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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计说明书焦炉加热控制系统设计摘 要焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇，全炉连续，受多种因素干扰的热工过程。其控制系统是典型的大惯性、非线性、时变的复杂系统，因此如何优化焦炉加热过程控制、降低炼焦能耗、确保焦炭均匀稳定成熟、延长焦炉使用寿命，仍然是炼焦业界重大难题。本文在深入进行焦炉加热燃烧过程工艺分析的基础上，根据控制系统的设计要求，提出了控制系统的总体结构。系统采用西门子S7-300 PLC对各类参数（温度、压力和流量等）实施在线检测，并采用MCGS组态平台完成工艺流程的实时监视和控制。由于立火道温度直接测量很困难，所以根据蓄热室顶部温度建立立火道温
2、度软测量模型，间接测量立火道温度。本控制系统满足了实际应用的需要，对提高焦炉生产率和焦炭质量 ,降低能耗及延长焦炉寿命 ,减少炼焦生产中的环境污染以及改善劳动条件具有重要的意义。可以为企业创造显著的经济效益和社会效益。关键词：焦炉，软测量，MCGS组态，PLC；Coke oven heating control system designAbstractThe heating process of coke oven which is a single chamber intermittently and a continuous furnace, is disturbed by many f
3、actors .Its control system is a typical of large inertia, nonlinear, and time-varying complex system. So how to optimize the process of coke oven heating control, reduce coke consumption to ensure the stability of coke evenly ripe and extend the service life of coke is still a major problem.This pas
4、sage is about coke oven heating in-depth analysis of combustion process on the basis of the control system in accordance with the requirements of a control system for the overall structure. System uses a Siemens S7-300 PLC implement online testing on various parameters (temperature, pressure and flo
5、w, etc.), and complete platform configuration which using MCGS process real-time monitoring and control. Because direct measurement on flue temperature is difficult, according to the temperature at the top of regenerator flue temperature it can establish legislation soft-sensor model to finish an in
6、direct measurement of flue temperature legislation. The control system meets the needs of practical applications, which improving the quality of coke oven coke productivity, reducing energy consumption and extending the life of coke oven, Whats more, it can reduce environmental pollution in coke pro
7、duction and improve the working conditions This is of great significance. It can create significant economic and social benefits.Key words: coke, soft measurement, MCGS configuration, PLC;目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景与目标11.2 焦炉加热控制系统的发展状况21.3 焦炉加热控制方案介绍31.4 焦炉加热控制系统设计思想4第二章 焦炉加热控制系统总体结构设计62.1 焦炉
8、加热燃烧工艺过程62.2 焦炉加热控制的难点分析82.3 控制系统总体结构及过程参数检测92.3.1 控制系统总体结构92.3.2 温度控制策略设计102.3.3 过程参数检测112.3.4 立火道实际温度检测方法的确定112.4 立火道温度软测量122.4.1 立火道温度软测量模型的建立132.4.2 蓄顶温度检测点设置16第三章 硬件系统设计203.1 PLC特点介绍及选型203.1.1 PLC特点介绍203.1.2 PLC选型203.2 上位机选取223.3 热电偶选型223.4 控制器243.4.1 温度控制器243.4.2 混煤压控制器和吸力控制器253.5 压力检测仪表、流量计、变
9、送器及执行器253.5.1压力检测仪表253.5.2流量计263.5.3变送器273.5.4执行器28第四章 软件系统设计294.1 上位机软件系统设计294.1.1 焦炉加热控制系统监控画面304.1.2 数据显示画面314.2 下位机系统主程序流程图334.3 混合煤气压力控制回路子程序流程图344.4 吸力控制回路子程序流程图35第五章 结束语36参考文献38附录A 焦炉加热控制系统监控画面40附录B PLC程序41致 谢47第一章 引 言焦炭是炼焦工业最重要的产品，大多数国家的焦炭90%以上用于高炉炼铁，炼铁高炉采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定了基础，是冶金史上的一个重大里程碑
10、；冶炼工业，少量用于制取碳化钙、二硫化碳、元素磷等。另外焦炭也可作为制备水煤气的原料制取合成用的原料气。为使高炉操作达到较好的技术经济指标，冶炼用焦炭（冶金焦）必须具有适当的化学性质和物理性质，包括冶炼过程中的热态性质。焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，其加热燃烧过程是一个多变量、 非线性、 分布参数、 快过程和慢过程交织在一起的复杂工业过程 ,具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素藕合、变参数的特点，焦炉火道温度稳定性直接关系到焦炭质量和炉体寿命。在炼焦厂的总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的70%。因此，实现焦炉加热燃烧过程控制，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环
11、境污染和改善劳动条件都具有非常重要的意义1。1.1 研究背景与目标 焦炉是冶金工业中重要的热工设备，其生产原理是将煤在隔绝空气的情况下进行高温干馏从而产生焦炭、煤气以及焦油等其他有机化学副产品。我国是世界上不折不扣的焦炭生产大国，也是世界上最大的焦炭出口国。焦炉生产出占整个钢铁联合企业70%的二次能源，但自身又是一个耗能大户。焦炉加热生产还极易给环境造成严重的污染，如果焦炉控制不好，焦炭加热不均匀，就会局部生焦造成出焦时冒黑烟，而且加热煤气燃烧不完全，也会产生大量黑烟;另外焦炉加热控制的好坏，对焦炭质量和炉体寿命都有重要直接影响，因此，需要根据生产条件与客观变化因素及时不断地对加热过程进行调节
12、，以达到加热制度合理、炉温均匀稳定，从而实现低能耗、优质高产、减少环境污染和延长炉体寿命的目的。炭化室煤料干馏过程是通过炉墙传热获取燃烧室的热量，因此，燃烧室温度的高低直接影响煤料炭化和焦饼的最终温度。也可以说，燃烧室温度实际上代表炼焦温度。从炼焦工艺过程出发，对此温度不但要求均匀性，而且要求稳定性，此温度被称为直行温度，它准确是指机、焦侧各燃烧室平均温度的控制值。直行温度代表了全炉温度情况，控制了直行温度，也即是控制了炼焦温度，保证了炼焦工艺过程对供热的需求。现在很多焦炉加热工艺过程没有进行实时监视，煤气流量及分烟道吸力均以人工调节为主，整个系统自动化程度低，其控制效果主要依赖于操作人员的实
13、际经验和个人预测能力。由于不同班次的测温工和调火工进行调节的时间和力度均不相同，可能造成火道温度较大波动，而超出允许的范围，造成焦炭质量下降和能源浪费，也影响焦炉的使用寿命。1.2 焦炉加热控制系统的发展状况50年代初，美国、前苏联等国家就已经对焦炉的操作和控制进行了研究，但由于当时的科技水平低，焦炉的工艺和设备又很复杂，故进展不大。到了70年代，随着计算机技术和自动控制理论的发展，使焦炉的计算机控制成为可能。自从1973年日本钢管公司在福山钢铁厂5#焦炉上首次成功地开发应用了焦炉燃烧控制系统以来，世界上许多钢铁公司已先后开发了10多种焦炉加热自动控制系统，相继出现了ACCS、CARPO、CO
14、HC等各具特色的系统。工业发达的国家投入大量的人力、财力和物力用于焦炉计算机控制系统的研究、开发和应用，取得了明显的经济效益。相比而言，我们国家这方面还存在不小的差距。到了80年代，我国很多焦化厂也开展了研究工作，均取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内的焦炉控制水平较低，还需进一步的研究和开发。自90年代末期以来由于国内经济的快速发展以及我国焦炭产量的大幅增加，由焦炭大国向焦炭强国转变的欲望和要求，广大的焦化工作者根据国内焦炉结构和生产特点积极开发计算机加热自动控制系统，所以国内研究快速发展。无论控制系统还是控制数学模型均充分考虑结焦特点和先进的控制策略，取得较为成熟的运行经验。近
15、年来随着模糊控制、专家系统、神经网络及预测控制等人工智能技术的广泛应用，也为焦炉计算机控制开辟了新的领域。人工智能控制技术与传统控制方法相结合，取得了较好的控制效果2,5.1.3 焦炉加热控制方案介绍传统的控制策略特点:根据实测火道温度、结焦终了时间或焦炭温度与目标火道温度、 目标结焦终了时间或目标焦饼温度的偏差,并考虑炉温的滞后因素来调整炉组加热煤气流量的设定值,以实现炉组加热的最佳控制。反馈控制系统的优点是不需要对焦化机理有较深入的研究,不需要建立过程精确的数学模型,不需考虑各种参数的影响,利用被控量的偏差进行控制,就能使炉温达到标准要求。但需要事先确定一个初始供热量或加热煤气流量的经验值,实施时不断调整。缺点是对过程反馈信号的实时性要求严格,不能及时克服干扰,滞后现象严重因为反馈控制在干扰发生后才起作用,且容易产生超调现象。需要采用大量的热电偶进行温度检测这样会造成系统建设和维护费用的大量投入。目前,一般钢铁企业焦炉加热系统在焦炉加热能量稳定、 富裕的情况下能很好地优化焦炉加热控制。可以在焦炉加热智能控制系统采用线性回归、 神经网络等软测量方法 ,建立了立火道温度软测量模型 ,并采用模糊专家控制进行焦炉燃烧加热过程优化控制系统。焦炉燃烧加热控制是以西门子 WinCC 控制系统为平台 ,通过 OPC通讯实现优化控制和 WinCC 控制平
