1、1步进式加热炉控制系统设计班级：测控技术与仪器 083 班设计日期:2011 年 12 月 22 至 2012 年 1 月 2 号设计地点：安徽工业大学东校区2目 录第一部分：步进式加热炉1. 步进式加热炉简介32. 步进式加热炉结构43. 步进式加热炉工艺流程5第二部分：DCS 系统的选型 DCS 选型注意事项 7 本设计 DCS 选型 7 DCS 系统硬件选型 8 组态设计8 设备安装9 调试9第三部分：步进式加热炉控制系统设计方案 步进式加热炉的主要性能参数9 步进式加热炉具体控制方案设计9第四部分：DCS 组态图 JX-300 组态13 加热炉控制系统演示工程14 温度报警显示15 温
2、度和炉膛压力监控16第五部分：心得体会第六部分：参考资料3一、步进式加热炉工艺流程步进式加热炉简介步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。步进式加热炉特点 和推送式连续加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：1.可以加热各种形状相比的料坯，特别适合推送式炉不便加热的大板坯和异型坯。2.生产能力大，炉底强度可以达到 800-100kg/m2 h,与推送式炉相比，加
3、热等量的料坯，炉子长度可以缩短 10%-15%。3.炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象。4.炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变料坯之间的距离，就可以改变炉内料块的数目，适应产量变化的需要。而且步进周期也是可调的，如果加大每一周期前进的步距，就意味着料坯在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热要求。5.单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床。两面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热良好与否而定。6.由于坯料不在炉底滑道上滑动，料坯的下面不会有划痕。推送式炉由于推力震动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式炉不需要这些维修费用。7.轧机故障或停轧时，能踏步或将
4、物料退出炉膛，以免料坯长期停留炉内造成氧化和脱碳。8.可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化。步进式加热炉存在的缺点：和同样生产能力的推送式炉相比，造价高 15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高 160KJ。4步进式加热炉的结构步进式加热炉结构图图（1）5(2)炉底结构：从炉子结构看，步进式加热炉分为上加热步进式炉、上下加热步进式炉、双步进梁步进式炉等。上加热炉只有上部有加热装置，固定梁和移动梁是耐热金属制作的，固定炉底是耐或材料砌筑的。这种炉子几乎没有水冷结构，所
5、以热耗较低，只能单面加热，用于较薄钢坯的加热。与推进式加热炉一样，为了满足加大钢坯的需要，步进式加热炉也发展了以下的加热方式，出现了上下加热的步进式加热炉。结构图如图（2）. 此炉底是架空的，可以实现双面加热，钢坯没有紧靠在一起，也可以看成是四面受热。下加热一般只能用侧烧，上加热可以用轴向端烧嘴，也可以用侧烧嘴或炉顶端烧嘴供热。考虑到轴向烧嘴火焰沿长度方向的温度分布和各段温度的控制，某些大型步进式炉有明显的炉顶压下，而下加热段设有端墙，以免各段温度之间相互干扰。因此这样的步进式炉子长度温度调节有更大的灵活性。如果炉子宽度较大，火焰长度又较短时，可以在炉顶上安装平焰烧嘴。(3)传动机构：步进式加
6、热炉的传动机构分为机械传动和液压传动，目前广泛应用的是液压传动方式。此种传动方式运行稳定、结构简单、运行速度的控制比较准确，占地面积小、设备质量小、比机械传动有明显的优点。由于步进式炉很长，上下两面温度差过大，线膨胀的不同会造成大量的弯曲和隆起。为解决这个问题，目前一些炉子将大梁分成若干段，各段间留有一定的膨胀间隙，变形虽不能避免，但弯曲的程度大为减轻，不致影响炉子正常工作。(4)密封结构：为了保证步进梁正常无阻碍的运动，在活动梁和移动梁之间要有一定的间隙，对步进梁来说则在梁支撑穿过炉底部分有保证它运动的足够大的开孔。这些缝隙或开孔的存在虽然是必要的，但也容易吸入冷风，影响加热质量和降低燃料利
7、用率，也可能造成炉气外逸，危害炉底下部设备，对轧钢用步进炉则必须考虑密封问题。目前有滑板式密封和水封两种密封形式，前者密封较差，水封密封较好。图(2) 步进式加热炉炉底结构6步进式加热炉工艺流程一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段。进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。一般用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。钢坯加热是热轧生产工艺过程中
8、的重要工序。其生产过程如下：对于步进式加热炉，钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的。钢坯位于固定梁上，移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动，移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉前进一步，而且保证钢坯没有任何滑动。传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立的机构完成的。步进梁的进后运动多采用油压传动方式，上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式。钢坯被送到加热炉外的上料辊道上，经过测长后，从装料炉门进入炉内，然后在炉内悬臂辊道上进行对中定位，通过移动梁步进机械的周期运动，一步步地前进。当钢坯被输送到出炉位置，且已达到所要求的出炉温度，当接到允许出钢信号时，钢坯加热结束，由出
9、料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。步进行程如图（3）工艺过程如图（4）固定梁水平面321 4下降上升固定梁移动梁图（3）步进结构连铸出坯焜道装料焜道装料机口炉内固定梁预热段加热段均热段出料焜道图 (4)72、DCS 系统选型DCS 选型注意事项 DCS 可以用于不同的工艺过程，它是通用的控制设备。 经济性，应该从 DCS 本身价格和预计所创效益角度考虑。 承包方的技术力量，也就是承包方对哪一工艺过程和 DCS 本身比较熟悉。 售后服务问题，国外厂商通常情况下存在配品、备件供应价格高，且不能及时供应问题。国内的 DCS 厂家配品、备件供应比较及时，售后服务方面做的也比较好。也可选用。
10、DCS 的技术先进性，指系统采用了经过验证的最新技术，并有发展前途和生命力。 选型不但要考虑项目规模和投资预算，还要考虑到一系列其它的因素，选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运，应慎重考虑。本设计 DCS 的选型一般的工程项目，需要进行可行性研究和项目的基础设计，以确定工艺基本要求、系统的规模、测点的数目及特性（如量程、单位、阀特性、触点的常开和常闭等） 、控制要求（如联锁、常规控制、特殊控制等） 、需监控的流程画面（如带测点的工艺流程图样式、操作界面的样式） 、报表样式及要求、控制室的布置设计等等。明确这些要求，为下一步的选型、组态、安装、调试等工作做了准备。选择浙大中控JX-3
11、00X组态系统。JX-300X 系统硬件结构8DCS 系统硬件选型根据系统实际测点和控制情况，选择系统需要的硬件设备（机柜、机笼、卡件、操作站等） ，使硬件配置可以满足设计中的数据监控、画面浏览等要求，并为将来的系统扩展升级留有一定的余量。加热炉 I/O 点数检测区域 AI 点数 AO 点数 DI 点数 DO 点数热电偶 热电阻 420mA 420mA预热段上 11 3 3 42 26预热段下 11 3 3 58 42一加上 13 3 3 52 32一加下 13 3 3 72 52二加上 13 3 3 52 32二加下 13 3 3 72 52均热上 2 2 2 2 2均热中 2 2 2 2
12、2均热下 11 3 3 58 40公共部分 7 17 12 6 42 20汽化冷却部分 28 4 25 10组态设计根据前期设计和硬件选型的结论，用 JX-300X 系统组态软件包中的相关软件实现控制站、操作站等硬件设备在软件中的配置，操作画面设计，流程图绘制、控制方案编写，报表制作等等。一般的，组态设计按照以下的步骤进行：以系统整体构架为基础，进行总体信息的组态I/O 组态（I/O 设备、信号参数的设置）控制组态（控制方案的实现）操作组态（监控画面，如流程图等）对于一个项目的组态设计，主要是指利用 JX-300X DCS 系统组态软件包，在工程师站上完成的设计、配置工作，这样的组态设计基本上
13、是按照下面的步骤进行的：1. 整理硬件及 I/O 信息，分配测点2. 建立组态文件3. 主机设置4. 控制站 I/O 组态5. 控制方案组态6. 操作站组态7. 编译、修正9设备安装设备安装之前，需要确定的是指控制室的环境布置是否符合 DCS 工作要求，是否具备供电条件，接地系统是否完成，机柜、操作台等是否就位，电缆的铺设是否符合标准，现场仪表的就位是否正常。确认安装的准备工作就绪以后，可以进行设备接线、卡件安装等工作。调试在设备就位的基础上，可以进行组态的下载以及控制系统的调试和联调。这些工作的进行测试了系统的各设备的通讯是否畅通，硬件工作是否正常，现场设备能否按照配置正确的工作，控制方案是
14、否满足控制要求。3、步进式加热炉控制方案设计步进梁式加热炉主要性能参数炉子额定能力：90t/h有销炉底强度：500Kg/(m2*h)钢坯加热温度：10501080 摄氏度，最高 1150 摄氏度燃料： 高焦炉混合煤气设计发热值：7531KJ/m3煤气接点压力：8000pa炉膛控制温度：均热段 11001200 摄氏度， 加热段 11501250 摄氏度，预热段 700850 摄氏度，炉膛最高温度 1350 度 烧嘴数量： 均热段：共 28 个，加热段 34 个烧嘴型号： BMT-3.34 煤气调焰烧嘴炉膛控制压力： 020Pa空燃比： 1.24.5（随热值调整）控制系统具体方案设计加热炉燃烧控
15、制系统对加热炉控制来说，占有很重要的地位。它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理的进行燃烧，节约燃料，防止冒黑烟，减少有害气体对环境的污染，都有重要的意义。传统的加热炉炉温控制通常采用并行串级控制方法或双交叉限幅控制燃烧方法。并行串级控制方法比较简单、实用，而且负荷跟踪速度较快，但是在动态特性变化比较频繁的生产过程只能中，不能保持空气、燃料的较好跟随关系，难以实现最佳空燃配比。而双交叉限幅控制方法则能保证最佳空燃配比的实现，但同时也导致了整体上负荷跟踪速度的降低。炉温控制10采用具有快速补偿响应及抗积分饱和功能的双交叉限幅燃烧控制方法.加热炉各段炉温控制采用 PID 控制，过程值来自于
16、选定的热电偶的测量值。2 根热电偶检测的温度偏差回路实时监视偏差值，温度偏差高时将报警提示操作工。炉温控制器有自动、手动两种控制方式。当煤气/空气调节阀输出达到60%以上而煤气/空气的流量过程值低于 20%时，煤气/空气显示故障并停段。在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生。当负荷增加时，燃料系统所需的煤气流量和空气流量理论上同时上升，但由于空气流量通常滞后，燃烧空气过少，此时燃料不能得到充分燃烧，致使热效率降低，同时造成烟囱冒黑烟，污染环境。相反负荷减少时，燃烧空气过多，多余的空
17、气被加热后随废气一同带走，造成热效率降低，因此在燃烧控制中采用双交叉限幅控制。其结构是以出炉温度为一个主控回路，煤气流量和空气流量构成两个并联串级控制系统。其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器和空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。通过双交叉限幅，副回路控制器会在主回路的输出以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值，这样，煤气流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内，从而克服了传统的串级控制系统存在的不足。具有快速补偿响应功能的交叉限幅控制方法,双交叉限幅燃烧控制的响应速度受
18、燃料流量控制和空气流量控制,响应速度的制约取决于其应较慢一方,通常是空气流量.控制的响应速度在炉温设定值动态优化设定的燃烧系统中,这一问题显得尤为突出通常的解决方法,是当炉温设定值的变化率较大时,取消双交叉限幅功能代之以串级并行控制.本文采用的方法是在现有的双交叉限幅燃烧控制的基础上增加一快速响应功能,以改善空气流量控制系统的响应速度.这种控制方法主要思想是在正常状态下采用双交叉限幅燃烧控制方法,当负荷大幅度升降其变化超过响应速度,较快的燃料系统限制的能力时,燃料系统限制环节的输入输出之差,经动特性补偿方向性增益补偿和补偿量限制环节后,与空气系统限制环节的输出相加,此信号作为空气流量控制系统的设定值.实行强制性前馈作用以此来加快空气系统的响应速度,迅速解除对燃料系统的限制作用。
