一步工序。前進2固定梁水平面4后退

23、上 升下 降圖2-2步進式爐內鋼坯運動軌跡的示意圖爐底由固定梁和移動梁（步進梁）兩部分所組成。最初料坯放置在固定梁上，這時移 動梁位于料坯下面的最低點1。開始動作時，移動梁由1點垂直上升到2點的位置，在 到達固定梁平面時把料坯托起；接著移動梁載著料坯沿水平方向移動一段距離從 2點到3點；然后移動梁再垂直下降到 4點的位置，當經過固定梁水平面時又把料坯放到固定 梁上。這時料坯實際已經前進到一個新的位置，相當于在固定梁上移動了從2點到3點這樣一段距離；最后移動梁再由4點退回到I點的位置。這樣移動梁經過上升一前進一 下降一后退四個動作，完成了一個周期，料坯便前進 （也可以后退）一步。然后又開始第 二

24、個周期，不斷循環使爐料一步步前進。移動梁往復一個周期所需要的時間和升降進退 的距離，是按設計或操作規程的要求確定的。可以根據不同金屬和斷面尺寸確定物料在 爐內的加熱時間，并按加熱時間的需要，調整步進周期的時間和進退的行程。移動梁的運動是可逆的，當軋機故障要停爐檢修，或因其他情況需要將物料退出爐 子時，移動梁可以逆向工作，把料坯由裝料端退出爐外。移動梁還可以只作升降運動而 沒有前進或后退的動作，即在原地踏步，以此來延長物料的加熱時間。全爐采用32臺蓄熱式燒嘴，每套燒嘴配備一套獨立的換向系統，最大限度的保證 了生產的連續穩定運行。通過控制燒嘴的開閉，可以適應多品種、小批量生產的需要。 在加熱特殊鋼

25、種時，可以根據實際情況關閉加熱段靠近爐尾的部分燒嘴，延長預熱段長 度，方便的實現低溫入爐。在不需要低溫入爐同時又有較大產量要求時，可以將全部燒 嘴打開，延長加熱段長度，提高產量，最大限度的實現操作靈活性。加熱爐采用端進料、端出料，這樣由爐尾推料機直接推送出料，不需要單獨設出料 機，而且適合較寬的料坯，可以幾個爐子共用一個輥道，占用車間面積小，操作也比較 方便。2.2.2影響鋼坯質量的若干因素影響鋼坯質量的因素較多，如加熱溫度、斷面溫差、長度方向的溫差、水印溫差、 加熱速度、加熱時間、氣氛待性、鋼坯間距、鋼坯尺寸、燃料燃燒、冷卻方法、爐子的 密封程度、爐壁爐頂的散熱、步進梁速度、廢氣帶走熱量等，

26、都會對鋼坯質量產生顯著 影響。其中加熱溫度和爐膛壓力對鋼坯質量影響較大，而且可控。鋼坯的加熱制度應保證在加熱裝置最大生產率和最適宜的氣（液）體燃料耗量的前提 下達到盡可能高的加熱效果，最終得到斷面均一、溫度均勻的優質產品。在實際生產中，鋼坯的加熱時間往往是變化的。這是因為加熱爐必須很好地與軋機 配合。在生產某些產品的過程中，爐子生產率小于軋機的產量時，常常為了趕上軋機的 產量而造成加熱不均，內外溫差大，甚至有時為了提高出爐溫度而將鋼表面燒化，而其 中間溫度尚很低，造成加熱質量很差。若爐子生產率大于軋機的產量時，則鋼在爐內的 停留時間大于所需要的加熱時間，造成較大的氧化燒損量，這些情況均不符合加

27、熱要求。 如遇到上述情況，應對爐子結構及操作方式作合理的改造或調整，使爐子產量和軋機產 量相適應。鋼坯溫度對鋼坯質量的影響較大，鋼坯加熱溫度是產品質量保證的關鍵。若溫度偏 低則不能很好的進行軋制，以致難以達到所需固定成型效果。隨溫度逐漸升高，烙蛻固 結的效果亦逐漸顯著。加熱溫度對鋼坯的影響特性顯示：（1）從提高質量和產量的角度出發，應盡可能選擇較高溫度。因為，在較高溫度下 能夠提高鋼坯的強度，縮短加熱時間，增加設備的生產能力。但若超過最適宜值，則會 使鋼坯抗壓強度迅速下降，嚴重時有可能造成鋼坯熔融粘結。(2)從設備條件、設備使用壽命、燃料與電力消耗角度出發，應盡可能選擇較低的 加熱溫度。因為，

28、高溫加熱設備的投資與能耗巨大，所以盡可能的降低加熱溫度以提高 設備使用年限和降低燃料、電力消耗是十分重要的。但是，加熱的最低溫度應足以使鋼 坯進行有效的軋制為限制。實際選擇加熱溫度，通常應兼顧上述兩個方面。爐膛壓力的分布對連續加熱爐熱工的影響比較大，直接關系爐膛溫度分布、料的加 熱速度和加熱質量。綜合考慮影響加熱過程的各個因素，加熱溫度和爐膛壓力對于鋼坯質量的影響頗 大，而且是一個可以控制的量，所以選擇溫度和爐膛壓力作為被控參數。第二章步進式加熱爐控制系統硬件設計步進式加熱爐控制系統是采用西門子 PLC系統和DCS系統來實現的,整個系統包括 硬件系統和軟件系統，下面詳細介紹硬件系統。3.1控制

29、方案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。根據影響加熱爐鋼坯質量的因素，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成雙閉環比值控制系統，這樣不僅實現了比較精確的流量 比值，而且使燃料流量和空氣流量變得比較平穩，確保了兩物料總量基本不變，為后續 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，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，實現空氣、煤氣交叉控制，保證了燃料的完全燃燒，最

30、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，它是通過調整煙道百葉 窗的開度，從而調節煙囪的吸力，達到控制爐膛壓力的目的。3.1.1燃料燃燒的控制系統設計雙閉環比值控制系統是為了克服單閉環比值控制系統主流量不受控，生產負荷在較大范圍內波動的不足而設計的。它是在單閉環比值控制的基礎上，增設了主流量控制回 路而構成。雙閉環比值控制系統由于主流量控制回路的存在，實現了對燃料流量的定值控制， 大大地克服了燃料流量干擾的影響，使燃料流量變得比較平穩。通過比值控制副流量即 空氣流量也將比較平穩。這不僅實現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

31、要特點。另一個優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常需要提降負荷的場合，實用性強。設計的燃料流量與空氣流量雙閉環比值控制系統方框圖如下：圖3-1燃料流量和空氣流量構成的雙閉環比值控制系統方框圖3.1.2爐溫的控制系統設計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境。所以為 了控制溫度，工藝上不但要求燃料量與

32、空氣量成一定的比例，而且要求在溫度發生變化 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段溫度的 可控性。本設計采用單交叉限幅控制，即以爐內溫度為主環，空、煤氣為副環的串級爐 溫控制回路。串級控制系統是由其結構上的特征而得名的。 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，以實現對變量 的定值控制。在這個設計中，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 定的，它是一個定值，在該系統中主參數溫度是一個定值，工業上要求步進式加熱爐預

33、 熱段溫度為750C1100C，加熱時間1530分鐘；加熱段的溫度為1250C1300C, 加熱時間4060分鐘；均熱段的溫度為1150C1250E，保溫時間2030分鐘；連 鑄冷坯料、模鑄冷坯料的總加熱時間為90120分鐘；因此，主環是一個定值控制系統。 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。設計的爐溫與流量的串級控制系統方框圖如圖3-2圖3-2爐溫與流量串級控制系統方框圖加熱爐溫度控制是通過調節煤氣和空氣流量來實現的。溫度控制器根據實測溫度， 按照PID控制策略，產生一個輸出。該輸出作為煤氣控制器和空氣控制器的設定值，去 控制煤

34、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成一個串級控 制系統。其中，溫度控制器是主控制器，實現溫度的粗調，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。在控制爐溫的過程，當爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量，當爐溫偏高時， 先減煤氣量，后減空氣量，實現空氣煤氣交叉控制，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中設置的兩個選擇器：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：圖3-3單交叉限幅控制的檢測流程圖圖3-3所示為“串級和比值控制組合的系統，由爐膛溫度與燃料、空氣流量的串級 控制系統和燃料與空氣的流量比值控制系

35、統相組合。完成邏輯提量功能主要依靠系統中 設置的兩個選擇器：高選擇器 HS、低選擇器LS。在正常工況下，即系統處于穩定狀態 時，溫度控制器的輸出It，等于燃料流量變送器的輸出li,也等于空氣流量變送器的輸 出12。也就是說高、低選擇器的兩個輸入端信號是相等的，整個系統猶如不加選擇器時 的串級和比值控制組合的系統進行工作。當系統中的爐膛溫度降低時，溫度控制器的輸 出It增加（根據串級控制系統的要求，溫度控制器應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12開始增加。因此

36、時It = 1產丨2時，系l2 V It，l2被低選器選中，從而改變燃料流量控制器給定值，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。整個提量過程直至統又恢復到正常工況時的穩定狀態。當系統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 變送器的測量信號被高選器選中，作為空氣流量控制器的給定值，命令空氣降量。降量 過程直至It二1產丨2，系統又恢復到穩定狀態。這樣就實現了提量時先提空氣量，后提燃料量，降量時先降燃料量，后降空氣量的邏輯要求2單交叉限幅保證了焦爐煤氣在正常工況條件和異常工況波動條件下 ，都

37、能穩定的與 空氣保持一定偏差范圍內的比例，并以焦爐煤氣流量為主控變量，以空氣流量為從動變 量,實現了燃燒過程的經濟性和合理性要求11。3.1.3爐膛壓力的控制系統設計單回路反饋控制系統簡稱單回路控制系統。在所有反饋控制系統中，單回路反饋控 制系統是最基本、結構最簡單的一種，因此又稱為簡單控制系統。單回路控制系統雖然 簡單，卻能解決生產過程中的大量控制問題。它是生產過程控制中應用最為廣泛的一種 控制系統0單回路控制系統由四個基本環節組成，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

38、直接影響。設計中對爐壓的控制采用的 是單回路控制策略，它是通過調整煙道百葉窗的開度，從而調節煙囪的吸力，進而控制 爐膛壓力，爐壓檢測點位于出料端。設計的爐膛壓力單回路控制系統方框圖如下：圖3-4爐膛壓力控制系統方框圖3.2檢測元件的選擇3.2.1溫度檢測元件爐膛測溫熱電偶是系統的主要檢測元件。考慮測溫的準確可靠和反應靈敏，而且預熱段溫度為 750C1100C，加熱段的溫度為1250E1300E，均熱段的溫度為1150C1250r，所以采用鎳鉻一鎳硅熱電偶（K型），這是一種使用面十分廣泛的賤 金屬熱電偶，熱電絲直徑一般為1.2 2.5mm,它的測溫范圍為-270C1372C。由于鋼 坯在加熱爐設

39、備上干燥，加熱爐的三段溫度都在其測溫范圍之內， 所以使用K型熱電偶。 它的熱電極材料具有較好的高溫抗氧化性，可以滿足加熱爐的溫度要求，并且可在氧化 性或中性介質中長時間地測量 900C以下的溫度。K型熱電偶具有復現性好，產生的熱 電勢大，而且線性好，價格便宜等優點，雖然測量精度偏低，但完全能滿足一般工業測 量要求3。3.2.2流量檢測元件作為流量檢測用的節流件有標準的和特殊的兩種。標準節流件包括標準孔板、標準 噴嘴和標準文丘里管，空氣流量測量采用標準孔板配電容式差壓變送器。電容式差壓變 送器是沒有杠桿的變送器，它采用差壓電容為檢測元件，整個變送器無機械傳動、調整 裝置，而且測量部分采用全封閉焊

40、接的固體化結構。因此，儀表結構簡單，性能穩定、 可靠，具有較高的溫度。考慮到使用的燃料即焦爐煤氣中含有焦油、萘、氨、硫化物和 氰化物等雜質，若使用流量孔板，則取壓孔易堵塞，雜質附著在孔板上，影響測量的準 確性。漩渦式流量計是按流體振蕩原理，應用強迫振蕩的漩渦旋進原理進行流量檢測的。 這種檢測方法的特點是管道內無可動部件，使用壽命長，壓力損失小，測量精度高（約為一 5%1%），量程比可達100: 1，在一定的雷諾數范圍內，幾乎不受流體的溫度、 壓力、密度、粘度等變化的影響，故用水或空氣標定的漩渦流量計可用于其他液體和氣 體的流量測量而不需標定，尤其適用于大口徑管道的流量測量。因此，設計選用漩渦式

41、 流量計測量煤氣流量3。3.2.3壓力檢測元件壓力檢測的方法很多，按敏感元件和轉換原理的特性不同，一般分為四類：液柱式 壓力檢測、彈性式壓力檢測、電氣式壓力檢測、活塞式壓力檢測。根據步進式加熱爐的 工藝，選用彈性式壓力檢測的方法來檢測爐膛壓力比較適合。彈性式壓力檢測是用彈性 元件作為壓力敏感元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法。彈性元件在彈性限度內受壓后會產生變形，變形的大小與被測壓力成正比關系。目前，用作壓力檢測的彈 性元件主要有膜片、波紋管和彈簧管。彈簧管可以通過傳動機構直接指示被測壓力，也 可以用適當的轉換元件把彈簧管自由端的位移變換成電信號輸出。本設計選用彈簧管壓力表配壓力變送器

42、來檢測爐膛壓力，彈簧管壓力表是一種指示型儀表，結構簡單、使用 方便、價格低廉，它的使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和 高壓，因此應用十分廣泛。根據制造的要求，儀表的精度等級最高為0.15級。由于步進式加熱爐爐膛壓力需控制在520Pa,屬于微正壓，所以選用彈簧管壓力表3。3.3執行器的選擇執行器接受來自調節器的控制信號，由執行機構將其轉換成相應的角位移或直線位 移，去操縱調節機構（調節閥），改變控制量。使被控參數符合預期要求。執行器由執行機構和調節機構組成。執行機構系指產生推力或位移的裝置，調節機 構系指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常指調節閥22。3.3.1執行機構的

43、選擇執行機構的選擇主要是對氣動執行機構、電動執行機構和液動執行機構的選擇，根 據能源、介質的工藝要求、安全、控制系統的精度、經濟效益及現場情況等多種因素， 綜合考慮選用哪一種執行機構。氣動執行機構具有結構簡單、工作可靠、價格便宜，維 護方便和防火防爆等優點。由于所使用的燃料即焦爐煤氣具有易燃、易爆的性質，所以 設計中的執行器都選用氣動執行器，不僅可以降低生產成本，使用方便，而且能夠有效 地防火防爆，降低發生意外事故的概率。氣動執行機構接受電/氣轉換器（或電/氣閥門定位器）輸出的氣壓信號，并將其轉換 為相應的推桿直線位移，以推動調節機構工作。氣動執行器是以壓縮空氣為動力能源的， 它接受調節器的輸

44、出控制信號，通過氣缸或膜片帶動閥門連桿動作，以調節被控介質（如 液體、氣體和蒸汽等）的流量，將被控變量控制在系統要求的范圍內。氣動執行機構有薄膜式和活塞式兩種。常見的氣動執行機構均屬薄膜式，它的特點 是結構簡單、價廉，但輸出行程較小，只能直接帶動閥桿。活塞式的持點是行程長，但 價格昂貴，只用于特殊需要的場合。設計中選用薄膜式氣動執行機構。3.3.2調節機構的選擇生產過程中，被控介質的特性千差萬別，有高壓的，高粘度的，強腐蝕的；流體的 流動狀態也各不相同，有的流量小，有的流量大；有的是分流，有的是合流。因此，必 須根據流體性質、工藝條件和過程控制要求，并參照各種閥門結構的特點進行綜合考慮， 同時

45、兼顧經濟性來最終確定合適的結構形式。調節機構又稱控制閥（或調節閥）。它和普通閥門一樣，是一個局部阻力可以變化 的節流元件。由于閥芯在閥體內移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥 的阻力系數，被控介質的流量相應地改變，從而達到調節工藝變量的目的。根據不同的使用要求，調節閥的結構型式很多，主要有以下幾鐘：直通單座閥、直 通雙座閥、角形閥、三通閥、蝶閥、套筒閥、偏心旋轉閥、高壓閥。角形閥的閥體為直 角形，其流路簡單，阻力小，適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物料流量的控 制。一般使用于底進側出，此種調節閥穩定性較好。在高壓場合，為了延長閥芯使用壽 命，可采用側進底出。設計中所有的燃料閥

46、和空氣閥都選用角形閥。煙道百葉窗的擋板以轉軸的旋轉來控制流體的流量。它由閥體、擋板、擋板軸和軸 圭寸等部件組成。其結構緊湊、成本低、流通能力大、特別適用于低壓差、大口徑、大流 量氣體和帶有懸浮物流體的場合，但泄漏量較大。由于設計中控制爐膛壓力的煙道百葉 窗的流通量大，壓差比較低，大口徑，而且一定的泄漏量對爐膛壓力的控制沒有多大影 響，所以設計中控制爐膛壓力選煙道百葉窗。控制閥是控制系統的執行部件，它接受控制器的命令執行控制任務。控制閥選擇得 合適與否，將直接關系到能否很好地起到控制作用。因此，對它必須給予足夠的重視。 控制閥接受的是氣壓信號，當膜頭輸入壓力增大，控制閥開度也增大時，稱之為氣開閥

47、。 反之，當膜頭輸入壓力增大時，控制閥開度減小，則稱之為氣閉閥。對于一個具體的控制系統來說，究競選氣開閥還是選氣閉閥，要由具體的生產工藝 來決定。一般來說，要根據以下幾條原則來進行選擇。（1）首先要從生產安全出發。信號壓力中斷時，應保證設備和工作人員的安全。即當氣源供氣中斷，或控制器出故障而 無輸出，或控制網膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作，以致閥芯回復到無能源 的初始狀態（氣開閥回復到全閉，氣閉閥回復到全開），應能確保生產工藝設備的安全， 不致發生事故。（2）從保證產品質量出發。當發生控制閥處于無能源狀態而回復到初始 位置時要保證產品的質量。（3）從降低原料、成品、動力損耗來考慮。（4

48、）從介質的特點 考慮，以保證在控制閥失去能源時能所處的狀態能夠避免原料或產品的浪費。而且要注 意原料或產品是否易凝、易結晶、易聚合的物料時，以防控制閥失去能源時，會造成不 良的后果0考慮到生產的安全，當煤氣系統中斷或控制器發生故障無信號輸出，致使執行器的 閥芯回復到無能源的初始狀態時，不致于發生事故，而且焦爐煤氣具有易燃、易爆的性 質時，為防止在異常情況下產生爆炸，燃料和空氣流量執行器都應選氣開式，一旦發生 事故，則立即處于關閉狀態，不再提供燃料，以免造成浪費，從而有利于降低原料成本 和節能。為防止在異常情況下爐膛壓力過高會產生爆炸，壓力調節閥（或煙道百葉窗） 應選氣閉式，一旦壓力過高發生故障

49、時，則壓力執行器立即處于全開狀態，從而避免了 壓力過高時產生不良后果。3.4控制器的選擇控制器是常規儀表控制系統中的核心環節。擔負著整個控制系統的“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的控制品質。該控制系統包 含流量、溫度和壓力三種控制器，所以必須根據實際的工藝要求選擇合適的控制器。3.4.1控制規律的選擇控制器主要有三種控制規律：比例控制規律、比例積分控制規律、比例積分微分控 制規律，分別簡寫為P、PI和PIDo比例控制規律（P）的特點是：控制器的輸出信號與輸入信號 （偏差）成比例，即閥 門的開度變化與偏差變化有對應關系。它能較快地克服擾動的影響，過渡過程時間短

50、。 但是，純比例控制器在過渡過程結束后仍然存在余差， 而且負荷變化越大，余差也越大。 只具有比例控制規律的控制器稱為比例控制器。比例控制規律是最基本的控制規律，它 既可以單獨采用，又可以與其他控制規律結合在一起用，具有結構簡單，整定方便的優 點。比例控制器適用于調節通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控變量允 許在一定范圍內有余差的場合。例如，一般的精餾塔塔底液面、貯槽液面、冷凝器液面 和次要的蒸汽壓力控制系統，均可采用比例控制器。比例積分控制規律（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關系。具有比例積分控制規律的控制器稱為比例積分控制器，比例

51、積分控制規律是一種應用最為廣泛的控制規律。它適用于調節通道滯后較小、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、管道壓力控制系統和某 些要求嚴格的液位控制系統普遍采用比例積分控制器。比例積分微分控制規律（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，而且還與偏差的變化速度成比例，這就可以對系統小 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不穩定性也有所改善。把具 有比例、積分、微分控制規律的控制器稱為 PID控制器，又稱三作用控制器，比例積分 微分控制規律綜合了多種控制規律的優點，是一種比較理想的控制規律。適合于調節通 道

52、時間或容量滯后較大、負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。目前用較多的是溫 度控制系統。根據工藝的要求和控制規律的特點，從串級控制系統的結構看，主環是一個定值系統，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，故溫度控制器應選用比例積分微分控制規律 （PID）。然而副環是一個隨動系統，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，當選流量作為副參數時，為保穩定

53、，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 當副對象容量滯后較大時，可適當加一點微分作用。所以在串級控制系統中的流量控制 器即副控制器需要采用比例積分控制規律（PI）。在比值控制系統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，所以流量控制器應選用比例積分控制規律 （PI）。在爐膛壓力單回路控制系統中壓力調節通道滯后較小、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有余差，所以壓力控制器應 選用

54、比例控制規律（P）。3.4.2控制器的正反作用選擇工業控制器一般都具有正作用和反作用兩種工作方式。當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。控制器設置正、反作用的目的是為了適應不 同被控對象，實現閉環負反饋控制的需要。因為在一個控制系統中，除了控制器外，其 它各個環節（被控對象、測量變送據、執行器）都有各自的作用方向。如果各環節組合不 當，使系統總的作用方向構成了正反饋，則控制系統不僅起不到控制作用，反而破壞了 生產過程的穩定。又因為被控對象、測量變送器和執行器的作用方向是不能隨意選定的， 所以

55、，要想使控制系統具有閉環負反饋特征，只有通過正確地選擇控制器的正、反作用 來實現。假設對控制系統中的各環節作如下規定：1 控制器工作于正作用方式為“一”，工作于反作用方式為“十”；2執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（氣關式）為“一”；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”:4 測量變送器放大倍數的符號肯定為“十”。判別準則：只要控制系統中各環節規定符號的乘積為正， 則該系統是一負反饋系統。 即負反饋系統要滿足判別式：（控制器）*（執行器）*（被控對象）*（變送器）二（十）。串級控制系統中主、副控

56、制器正、反作用的選擇順序應該是先副后主。副控制器的 正、反作用要根據副環的具體情況決定，而與主環無關。考慮問題的出發點仍與單回路 控制系統相同，即為了使副回路構成一個穩定的系統，畐U環內所有各環節放大倍數符號 的乘積應為“正”。因此，只要知道了控制閥、畐U對象和副變送器的放大倍數符號，就 可以很容易地確定副控制器的正、反作用，畐壯制器正、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、反作用要根據主環所包括的各個環節的情況來 確定。主環內包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器。對于副回路可將它視為一 放大倍數為“正”的環節來看待。因為副回路是一隨動系統，對它的要求是：副變量要

57、 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 倍數為“正”的環節看待。這樣，只要根據主對象與主變送器放大倍數的符號及整個主 環開環放大倍數的符號為“正”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。實際上， 主變送器放大倍數符號一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數為“正” 的環節，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的符號。當主對 象放大倍數符號為“正”時，主控制器應選“反”作用；反之，當主對象放大倍數符號為“負”時，主控制器應選“正”作用。根據以上判別準則，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。3.5 PLC選型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、自動化技術與繼電器邏輯控制概念而開發的一代新型工業控制器，是專為工業環境應用而設計的。它可以取代傳統的繼電器完成開關量的控制，比如,將行程開關、 按鈕開關、無觸點開關或敏感元器作為輸入信號，輸出信號可控制電動閥