過程控制課程設計1

1、內(nèi)蒙古科技大學過程控制課程設計說明書題 目：步進加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計學生姓名：學 號：專 業(yè)：測控技術與儀器班 級：2012-1指導教師： 2015 年 9 月 8 日目錄第一章 緒論11.1 步進式加熱爐的背景及意義11.2 步進式加熱爐結構11.3步進式加熱爐工藝流程2第二章 控制方案總體設計32.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)3第三章 步進式加熱爐過程控制方案設計43.1爐膛溫度控制系統(tǒng)設計43.1.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)的選擇43.1.2 主、副被控參數(shù)的選取53.1.3 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇63.1.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇63.1.5 控制系統(tǒng)的工作原理73.1.6 溫度傳

2、感器選型83.1.7 控制器選型83.1.8 流量計選型93.1.9 執(zhí)行器的選擇10第四章 總結10參考文獻2內(nèi)蒙古科技大學課程設計論文第一章 緒論1.1 步進式加熱爐的背景及意義 近年來，我國工業(yè)發(fā)展迅速，制造行業(yè)的進步更是一日千里，在這樣的大環(huán)境下，各行各業(yè)，如汽車、輪船、鐵路、建筑、機械設備制造等對鋼材的需求不斷增大，為了滿足這巨大的市場需求，不斷有新的鋼鐵生產(chǎn)線被建設出來，而在整個鋼材的生產(chǎn)加工的過程中，加熱爐扮演著一個重要且不可缺少的角色，它的作用是對冷熱鋼坯進行加熱，以便后面的軋鋼得以順利的進行，而待軋鋼坯的溫度和溫度的均勻與否對軋鋼的質(zhì)量有著重要的影響。加熱爐是整個鋼材的生產(chǎn)加

3、工中的重要一環(huán)，同時，也是能耗比較多的一環(huán)，一個性能優(yōu)良的加熱爐控制系統(tǒng)不僅對鋼材的質(zhì)量有著重要的影響，同時也能節(jié)約大量能源，提高能源的利用率，減少環(huán)境的污染，為社會和諧發(fā)展作出貢獻。在現(xiàn)實的生產(chǎn)過程中，一個性能優(yōu)良的加熱爐控制系統(tǒng)具有很多實際意義：（1） 提高生產(chǎn)率，增加效益（2） 安全生產(chǎn)得以實現(xiàn)（3） 節(jié)能減排，保護環(huán)境（4） 對新技術發(fā)展和應用有促進作用1.2 步進式加熱爐結構 軋鋼工業(yè)的加熱爐型一般有推鋼式爐和步進式爐兩種，但推鋼式爐有長度短、產(chǎn)量低、燒損大，操作不當時會粘鋼造成生產(chǎn)上的問題，鋼坯斷面溫差較大，鋼坯背面滑軌擦痕多，難以實現(xiàn)管理自動化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點，而步

4、進梁式爐是靠專用的步進機構，在爐內(nèi)做矩形運動來移送鋼坯，鋼坯之間可以留出空隙，鋼坯和步進梁之間沒有摩擦，出爐鋼坯通過托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，又有適合加熱斷面較大的坯料，鋼坯加熱斷面溫差小、加熱均勻以及可出空爐料，爐長不受限制，產(chǎn)量高、生產(chǎn)操作靈活等特點，其生產(chǎn)符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求川。為了對鋼坯實現(xiàn)有效的加熱，步進式加熱爐沿爐長方向分為:預熱段、加熱段和均熱段，如圖1.1所示。有的步進式加熱爐加熱段分為一加熱段和二加熱段。預熱段長度較長，可以充分利用煙氣來預熱裝爐鋼坯，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(chǎn)生熱應力，因此要求控制升

5、溫速度。鋼坯經(jīng)過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加熱到規(guī)定的出鋼溫度。若均熱段溫度過高，將出現(xiàn)鋼體打滑現(xiàn)象溫度過低，則不能出鋼。三段的溫度互相禍合，互相影響。圖1.1 三段步進式加熱爐結構簡圖 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，為了保證燃燒的高效進行，一般采用雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)和帶動態(tài)補償?shù)臓t膛壓力控制系統(tǒng)，同時對爐膛溫度和爐膛壓力進行控制。在步進式加熱爐里，鋼坯的移動是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，通過移動梁反復地上

6、升、前進、下降、后退的矩形運動，每一個循環(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。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、后退多采用油壓傳動方式。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裝置送入下一步工序。1.3步進式加熱爐工藝流程在坯料進入到加熱爐后，它首先要經(jīng)過預熱段進行緩慢的升溫，預熱段溫度控制在850-950，然后再進入加熱段進行強化加熱使鋼坯的平均溫度達到軋制溫度，加熱段溫度在1250左右，最后鋼坯進入到均熱段進行均熱，使鋼坯內(nèi)外溫度趨于一致，均熱段溫度在125

7、0-1300左右。燒嘴分布在加熱段、均熱段的側面爐墻的上下部，鋼坯加熱的生產(chǎn)過程如下：加熱爐的步進梁伸到鋼坯底部的輥道之間，步進梁上升，將鋼坯抬起一定高度，前進一段距離后停止，下降將鋼坯放到固定梁上，步進梁繼續(xù)下降脫離鋼坯，到位后再后退回到下一原位，然后重復上述動作，如此循環(huán)往復，使得鋼坯步進式前進，循環(huán)經(jīng)過加熱爐的各段，最后把加熱好的鋼坯送到出鋼端的出鋼懸臂輥道上，然后由該組輥道將其運送出爐，經(jīng)過高壓水除鱗處理后傳送到軋機進行軋制 。工藝過程如圖1.2所示：裝料機口裝料輥道連鑄出坯輥道連鑄連鑄出坯焜道連鑄出坯焜道均 熱 段加 熱 段預 熱 段圖1.2  工藝過程

8、第二章 控制方案總體設計2.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)步進式爐膛溫度控制采用雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)。雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)構成的基礎是爐溫與燃料流量和空氣流量構成并列串級控制系統(tǒng)，然后在空氣流量調(diào)節(jié)回路和燃料流量調(diào)節(jié)回路中各自有一個高值選擇器和低值選擇器及一些運算單元。雙交叉限幅控制見圖 1.3。 圖1.3雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)第三章 步進式加熱爐過程控制方案設計3.1爐膛溫度控制系統(tǒng)設計3.1.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)的選擇爐膛溫度的控制有很多種其中包括單回路控制、串級控制、串級單交叉限幅控制、串級雙交叉限幅控制、帶氧量串級雙交叉限幅控制。對于單回路控制，系統(tǒng)簡單、控制精度低對于鋼鐵廠這樣復雜的環(huán)境，

9、干擾因素比較的多，往往控制達不到預期的要求。對于串級控制，雖然與單回路控制系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)越性，但也存在一些問題，在生產(chǎn)實際中加熱爐中進入的空氣量與煤氣量并不是恒定不變的，而是變化的，然而根據(jù)燃燒的化學公式要使燃燒熱值達到最大，資源利用最大，就需要使空氣量和煤氣量成一定的比例，但該系統(tǒng)不能實現(xiàn)此要求。單交叉限幅控制可以保證在動態(tài)過程中，空氣量比燃料量富裕，不會產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，但由于對空氣量的上限沒有限制，使排煙熱損失較大，鋼坯的氧化燒損嚴重。 雙交叉限幅控制是以爐溫調(diào)節(jié)回路為主環(huán)，燃料流量和空氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，構成串級并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng)。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負荷變化時，系統(tǒng)各參數(shù)變化，

10、根據(jù)實測空氣流量對燃料流量進行上、下限幅，而且還根據(jù)實測燃料流量對空氣流量進行上、下限幅。在負荷增加或減小時，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動態(tài)情況下，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比。雙交叉算法在動態(tài)調(diào)節(jié)時能夠獲得合理的空燃比，但響應速度慢。改進型雙交叉(偏差比例型)控制算法是雙交叉系統(tǒng)在空燃比特性與響應速度上的折中處理。交叉限幅控制的特點是采用一個最大選擇器和一個最小選擇器，其目的是保證當爐溫低于設定值，需要增加燃料流量時空氣先行;而當爐溫高于設定值，需要減少燃料流量時燃料先行，以防止冒黑煙。該方法己經(jīng)廣泛應用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動態(tài)過程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過

11、程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。對于帶氧量串級雙交叉限幅控制,殘氧檢測方法被用來參與閉環(huán)控制，然而用于測量煙氣中含氧量的氧化錯探頭進口的產(chǎn)品價格太貴，國產(chǎn)的使用壽命太短，因此，該控制方法的應用在一定程度上受到了制約。 目前，在上述眾多爐溫控制方式中，雙交叉限幅控制策略是加熱爐燃燒控制中應用最多亦是比較成熟的控制理論，這種控制算法對工藝過程比較穩(wěn)定、溫度設定值“不變”的控制過程可獲得很好的控制效果，因此步進式爐膛溫度控制采用雙交叉限幅燃燒控制，如圖1.4為串級雙交叉限幅控制系統(tǒng)的爐膛串級溫度控制系統(tǒng)。圖1.4 爐膛溫度控制系統(tǒng)框圖3.1.2 主、副被控參數(shù)的選取 由圖1.4可知本系統(tǒng)主

12、要是控制爐膛溫度，所以選取爐膛溫度為主被控參數(shù)，而影響爐溫的主要干擾是煤氣和空氣的流量比，所以選取副被控參數(shù)為煤氣和空氣流量比。3.1.3 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 （1） 主回路（定值控制）在串級系統(tǒng)中主被控參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要操作指標，它直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)安全，藝上要求比較嚴格。一般不允許有靜差。因此，主調(diào)節(jié)器通常都選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。但該主回路控制參數(shù)為溫度控制通道容量滯后大，因此選擇PID調(diào)節(jié)規(guī)律。（2） 副回路（隨動控制）串級控制系統(tǒng)設置副被控參數(shù)的目的在于保證和提高主被控參數(shù)的控制質(zhì)量，因而允許它一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。在干擾作用下，為了維持主被控參數(shù)的不變，副被

13、控參數(shù)就要變化。因此，一般情況下，副調(diào)節(jié)器只選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律即可。但是，當副回路流量為副被控參數(shù)時，由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律對噪聲較敏感，為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣，比例控制作用偏弱，為此引入積分作用，采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。3.1.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。（1） 副調(diào)節(jié)器正、反作用的方式選擇 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全和節(jié)約能源的原則，防止爐膛溫度過高影響產(chǎn)品質(zhì)量以及煤氣的浪費，調(diào)節(jié)閥采用氣開式，故為正為正，當調(diào)節(jié)閥開度增大，流量增大，所以副對象為正，流量變送

14、器的通常為正，為了使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，故副調(diào)節(jié)器的為正，選用反作用控制器。（2） 主調(diào)節(jié)器正、反作用的方式選擇 副回路為正，變送器正，當調(diào)節(jié)閥開度增大，溫度升高，故為正，同樣為了使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，所以主控制器的為正，選用反作用調(diào)節(jié)器。3.1.5 控制系統(tǒng)的工作原理 加熱爐雙交叉限幅控制系統(tǒng)由八個運算單元組成，即高值選擇器HS1、HS2,低值選擇器LS1、LS2，正向偏置單元K1、K4,負向偏置單元-K2、-K3,原理圖如下：圖1.5 雙交叉限幅控制原理圖 經(jīng)流量檢測得到的空氣流量值F2與負向偏置單元-K3計算出燃料流量下限值B1，與正向偏置單元K1

15、計算出燃料流量上限值Cl；經(jīng)流量檢測得到的燃料流量值Fl與負向偏置單元-K2計算出空氣流量下限值C2，與正向偏置單元K4計算出空氣流量上限值B2。穩(wěn)態(tài)運行時B1AC1，且C2AB2，實際燃料流量和空氣流量均由A值直接給出。當負荷急劇下降時。A值也跟著下降，A值與B1值在高值選擇器HS1比較后，取大信號B1，然后B1與信號C1在低值選擇器LS1較后，取小信號B1作為燃料流量設定值，即燃料量取下限值，同時A值與信號B2在低值選擇器LS2比較后選擇其中的小信號A，然后A與C2在高值選擇器HS2比較后，取大信號C2作為空氣流量設定值，從而限制了負荷急劇下降時剩余空氣系數(shù)的上限值，做到在負荷急劇下降時，

16、燃料量先減小，空氣量隨之減小。同理，當負荷劇烈上升時，空氣流量先增加，燃料量最值增加并限制了燃量流量增加的上限值。雙交叉限幅控制能夠在動態(tài)過程中始終保持空燃比在最佳范圍內(nèi)，無論負荷如何變化，剩余空氣系數(shù)總能控制在確定的范圍內(nèi)。3.1.6 溫度傳感器選型由于所在工藝上步進式加熱爐加熱段溫度大致要求控制在1250左右，而S型熱電偶的測量范圍為0-1600，精度等級1、2級滿足工業(yè)生產(chǎn)，S型熱電偶在正常長期使用溫度為800-1300左右時測量的精度最高，能夠滿足所需要求，所以選WRP130型鉑銠熱電偶，如圖1.6 。 圖1.6 S型熱電偶 3.1.7 控制器選型 針對本設計，經(jīng)過網(wǎng)上查閱資料選擇ta

17、isee牌PID數(shù)顯溫度控制器溫控器,如圖1.7所示。 圖1.7 PID數(shù)顯溫度控制器主要技術指標： 測量對象溫度溫度范圍-199.91900（）測溫誤差0.01（）開孔尺寸68*68（mm）安裝型式孔位安裝輸出信號420（mA）工作電壓AC85265（V）外形尺寸72*72（mm）重量05（Kg）輸出模式（可選購）RELAY/SSR/420mA/15V/010V/三線式比例閥門3.1.8 流量計選型 根據(jù)工藝要求選擇電磁流量計HQ970-DN65作為流量計的選型。原因電磁流量計具有以下特點：1)  測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和導電率變化的影響。  

18、60;2) 測量管內(nèi)無阻流部件，無壓損，直管段要求低。對漿液測量有獨特的適應性。  3) 合理選用電極和襯里材料，即具有良好的耐腐蝕性和耐磨損性。   4) 全數(shù)字量數(shù)量，抗干擾能力強，測量可靠，精度高，流量測量范圍可達150:1  5) 超低EMI開關電源，適用電源電壓變化范圍大，抗EMI性能好。   6) 采用16位嵌入式微處理器，運算速度快，精度高，可編程頻率低頻矩形波礪磁，提高了流量測量的穩(wěn)定性，功耗低。   

19、;7) 采用SMD器件和表面貼裝（SMT）技術，電路可靠性高。   8) 管道內(nèi)無可動部件，無阻流部件，測量中幾乎沒有附加壓力損失。   9) 在現(xiàn)場可根據(jù)用戶實際需要在線修改量程。   10) 測量結果與流速分布，流體壓力，溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無關。  11) 高清晰度背光LCD顯示，全中文菜單操作，使用方便，操作簡單，易學易懂。  3.1.9 執(zhí)行器的選擇本設計主要采用三通快裝氣動球閥 T型L型不銹鋼304 AT氣動

20、執(zhí)行器，為了安全考慮，采用氣開式。氣動執(zhí)行機構又分為薄膜式和活塞式，它們都是以壓縮空氣為能源，具有控制性好、結構簡單、動作可靠、維修方便、防火防爆和價廉等優(yōu)點，并可以方便地與氣動儀表配套使用。第四章 總結經(jīng)過一周的過程控制的設計收獲了許多，發(fā)現(xiàn)了實際中與我們做書后的過程控制設計習題是兩個概念，實際中設計的是需要真正解決實際問題的，而習題不一樣，雖然將題目解出來但是否符合實際還有待商榷。一個星期的設計，時間不是很長，但也不是很短，經(jīng)過課程設計，不僅對過程控制系統(tǒng)有了更進一步的了解，還學會了課程上學不到的知識，例如word的使用、圖像的編輯、截圖工具的使用，更加體會到那些碩士、博士研究問題和解決問題的嚴謹作風。本次過程控制系統(tǒng)的設計，雖題目是設計，但真正不過是學習借鑒別人的成果，通過自己的體會和理解設計的系統(tǒng)，暫且稱為設計吧！針對本次設計的系統(tǒng)，還存在著一些的不足，當系統(tǒng)處于耦合狀態(tài)下時，由溫度調(diào)節(jié)器的負荷變動指令被旁路，由于耦合系統(tǒng)閉環(huán)的性質(zhì)，空氣和燃料流量變