1、1过程控制课程设计报告(步进式加热炉)姓名:王敏 班级:仪 1042学号:101844081专业:测控技术与仪器日期:2014-1-62目录 一、设计目标二、主要工作内容及要求三、步进式加热炉工艺流程及控制简介四、PLC 系统硬件选型与系统连接五、煤气/空气流量控制、加热炉的炉温控制、炉压控制技术方案5.1 煤气/空气流量控制系统设计5.2 炉温的控制系统设计5.3 炉膛压力的控制系统设计六、步进式加热炉控制系统的软件设计6.1 软件系统介绍6.2 步进式加热炉控制系统的监控显示画面6.3 系统流程图七、附录附录 A 附录 B八、设计总结3一、设计目标 以钢铁企业常见的“步进梁式加热炉”为对象
2、，采用 PLC 为控制系统硬件，围绕工艺要求，完成控制系统方案设计。 二、主要工作内容及要求（1）通过查阅文献，了解步进式加热炉工艺流程。（2）了解对步进式加热炉的炉温控制、煤气/空气流量控制、炉压控制等功能，完成控制方案设计。（3）了解常见的 PLC 系统的功能、系统软件及应用，完成加热炉自动控制系统架构设计、硬件选择设计及组态画面设计。三、加热炉工艺流程及控制简介 （1）步进梁式炉为两面供热步进式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坏的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坏或带钢轧前加热。在钢铁企业中，轧钢系统的各种加热炉是能源消耗大户，如
3、何在满足轧机对钢坯温度性能要求的情况下，最大限度地提高加热炉的热效率，降低能源消耗，这是当前加热炉专业及加热炉控制专业的一个共同课题。国内某钢铁公司的步进式加热炉主要用来给碳素结构钢加热，炉子全长 56740mm，有效炉长为 50000mm，炉宽 12600mm，最大产量 400t/h(最长板坯、冷装料)，步进梁的步距为 200/500mm，步进周期为 45s。燃料为混合煤气，板坯加热温度可达 1250。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
4、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。关于加热工艺，炉子被划分成“区” 。这些区如下：1 个换热区； 7 个顶部区：顶部区（区 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13） ；7 个底部区：底部区（区 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14） 概观如图 1。4图一图 1回热式热交换器和空气温度如图 2图 2底部区如图 3图 3 5钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。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
5、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，由出料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。（2）加热炉控制系统结构加热炉自动化控制系
6、统分为现场设备(L0)、基础自动化系统 (L1)、过程控制计算机系统(L2)三部分，如图 4图 4（3）加热炉燃烧控制系统由许多模块组成，实现了钢坯加热过程中有关参数测控和管理的集中化。整个燃烧控制系统分为以下模块：炉温选择控制、煤气/空气燃烧控制、炉压控制等。6四、 PLC 系统硬件选型与系统连接4.1 控制器的选择控制器是常规仪表控制系统中的核心环节。担负着整个控制系统的“指挥”工作，正确地选用控制器，可以大大改善和提高整个过程控制系统的控制品质。该控制系统包含流量、温度和压力三种控制器，所以必须根据实际的工艺要求选择合适的控制器。4.1.1 控制规律的选择控制器主要有三种控制规律：比例控
7、制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。比例控制规律（P ）的特点是：控制器的输出信号与输入信号(偏差)成比例，即阀门的开度变化与偏差变化有对应关系。它能较快地克服扰动的影响，过渡过程时间短。但是，纯比例控制器在过渡过程结束后仍然存在余差，而且负荷变化越大，余差也越大。只具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。比例控制规律是最基本的控制规律，它既可以单独采用，又可以与其他控制规律结合在一起用，具有结构简单，整定方便的优点。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量允许在一定范围内有余差的场合。例如，一般的精馏塔塔底液面、贮槽液面、
8、冷凝器液面和次要的蒸汽压力控制系统，均可采用比例控制器。比例积分控制规律(PI)的特点是：控制器的输出不仅与偏差的大小成比例，而且与偏差存在一定的函数关系。具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。例如，流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器。比例积分微分控制规律(PID)的特点是：在增加了微分作用后，控制器的7输出不仅与偏差的大小和存在的时间有关，而且还与偏差的变化速度成比例，这就可以对系统小的容量滞后起到超前补偿作用，并且对积分
9、作用造成的系统不稳定性也有所改善。把具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为 PID 控制器，又称三作用控制器，比例积分微分控制规律综合了多种控制规律的优点，是一种比较理想的控制规律。适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。目前用较多的是温度控制系统。根据工艺的要求和控制规律的特点，从串级控制系统的结构看,主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。温度是主变量，为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用，它的控制通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高，在这种情况下，为保证主变量的控制精度，故温度控制器应选用比例积分微分控制规律(PID)。然而
10、副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速、精确地跟随主控制器的输出而变化，副控器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢，当选流量作为副参数时，为保稳定，P 较大，可引入积分，即采用 PI，以增强控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度地变化，这对控制也是不利的。只有当副对象容量滞后较大时，可适当加一点微分作用。所以在串级控制系统中的流量控制器即副控制器需要采用比例积分控制规律（PI） 。在比值控制系统中流量的控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差，所以流量控制器应选用比
11、例积分控制规律(PI)。在炉膛压力单回路控制系统中压力调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量只要控制在微正压即可，允许它在一定范围内有余差，所以压力控制器应选用比例控制规律（P） 。4.1.2 控制器的正反作用选择工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式。当控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时，控制器工作于正作用方式；当控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控制器工作于反作用方式。控制器设置正、反作用的目的是为了适应不同被控对象，实现闭环负反馈控制的需要。因为在8一个控制系统中，除了控制器外，其它各个环节(被控对象、测量变送据、执行器)都有各自的作用方向。如果各
12、环节组合不当，使系统总的作用方向构成了正反馈，则控制系统不仅起不到控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。又因为被控对象、测量变送器和执行器的作用方向是不能随意选定的，所以，要想使控制系统具有闭环负反馈特征，只有通过正确地选择控制器的正、反作用来实现。假设对控制系统中的各环节作如下规定：1控制器工作于正作用方式为“” ，工作于反作用方式为“十” ；2执行器的阀门开度随控制器输出信号的增加而增大(气开式)为“十” ；随控制器输出信号的增加而减小(气关式)为“一” ；3被控变量随操纵变量的增加而增加为“十” ，随操纵变量的增加而减小为“一” ；4测量变送器放大倍数的符号肯定为 “十” 。判别准则：只要
13、控制系统中各环节规定符号的乘积为正，则该系统是一负反馈系统。即负反馈系统要满足判别式：(控制器)*(执行器)*(被控对象)*(变送器)(十) 。 串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。考虑问题的出发点仍与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“正” 。因此，只要知道了控制阀、副对象和副变送器的放大倍数符号，就可以很容易地确定副控制器的正、反作用，副控制器正、反作用确定之后，就可以确定主控制器的正、反作用。主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来
14、确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。对于副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。因为副回路是一随动系统，对它的要求是：副变量要能快捷地跟踪给定值(即主控制器输出)的变化而变化。因此，整个副回路可视为一放大倍数为“正”的环节看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“正”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。实际上，主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副9回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此，主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“反”作用；反之，当主对
15、象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选“正”作用。根据以上判别准则，可以方便地确定温度控制器、流量控制器和压力控制器均为反作用控制器。4.2 PLC 选型PLC(Programmable Logic Controller)是可编程序控制器的英文缩写, 它是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器,是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制, 比如,将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器作为输入信号, 输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器, 在其内部存储, 执行逻辑运算, 顺序控制、定时计数和
16、算术运算等操作的指令, 通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化 6。PLC及其有关的外围设备都应该以易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。它的主要功能有： 在线数据采集和输出； 控制功能，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；数据处理功能，既能进行基本数学、逻辑运算，还可通过编程实现复杂的控制算法；输入/输出信号调制功能； 通信、联网功能，可进行远程控制、多台 PLC间联网通信、外部器件与PLC 的信号处理单元之间实现程序和数据交换等；支持人机界面功能； 编程、调试等。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动
17、作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过电气控制系统来实现的。PLC的特点是： 可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；体积小、质量轻、功耗低。 104.2.1 S7-300简介S7-300 是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。S7-300 系 列 出 色 表 现 在 以 下 几
18、个 方 面 ： 极 高 的 可 靠 性 、 极 丰 富 的 指 令集 、 易 于 掌 握 、 便 捷 的 操 作 、 丰 富 的 内 置 集 成 功 能 、 实 时 特 性 、 强 劲 的 通讯 能 力 、 丰 富 的 扩 展 模 块 。S7-300 包括集成的 24V 电源、高速脉冲输出、通信口、模拟电位器、EEPROM 存储器模块、电池模块、高速计数器以及 CPU 模块等。该系统中配置了模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、高速计数模块、监控模块, 所有输入/输出模块，全部采用光电隔离, 大大提高了系统抗干扰能力。S7-300 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖
19、从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。4.2.2 S7-300 的模块选择本设计选用西门子公司 S7-300 系列 PLC 中的过程控制器 CPU 224 作为整个加热炉控制系统的核心。本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。I/O 端子排可以很容易地整体拆卸。13K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。CPU 224 具有 1 个 RS-485 通信口，支持 PPI、MPI 通信协议，有自由口通信能力。若采用 24V DC 电源，则 24V DC 输入，24V DC 输出；若采用 100230V AC电源，则 24V DC 输入，继电器输出。它是具有较强控制能力的控制器，该产品具有标准化程度高、可靠性高、操作性强、可维护性好、可扩展性好等特点。
