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过程控制课程设计1
内蒙古科技大学
过程控制课程设计说明书
题目:
步进加热炉温度控制系统设计
学生姓名:
学号:
专业:
测控技术与仪器
班级:
2012-1
指导教师:
2015年9月8日
目录
第一章绪论1
1.1步进式加热炉的背景及意义1
1.2步进式加热炉结构1
1.3步进式加热炉工艺流程2
第二章控制方案总体设计3
2.1炉膛温度控制系统3
第三章步进式加热炉过程控制方案设计4
3.1炉膛温度控制系统设计4
3.1.1炉膛温度控制系统的选择4
3.1.2主、副被控参数的选取5
3.1.3主、副回路调节器调节规律的选择6
3.1.4主、副调节器正、反作用的选择6
3.1.5控制系统的工作原理7
3.1.6温度传感器选型8
3.1.7控制器选型8
3.1.8流量计选型9
3.1.9执行器的选择10
第四章总结10
参考文献
第一章绪论
1.1步进式加热炉的背景及意义
近年来,我国工业发展迅速,制造行业的进步更是一日千里,在这样的大环境下,各行各业,如汽车、轮船、铁路、建筑、机械设备制造等对钢材的需求不断增大,为了满足这巨大的市场需求,不断有新的钢铁生产线被建设出来,而在整个钢材的生产加工的过程中,加热炉扮演着一个重要且不可缺少的角色,它的作用是对冷热钢坯进行加热,以便后面的轧钢得以顺利的进行,而待轧钢坯的温度和温度的均匀与否对轧钢的质量有着重要的影响。
加热炉是整个钢材的生产加工中的重要一环,同时,也是能耗比较多的一环,一个性能优良的加热炉控制系统不仅对钢材的质量有着重要的影响,同时也能节约大量能源,提高能源的利用率,减少环境的污染,为社会和谐发展作出贡献。
在现实的生产过程中,一个性能优良的加热炉控制系统具有很多实际意义:
(1)提高生产率,增加效益
(2)安全生产得以实现
(3)节能减排,保护环境
(4)对新技术发展和应用有促进作用
1.2步进式加热炉结构
轧钢工业的加热炉型一般有推钢式炉和步进式炉两种,但推钢式炉有长度短、产量低、烧损大,操作不当时会粘钢造成生产上的问题,钢坯断面温差较大,钢坯背面滑轨擦痕多,难以实现管理自动化。
由于推钢式炉有难以克服的缺点,而步进梁式炉是靠专用的步进机构,在炉内做矩形运动来移送钢坯,钢坯之间可以留出空隙,钢坯和步进梁之间没有摩擦,出炉钢坯通过托出装置出炉,完全消除了滑轨擦痕,又有适合加热断面较大的坯料,钢坯加热断面温差小、加热均匀以及可出空炉料,炉长不受限制,产量高、生产操作灵活等特点,其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求川。
为了对钢坯实现有效的加热,步进式加热炉沿炉长方向分为:
预热段、加热段和均热段,如图1.1所示。
有的步进式加热炉加热段分为一加热段和二加热段。
预热段长度较长,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,加热段是加热炉中最重要的段,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。
三段的温度互相祸合,互相影响。
图1.1 三段步进式加热炉结构简图
步进式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,为了保证燃烧的高效进行,一般采用双交叉限幅燃烧控制系统和带动态补偿的炉膛压力控制系统,同时对炉膛温度和炉膛压力进行控制。
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。
1.3步进式加热炉工艺流程
在坯料进入到加热炉后,它首先要经过预热段进行缓慢的升温,预热段温度控制在850-950℃,然后再进入加热段进行强化加热使钢坯的平均温度达到轧制温度,加热段温度在1250℃左右,最后钢坯进入到均热段进行均热,使钢坯内外温度趋于一致,均热段温度在1250-1300℃左右。
烧嘴分布在加热段、均热段的侧面炉墙的上下部,钢坯加热的生产过程如下:
加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊道之间,步进梁上升,将钢坯抬起一定高度,前进一段距离后停止,下降将钢坯放到固定梁上,步进梁继续下降脱离钢坯,到位后再后退回到下一原位,然后重复上述动作,如此循环往复,使得钢坯步进式前进,循环经过加热炉的各段,最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上,然后由该组辊道将其运送出炉,经过高压水除鳞处理后传送到轧机进行轧制 。
工艺过程如图1.2所示:
图1.2 工艺过程
第二章控制方案总体设计
2.1炉膛温度控制系统
步进式炉膛温度控制采用双交叉限幅燃烧控制系统。
双交叉限幅燃烧控制系统构成的基础是炉温与燃料流量和空气流量构成并列串级控制系统,然后在空气流量调节回路和燃料流量调节回路中各自有一个高值选择器和低值选择器及一些运算单元。
双交叉限幅控制见图1.3。
图1.3双交叉限幅燃烧控制系统
第三章步进式加热炉过程控制方案设计
3.1炉膛温度控制系统设计
3.1.1炉膛温度控制系统的选择
炉膛温度的控制有很多种其中包括单回路控制、串级控制、串级单交叉限幅控制、串级双交叉限幅控制、带氧量串级双交叉限幅控制。
对于单回路控制,系统简单、控制精度低对于钢铁厂这样复杂的环境,干扰因素比较的多,往往控制达不到预期的要求。
对于串级控制,虽然与单回路控制系统相比具有一定的优越性,但也存在一些问题,在生产实际中加热炉中进入的空气量与煤气量并不是恒定不变的,而是变化的,然而根据燃烧的化学公式要使燃烧热值达到最大,资源利用最大,就需要使空气量和煤气量成一定的比例,但该系统不能实现此要求。
单交叉限幅控制可以保证在动态过程中,空气量比燃料量富裕,不会产生冒黑烟现象,但由于对空气量的上限没有限制,使排烟热损失较大,钢坯的氧化烧损严重。
双交叉限幅控制是以炉温调节回路为主环,燃料流量和空气流量调节为副环,构成串级并联双交叉限幅控制系统。
双交叉限幅控制系统在负荷变化时,系统各参数变化,根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅,而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅。
在负荷增加或减小时,燃料流量和空气流量相互限制交替增加或减小,即使在动态情况下,系统也能保持良好的空燃比。
双交叉算法在动态调节时能够获得合理的空燃比,但响应速度慢。
改进型双交叉(偏差比例型)控制算法是双交叉系统在空燃比特性与响应速度上的折中处理。
交叉限幅控制的特点是采用一个最大选择器和一个最小选择器,其目的是保证当炉温低于设定值,需要增加燃料流量时空气先行;而当炉温高于设定值,需要减少燃料流量时燃料先行,以防止冒黑烟。
该方法己经广泛应用于工业燃烧控制中,它能在动态过程中保证空燃比在规定范围内,从而使燃烧过程最佳,节约能量,减少环境污染。
对于带氧量串级双交叉限幅控制,残氧检测方法被用来参与闭环控制,然而用于测量烟气中含氧量的氧化错探头进口的产品价格太贵,国产的使用寿命太短,因此,该控制方法的应用在一定程度上受到了制约。
目前,在上述众多炉温控制方式中,双交叉限幅控制策略是加热炉燃烧控制中应用最多亦是比较成熟的控制理论,这种控制算法对工艺过程比较稳定、温度设定值“不变”的控制过程可获得很好的控制效果,因此步进式炉膛温度控制采用双交叉限幅燃烧控制,如图1.4为串级双交叉限幅控制系统的炉膛串级温度控制系统。
图1.4 炉膛温度控制系统框图
3.1.2主、副被控参数的选取
由图1.4可知本系统主要是控制炉膛温度,所以选取炉膛温度为主被控参数,而影响炉温的主要干扰是煤气和空气的流量比,所以选取副被控参数为煤气和空气流量比。
3.1.3主、副回路调节器调节规律的选择
(1)主回路(定值控制)
在串级系统中主被控参数是生产工艺的主要操作指标,它直接关系到产品的质量或生产安全,艺上要求比较严格。
一般不允许有静差。
因此,主调节器通常都选用PI调节规律。
但该主回路控制参数为温度控制通道容量滞后大,因此选择PID调节规律。
(2)副回路(随动控制)
串级控制系统设置副被控参数的目的在于保证和提高主被控参数的控制质量,因而允许它一定范围内变化,并允许有静差。
在干扰作用下,为了维持主被控参数的不变,副被控参数就要变化。
因此,一般情况下,副调节器只选择P调节规律即可。
但是,当副回路流量为副被控参数时,由于比例调节规律对噪声较敏感,为了保持系统的稳定,比例度必须选得较大,这样,比例控制作用偏弱,为此引入积分作用,采用PI调节规律。
3.1.4主、副调节器正、反作用的选择
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。
串级控制系统有两个回路,主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。
(1)副调节器正、反作用的方式选择
根据生产工艺安全和节约能源的原则,防止炉膛温度过高影响产品质量以及煤气的浪费,调节阀采用气开式,故为正
为正,当调节阀开度增大,流量增大,所以副对象
为正,流量变送器的
通常为正,为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正,故副调节器的
为正,选用反作用控制器。
(2)主调节器正、反作用的方式选择
副回路为正,变送器正,当调节阀开度增大,温度升高,故
为正,同样为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正,所以主控制器的
为正,选用反作用调节器。
3.1.5控制系统的工作原理
加热炉双交叉限幅控制系统由八个运算单元组成,即高值选择器HS1、HS2,低值选择器LS1、LS2,正向偏置单元K1、K4,负向偏置单元-K2、-K3,原理图如下:
图1.5双交叉限幅控制原理图
经流量检测得到的空气流量值F2与负向偏置单元-K3计算出燃料流量下限值B1,与正向偏置单元K1计算出燃料流量上限值Cl;经流量检测得到的燃料流量值Fl与负向偏置单元-K2计算出空气流量下限值C2,与正向偏置单元K4计算出空气流量上限值B2。
稳态运行时B1≤A≤C1,且C2≤A≤B2,实际燃料流量和空气流量均由A值直接给出。
当负荷急剧下降时。
A值也跟着下降,A值与B1值在高值选择器HS1比较后,取大信号B1,然后B1与信号C1在低值选择器LS1较后,取小信号B1作为燃料流量设定值,即燃料量取下限值,同时A值与信号B2在低值选择器LS2比较后选择其中的小信号A,然后A与C2在高值选择器HS2比较后,取大信号C2作为空气流量设定值,从而限制了负荷急剧下降时剩余空气系数的上限值,做到在负荷急剧下降时,燃料量先减小,空气量随之减小。
同理,当负荷剧烈上升时,空气流量先增加,燃料量最值增加并限制了燃量流量增加的上限值。
双交叉限幅控制能够在动态过程中始终保持空燃比在最佳范围内,无论负荷如何变化,剩余空气系数总能控制在确定的范围内。
3.1.6温度传感器选型
由于所在工艺上步进式加热炉加热段温度大致要求控制在1250℃左右,而S型热电偶的测量范围为0-1600℃,精度等级1、2级满足工业生产,S型热电偶在正常长期使用温度为800-1300℃左右时测量的精度最高,能够满足所需要求,所以选WRP130型铂铑热电偶,如图1.6。
图1.6S型热电偶
3.1.7控制器选型
针对本设计,经过网上查阅资料选择taisee牌PID数显温度控制器温控器,如图1.7所示。
图1.7PID数显温度控制器
主要技术指标:
测量对象
温度
温度范围
-199.9~1900(℃)
测温误差
0.01(℃)
开孔尺寸
68*68(mm)
安装型式
孔位安装
输出信号
4~20(mA)
工作电压
AC85~265(V)
外形尺寸
72*72(mm)
重量
05(Kg)
输出模式(可选购)
RELAY/SSR/4~20mA/1~5V/0~10V/三线式比例阀门
3.1.8流量计选型
根据工艺要求选择电磁流量计HQ970-DN65作为流量计的选型。
原因电磁流量计具有以下特点:
1) 测量不受流体密度、粘度、温度、压力和导电率变化的影响。
2) 测量管内无阻流部件,无压损,直管段要求低。
对浆液测量有独特的适应性。
3) 合理选用电极和衬里材料,即具有良好的耐腐蚀性和耐磨损性。
4) 全数字量数量,抗干扰能力强,测量可靠,精度高,流量测量范围可达150:
1
5) 超低EMI开关电源,适用电源电压变化范围大,抗EMI性能好。
6) 采用16位嵌入式微处理器,运算速度快,精度高,可编程频率低频矩形波砺磁,提高了流量测量的稳定性,功耗低。
7) 采用SMD器件和表面贴装(SMT)技术,电路可靠性高。
8) 管道内无可动部件,无阻流部件,测量中几乎没有附加压力损失。
9) 在现场可根据用户实际需要在线修改量程。
10) 测量结果与流速分布,流体压力,温度、密度、粘度等物理参数无关。
11) 高清晰度背光LCD显示,全中文菜单操作,使用方便,操作简单,易学易懂。
3.1.9执行器的选择
本设计主要采用三通快装气动球阀T型L型不锈钢304AT气动执行器,为了安全考虑,采用气开式。
气动执行机构又分为薄膜式和活塞式,它们都是以压缩空气为能源,具有控制性好、结构简单、动作可靠、维修方便、防火防爆和价廉等优点,并可以方便地与气动仪表配套使用。
第四章总结
经过一周的过程控制的设计收获了许多,发现了实际中与我们做书后的过程控制设计习题是两个概念,实际中设计的是需要真正解决实际问题的,而习题不一样,虽然将题目解出来但是否符合实际还有待商榷。
一个星期的设计,时间不是很长,但也不是很短,经过课程设计,不仅对过程控制系统有了更进一步的了解,还学会了课程上学不到的知识,例如word的使用、图像的编辑、截图工具的使用,更加体会到那些硕士、博士研究问题和解决问题的严谨作风。
本次过程控制系统的设计,虽题目是设计,但真正不过是学习借鉴别人的成果,通过自己的体会和理解设计的系统,暂且称为设计吧!
针对本次设计的系统,还存在着一些的不足,当系统处于耦合状态下时,由温度调节器的负荷变动指令被旁路,由于耦合系统闭环的性质,空气和燃料流量变化极慢,这一缺点严重影响到温度调节器的整定,当负荷变化指令变动频繁时温度控制效果也不会好。
这一点有待改进与完善。
而加热炉也存在着问题。
例如:
1.加热产量与质量的矛盾:
提高加热炉的产量,就必须提高加热炉的温度水平,随着温度的提高,很多质量问题就会随之而生,例如氧化烧损,过热变形等。
2.加热产量与高效率之间的矛盾:
提高加热炉的温度水平,必然要增大热负荷,增加热损失,降低加热炉的加热效率。
3加热产量与低污染之间的矛盾:
提高加热炉的温度水平。
增加燃料的供应量,必然导致燃烧系统的过负荷运行,产生燃烧不完全,有毒气体排放增加的问题。
总之,通过此次学习,加深了我们对专业知识的学习,更重要的是锻炼了我们的能力,为我们以后的发展打下了一定的基础。
参考文献
[1]李文涛.过程控制[M].北京,科学出版社,2012
[2]周沛.步进式加热炉控制系统的研究[D].重庆,重庆大学,2008
[3]钱中山.步进式加热炉控制系统的研究与应用[D].沈阳,东北大学,2011
[4]石勇.步进式加热炉自动控制系统设计及研究[D].沈阳,东北大学,2005
[5]高琦.加热炉控制系统设计及其炉温控制方法的研究[D].沈阳,东北大学,2009
[6]解兵.步进式加热炉控制系统设计[D].青岛,青岛理工大学,2014
[7]肖扬.步进式加热炉炉温控制系统设计[D].哈尔滨,哈尔滨工业大学,2014
[8]乔坤.步进式钢坯加热炉的炉温炉压控制系统设计[D].包头,内蒙古科技大学,2012
[9]杨福宇.现有双交叉限幅系统的缺点[J].冶金自动化,1989,13
(1):
13-17
[10]王腊梅.步进式加热炉温度控制系统设计及实现[J],2009,32
(2):
24-26
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