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1、内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题目：高炉热风炉冷风压力控制系统设计学生姓名： XXX 学号： XXXXXXXXXXX 专业： XXXX 班级： 2009-1 指导教师： XXX 目录前言,1 1 工艺过程概述 ,2 1.1高炉炼铁送风系统 ,2 1.2 高炉热风炉基本结构 ,2 1.3 高炉热风炉工艺过程 ,2 1.4 热风炉的送风操作 ,3 1.4.1单炉送风 ,3 1.4.2并联送风 ,3 1.4.3半并联交叉送风 ,3 1.5 热风炉冷风阀 ,4 2 高炉热风炉冷风压力控制系统设计,5 2.1 系统控制参数确定 ,5 2.1.1被控参数选择 ,5 2.1.2控制参数选择 ,5
2、2.2 控制方案选择 ,5 2.3 热风炉冷风压力 PID控制,5 2.3.1 PID控制原理 ,5 2.3.2 PID控制特点 ,6 2.4 热风炉冷风压力单回路控制系统,7 3 仪器仪表选择 ,8 3.1传感器选择 ,8 3.2变送器选择 ,8 3.3调节器选择 ,9 3.4执行器选择 ,9 4 结束语,11 参考文献 ,12 前言高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃
3、烧。燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉排出。上升的煤气流由于将能量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。高炉一经开炉就必须连续地进行生产。高炉炼铁拥有五大系统：送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统、煤气系统、上料系统。本次设计是基于过程控制进行的关于送风系统中的热风炉冷风压力控制系统设计，由 XXX老师进行指导。1 工艺过程概述1.1 高炉炼铁送风系统风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行
4、程的运动因素。高炉送风系统是由风机、冷风管道、热风炉、热风管道及相关的各种阀门和烟囱、烟道等所组成。1.2 高炉热风炉基本结构热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。现代大高炉目前最常用的是蓄热式格子砖热风炉，蓄热式热风炉按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种。其工作原理是先燃烧煤气，用产生的烟气加热蓄热室的格子砖，再将冷风通过炽热的格子砖进行加热，然后将热风炉轮流交替地进行燃烧和送风，使高炉连续获得高温热风。蓄热式热风炉有烧炉、送风两种主要操作模式：将高炉煤气燃烧对蓄热室的格子砖进行加热，即为“烧炉”操作模式，用蓄热室格子砖对冷风进行加热并送风到高炉，即为“送
5、风”操作模式。高炉热风炉现有3 种，如下图1（a）内燃式热风炉（b）外燃式热风炉（ c）卡卢金顶燃式热风炉。（ a）内燃式热风炉（ b）外燃式热风炉（ c）卡卢金顶燃式热风炉图 1 热风炉种类1.3 高炉热风炉工艺过程高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带3 至 4 台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧- 休止- 送风-休止-燃烧的顺序循环生产，当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃
6、烧，蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。1.4 热风炉的送风操作1.4.1 单炉送风单炉送风是在热风炉组中只有一座热风炉处于送风状态的操作制度，热风炉出口温度随送风时间的延续和蓄热室贮存热量的减少而逐渐降低。为了得到规定的热风温度并使之基本稳定，一般都通过混风调节阀来调节混入的冷风流量。单炉送风方式一般是在某个热风炉进行检修或高炉不需要很高的风温的情况下进行的送风方式。1.4.2 并联送风并联送风操作是热风炉组中经常有两座热风炉同时送风的操作制度。交叉并联送风操作是两座热风炉，其送风时间错开半个周期。对于4 座热风炉的高炉来说，各个热风炉的内部状态均错开整个周期的l4。热风炉从
7、单炉送风向交叉并联送风操作制度过渡时，热风炉的燃烧时间相对缩短，热风炉的燃烧率提高，两座热风炉同时重叠送风的时间延长。交叉并联送风操作时，在两座送风的热风炉中，其中一座“后行炉”处于热量充分的送风前半期；另一座“先行炉”处于热量不足的送风后半期。前半期称为高温送风期，此时热风炉送出高于热风主管内温度的热风。后半期称为低温送风期，此时热风炉送出低于热风主管内温度的热风。交叉并联送风又分为冷并联送风和热并联送风，两种送风操作制度的区别在于热风温度的控制方式不同。冷并联送风时的热风温度主要依靠“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管内混合，由于混合后的温度仍高于规定的热风温度，需要通过混
8、风阀混入少量的冷风，才能达到规定的风温。冷并联送风操作的特点是：送风热风炉的冷风调节阀始终保持全开状态，不必调节通过热风炉的风量。风温主要依靠混风调节阀调节混入的冷风量来控制。热并联送风操作时，热风温度的控制主要是依靠各送风炉的冷风调节阀调节进入“先行炉”和“后行炉”的风量，使“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管中混合后的热风温度符合规定的风温。1.4.3 半并联交叉送风在三座热风炉组中，若采用交叉并联送风，送风时间长，没有足够的燃烧时间，因此可采用半并联交叉送风方式，通过改变主送风热风炉的冷风量来使高炉获得稳定的风温。1.5 热风炉冷风阀它是冷风进入热风炉的闸门，安装在冷风支
9、管上，在燃烧期时关闭，在送风期打开。冷风阀结构如图2 所示。在大闸板上带有均压用小阀，这是由于烧好的热风炉，关闭烟道阀前后，炉内处于烟道负压相同的水平，冷风支管上的压力是鼓风压力，闸板上下压差很大，直接打开闸板是不行的，故主体阀上有一个小均压阀孔，易于打开，使冷风先从小孔中灌入，待闸板两侧压力均等后，主阀就很容易打开了。图 2 冷风阀l 一阀盖； 2一阀壳； 3 一小齿轮； 4 一齿条； 5 一主闸板；6一小通风闸板；7 一差动减速器；8 一电动机2 高炉热风炉冷风压力控制系统设计2.1 系统控制参数确定2.1.1 被控参数选择单回路控制系统的被控参数选择一般遵循以下原则：选择对产品的产量和质
10、量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。被控参数必须具有足够高的灵敏度。被控参数的选取还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。根据以上原则和热风炉的工艺过程，本系统中选择冷风管道压力F(t) 作为被控参数。2.1.2 控制参数的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量
11、作为控制参数。 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便于控制。 在的基础上选择对被控变量作用效果较快的输入变量作为控制参数。使控制系统响应较快。根据以上原则，选择冷风管道的空气流量M(t) 作为控制参数。2.2 控制方案选择本加热风炉冷风压力控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程中，当冷风管出口压力受干扰影响改变时，压力检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器阀门开度，不断重复以上过程，直至冷风管出口压力接近给定
12、，处于误差允许范围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。2.3 热风炉冷风压力 PID 控制2.3.1 PID控制原理（1） 、比例（ P）控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。（2） 、积分（ I）控制 ：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“ 积分项 ” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项
13、也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3） 、微分（ D）控制 ：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率） 成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “ 比例” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而
14、目前需要增加的是 “ 微分项 ” ， 它能预测误差变化的趋势， 这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.3.2 PID 控制特点（1）比例（ P）控制对当前时刻的偏差信号e(t)进行放大或衰减后作为控制信号输出。 比例系数 Kp越大，控制作用越强，系统的动态特性也越好，动态性能主要表现为起动快，对阶跃设定跟随得快。但对于有惯性的系统，Kp 过大时会出现较大的超调，甚至引起系统振荡，影响系统稳定性。比例控制虽然能减小偏差，却不能消除静态偏差。（2）积分（ I）控制积分控制的作用是累积系统从零时刻（系统启动时刻） 起到当前的偏差信号e(t)的历史过程。积分控制的输出与偏差e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间，积分控制将能够消除静态偏差。积分控制不能及时地克服扰动的影响（3）微分（ D）控制微分控制的作用是由偏差信号e(t)的当前变化率 de/d
