1、鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 I 页双交叉限幅控制在加热炉燃烧控制系统中的应用摘要本文主要研究鞍钢大型厂加热炉燃烧控制系统。鞍钢大型厂加热炉为步进式加热炉，沿长度方向分为预热段、加热段、均热段三个加热段。根据工艺要求可将加热炉检测和控制系统分为加热炉温度控制、检测系统，助燃空气、混合煤气管道压力控制、检测系统，汽化冷却控制系统等。其中加热炉各段温度的优化设定和自动控制是主要控制目标。设计中采用了双交叉限幅控制原理实现加热炉燃烧的自动控制，即以炉膛各段的温度作为调节信号，控制煤气调节阀的开度，以保证相应的燃烧所需煤气的量；同时以煤气流量作为调节信号，按最佳空燃比控制空气调节阀开度，保证
2、相应的燃烧所需的空气量。采用了双交叉限幅控制方式后提高了系统空燃比的稳定性，增强了炉温的控制效果，并且极大地减少了有害气体的对外排放，达到节能和环保的目的。设计中采用美国 AB 公司的 ControlLogix5000 系列可编程控制器组成分散式控制系统，完成各工艺参数检测和控制，实现了加热炉计算机监控和数据采集，解决了加热炉燃烧过程普遍存在的能耗高，钢坯温度波动严重，温度控制不精确等问题。关键词：加热炉，双交叉限幅，PLC 控制器，温度控制鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 II 页The Application of Double Cross-Limit in the Control
3、System of Reheating FurnaceAbstractThe main research of this paper is about the An Shan Iron and Steel Company large-scale factory reheating furnace combustion control system. The An Shan Iron and Steel Company Large-scale Factory reheating furnace is the walking beam reheating furnace, divides into
4、 the preheating station, the heating zone, the even heating station along the length direction. According to the technological requirements, the reheating furnace examination and the control system are divided into the reheating furnace temperature control, the examination system, the combustion air
5、, the combination gas pipeline pressure control, the examination system, the vaporization cooling control system and so on. Each section of temperature optimized hypothesis and the automatic control in the reheating furnace are the primary controlling goals.The system has used the double-cross limit
6、 control principle realization reheating furnace burning automatic control. The system put each section temperature as the adjustment signal， controlled gas regulating valve opening, and guaranteed corresponding gas the quantity which burning needed. At the same time, put gas flow as regulating sign
7、al, control opening degree of air regulating valve according to the best burning ratio. After applying double-cross limit control mode, it can reduce the emission of noxious gas. It can also achieve the energy conservation and the environmental protection goal. Besides, it can improve the stability
8、of air-fuel ratio and the effect of the furnace temperature controlling in the system.The system applies the Control Logix5000 series programmable controller composition distributed control system in American A-B Corporation to complete various crafts parameter examination and control and to monitor
9、 the computer and to collect the data. So the problem about the heating furnace combustion process is universal high, the billet temperature fluctuation is serious, the precision of temperature control and forth on are solved.Key words：Reheating furnace, doublecross limit, PLC, temperature control鞍山
10、科技大学本科生毕业设计(论文) 第 III 页目 录摘要 .I1 绪论.11.1 步进式加热炉简介和工艺特点.11.2 加热炉控制技术应用现状.11.3 加热炉燃烧控制系统研究内容及方法.32 加热炉的控制系统总体设计.42.1 钢坯加热的工艺过程.42.2 加热炉主要检测项目.52.2.1 煤气与空气压力检测.62.2.2 煤气流量检测.72.2.3 炉膛内温度检测.72.3 加热炉主要调节项目.73 加热炉燃烧控制系统设计.83.1 加热炉燃烧控制的理念.83.2 单交叉限幅控制.83.3 双交叉限幅控制.93.4 改进型双交叉限幅控制.113.5 本文采用的控制设计.114 计算机控制系
11、统设计.134.1 系统构成和配置.134.2 系统功能.144.3 系统软件介绍.144.3.1 系统软件梯形图.154.3.2 系统软件指令介绍.164.4 系统软件编程设计.204.4.1 热电偶温度控制设计.204.4.2 煤气流量温度/压力补正 .21鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 IV 页4.4.3 比例积分微分控制器.224.4.4 双交叉限幅控制的软件编程.23结论.26致谢.27参考文献.28附录 A（软件程序） .29鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 1 页1 绪论1.1 步进式加热炉简介和工艺特点加热炉是轧钢生产中的重要设备。在轧钢厂的热轧生产中，必须将要
12、轧制的钢锭或钢坯加热到一定的温度，使其具有一定的可塑性后进行轧制。目前，轧钢生产中的加热炉主要为步进式加热炉和推钢式加热炉两种。步进式加热炉是一种节能高效的加热炉，其工作炉膛分为预热段、加热段、均热段，使用的燃料为煤气。步进式加热炉有推钢式加热炉无法比拟的优点：不拱钢，不粘钢，氧化烧损小，脱碳少，加热时间短，加热操作灵活，易于和轧制节奏相匹配，加热过程中不划伤，炉子长度不受限制等，易于实现自动控制。加热炉内钢料温度的优化设定和加热炉自动化控制水平直接影响到能耗，烧损率，废钢率，产量，质量等指标。步进式炉在提高坯料加热质量，减少温度差方面采取了有效措施：（1）下加热段由初期的侧面供热改成端部供热
13、；（2）均热段和加热段纵向支承梁在炉宽方向错开一段距离以减少水管黑印；（3）增大纵向支承梁上垫块（或骑卡件）高度以减少水管对坯料的遮蔽作用，减少垫块宽度以减少水管对坯料的冷却作用，从而减少水管黑印，金属陶瓷块已开始作用；（4）步进梁对坯料实现轻抬轻放；（5）细长的方坯出料时，配置带 4-5 挑杆的托出机，在激光装置监视下将方坯托到悬臂辊上 1。1.2 加热炉控制技术应用现状随着计算机软、硬件技术与智能控制技术的发展，一些先进的科技手段已成功地应用于加热炉的炉温控制中。目前，计算机自动控制系统在国内外的各钢铁企业得到了非常广泛的应用，并且，作为钢铁工业强国的日本、美国等国家已有了将专家系统和模糊
14、控制应用于钢厂加热炉燃烧控制和炉温控制的报道。国内在加热炉自动控制方面的研究起步较晚，但发展速度很快，随着工业计算机的逐渐普及和自动控制技术在钢铁企业的应用日趋广泛，加热炉控制理论的研究日渐深入，已经成为自动控制技术工业应用研究的重要领域，并且取得了能够进行实际应用的研究成果 2。表 1.1 和表 1.2 分别对国外和国内加热炉温度控制技术的应用进行了概括和总结。从两表比较中不难发现，国内企业加热炉温度控制技术与国外企业相比还有很大差距。目前，制约国内加热炉控制技术发展的因素主要有以下几方面 3：鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 2 页(1)国内大部分钢铁企业的加热炉计算机控制系统基本
15、上都是引进国外的成套设表 1.1 国外钢铁企业加热炉温度控制技术的应用情况钢 厂 采用的温度控制技术及应用情况Essar 钢厂 开发了加热炉温度控制模型 RTC 系统，可在线模拟钢坯升温与降温过程，完成加热炉与轧机的节奏匹配、钢坯加热过程优化、各加热区温度设定点计算及制定待轧策略等功能。日本川崎钢铁厂 开发了加热炉燃烧控制专家系统，与数学模型相结合，系统采用线形规划、优化模型计算机满足出钢温度和时间的升温模式，用专家系统选择优化模型的目标函数和约束条件，确定设定温度。新西兰 Hoogovens 钢厂 采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制、推钢速率控制和直接燃烧控制。瑞典 D
16、OMNARVET 钢厂 实现了计算机在先最优控制，包括最佳加热曲线的确定和最优炉温控制。美国 Yamatake Honeywell 公司 步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统具有过程温度控制作业顺序管理、钢坯跟踪及生产管理功能。表 1.2 国内钢铁企业加热炉温度控制技术的应用情况 4钢 厂 采用的温度控制技术及应用情况采用分区控制策略，把 PID 控制、强比例控制，马鞍山钢铁公司 与 Fuzzy 控制相结合的复合控制系统，三者之间转换条件是炉温设定值与实际值的温度偏差 e，温度上下限通过分析现场数据确定。莱芜特钢厂 以 NEUROSHELL 神经元网络为基本开展平台，采用 BP 网络中带阻尼反馈
17、的 recurrent 网络的寻优功能寻找最佳空燃比。投入运行后取得良好控制效果，炉温控制精度在设定值10上海宝钢 1580 热扎厂 整个钢坯加热过程实现了数学模型网络控制，根据粗轧出口带钢要求的目标温度，采用炉温 或流量设定方法，对板坯温度周期进行计算。通过加热炉控制模型中的数据层别，实现了对新增的不同规格与钢种的板坯出炉温度的准确控制。武汉钢铁公司 将模糊控制技术用于常规 PID 控制参数的自动整定，整个加热炉实现了全自动控制，自寻优并跟踪最佳燃烧，各段炉温自动协调，鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 3 页最大限度地修正各设定值，各参数在线自动整定，控制温度精度1%,氧化烧损减少
18、30%以上。备，技术上受到制约，设备维护费用较高，因此必须加快加热炉计算机控制设备的国产化步伐，这也是成为世界钢铁工业强国应具备的基本条件。(2)分析仪表的好坏，将直接影响加热炉控制效果。目前加热炉的分析仪表基本上都从国外引进，成本较高。 (3)国内大部分钢铁生产企业的钢坯加热工段的温度控制与轧制工段脱节。钢坯出炉温度设定值往往根据轧制工段操作工的经验要求确定，而不是根据钢坯的具体轧制状况由计算机控制系统自动确定，这样做的结果不是加热能耗过高就是轧制负荷过大，轧制设备使用寿命降低。因此，开发将钢坯的温度控制与钢坯轧制负荷控制结合起来的集成控制系统已成为钢铁企业实现基础自动化和加热炉综合集成控制
19、技术的当务之急，国内类似的研究较少。(4)手动控制曾是我国钢铁企业加热炉温度控制和轧制负荷控制的主要手段。这些人工经验经过多年积累已经非常丰富。近年来模糊控制技术，神经网络技术与专家系统的研究已经取得了长足的发展，因此将已有的人工控制与上述以经验为基础的控制技术相结合，可对将钢坯温度控制与轧制负荷控制结合起来的集成控制系统的研究提供一种新的研究手段。1.3 加热炉燃烧控制系统研究内容及方法鞍钢大型厂加热炉为三段步进式加热炉。按工艺要求可将检测、控制系统分为加热炉温度控制、检测系统，助燃空气、混合煤气管道压力控制、检测系统，汽化冷却控制系统等。其中加热炉温度的优化设定和自动控制是主要控制目标。本
20、文以鞍钢大型厂加热炉计算机控制系统设计为背景，完成了如下具体工作：（1） 通过查阅资料，了解加热炉温度控制技术发展及国内外应用现状，了解加热炉生产工艺及控制目标；（2） 基于对加热炉燃烧控制系统的分析，综合国内外技术发展及设备现状，提出以双交叉限幅为加热炉燃烧控制策略；（3） 完成加热炉计算机控制系统总体设计和检测、控制系统流程图设计；（4） 采用美国 AB 公司 ControlLogix5000 系列 PLC 设备组成分散式控制系统，完成各工艺参数检测和控制；鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 4 页（5） 运用 RSView 和 RSLogix5000 等相关软件完成了加热炉双交叉燃
21、烧控制系统软件设计。2 加热炉的控制系统总体设计2.1 钢坯加热的工艺过程在步进式加热炉里，钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的，在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升，前进，下降，后退的矩形运动，每一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立机构构成的。支撑在辊子上的步进梁的前进，后退多采用油压传动方式。上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动。炉子装钢要保持规定的间隔，用推钢机或输送机装入炉内。加热好的钢坯出钢采用出钢装置送入下一步工序。图 2.1 步进式加热炉工艺图为了对钢坯实现有效地加热，步进式加热炉沿炉长方面分为：预热段，
22、加热段和均热段，如图 2.1 所示，有的步进式加热段分为一段加热段和二段加热段。预热段的长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经过预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉最重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透，炉口能否正常出钢。均热段主要将钢坯均匀加热到规定的出钢温度。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则不能出钢。三段的温度互相耦合，互相影响 5。鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 5 页为了便于灵活调节各段炉温，在加热二段与均热段之间设有无水冷隔墙。用无水冷隔墙隔
23、开，可以精确控制两段炉温和炉压，减少两段之间的辐射干扰。各段均为上下加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。通过每对蓄热式烧嘴的切换燃烧，加强炉气在炉内的扰动，增强炉气对钢坯的传热。空气预热温度 1000以上，排烟温度 150以下。炉内钢坯通过步进梁的步进动作，自装料端一步一步经过加热一段、加热二段和均热段传送到炉子的出料端。在接到轧机要钢信号后，步进梁就将固定梁上最终料位处的钢坯托放在出料悬臂辊上面，然后送出进入轧线轧制。2.2 加热炉主要检测项目加热炉的热工制度主要包括：温度制度，燃料燃烧制度和炉压制度等，为了保证燃烧的正常进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制方法和动态补偿的炉膛压力控
24、制方法，同时对煤气的流量、压力与助燃空气的流量、压力以及炉膛温度、压力分别进行检测控制。加热炉检测系统控制流程图如图 2.2 所示。主要的检测项目有： （1）温度检测：加热炉第一加热段内温度检测，加热炉第二加热段内温度检测，加热炉均热段炉内温度检测，煤气、热风温度检测，换热前后烟道温度检测；（2）流量检测：加热炉一段煤气、空气流量检测，加热炉二段煤气、空气流量检测，加热炉均热段煤气、空气流量检测，热风流量检测；（3）压力检测：煤气热风压力检测，加热炉炉膛压力检测，煤气总管压力检测，热风管压力检测。鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文) 第 6 页图 2.2 加热炉检测系统控制流程图其中， PV：表示阀、挡板PIC：表示压力指示、调节FIC：表示流量指示、调节PE：表示压力测量元件 FT：表示流量变送器TIC：表示温度指示、调节FE：表示流量测量元件2.2.1 煤气与空气压力检测为保证炉温燃烧控制系统的稳定，稳定燃料压力是十分必要的。因此在步进式加热炉上，应设燃料压力自动调节系统。煤气压力自动调节系统的构成，如图 2.3 所示。
