过程控制系统设计

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1、摘要加热炉在工业生产中是非常重要的换热设备，在炉膛内将燃料燃烧释放的热量通 过热辐射方式传递给被加热的工艺介质。加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最 终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来 非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、 炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满 足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经 济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料 充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。为保证工艺介质

2、最终温度稳定的同时，达到节能减排的目的，本文设计的加热炉 控制系统包括如下控制回路：燃料量和空气量交叉限制式串级燃烧自动系统、炉膛压 力自动控制，热风温度自动控制系统，燃料、空气流量比例自动控制。另外，为了最 大程度地节约能源，在具有下游换热器的加热炉装置中，下游换热器只在工艺介质最 终温度异常升高时工作，在平稳生产时不起作用。关键词：温度、加热炉、控制系统。目录摘 要 1第一章 绪论 31.1 引言 31.2 国内外控制系统状况 3第二章 控制系统设计 52.1 生产工艺及加热炉简介 52.2 控制系统的设计思想和总体方案 72.2.1 控制系统的设计思想 72.2.2 控制系统的设计方案

3、72.3 控制回路的参数选择 102.4 主、副调节器调节规律的选择 102.4.1 调节规律分析 102.4.2 调节规律的确定 112.5主、副调节器选用 122.6主、副电路检测变送器的确定 132.6.1 温度检测元件 132.6.2 温度变送器 142.7 调节阀的确定 142.8 联锁保护 15第三章 结束语 16参考文献 17第一章 绪论1.1引言近年来，轧钢生产中所涌现的新技术、新工艺主要是围绕节约能源、降低成本、 提高产品质量、开发新产品所进行的。在节能降耗上，主要技术是：连铸坯热送热装 技术、薄板坯连铸连轧技术、先进的节能加热炉等；在提高产品性能、质量上，主要 技术是：TM

4、CP技术、高精度轧制技术、先进的板形、板厚控制技术、计算机生产管 理技术等；在技术装备上，主要是大型化、连续化、自动化，即热轧带钢、冷轧带钢 的连续化，实现无头轧制、酸轧联合机组、连续退火及板带涂层技术等。这些技术的 应用可极大地提高产品的竞争能力。以节能降耗为目标的新技术 。加热炉炉温的控 制直接影响到生产质量和能耗的多少。所以加热炉控制系统的优化控制方案有待解 决！1.2 国内外控制系统状况一、国外控制系统的发展情况自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术 的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅 速，并在智能化、自适应、参

5、数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、 德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表， 并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1、适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理 论，运用先进的算法，适应的范围广泛。5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外控制 系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。二、国内控制系统的发展概况随着人们

6、物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向 更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗， 以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来 愈繁重。在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪 30 年代 就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制 两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是： 分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人 的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工

7、业过程改造中， 过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从 过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计 算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对 企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动 化、整个生产系统信息管理的最优化。本期中国重型机械研究院自动化研究所米进周和高朝波撰写的连铸过程控制系 统的研究和应用详细阐述了作为钢铁企业实现企业信息化管理重要组成部分的连铸 过程控制系统，集成了先进的工艺数学模

8、型和控制技术，使铸坯质量得到极大提高、 生产管理更加方便，增强了企业竞争力，发展前景十分广阔。第二章 控制系统设计2.1 生产工艺及加热炉简介一、 冶金工艺流程采矿、选矿过程工艺流程f炼铁区工艺流程f炼钢区工艺 流程f轧钢区工艺流程。从矿石 到成品的整个工艺流程如下图所 示。直接粉碎电炉瓠切粗轧檢7制管控钢営钢忒包钢”*和线材产品煤氧气炉焦炭炉小棒材R1石甚和濬初殛弩嗥气1 缝钢管X 厂證冬型材 蠡Cz轨:L. 铁矿石焊管氧气连铸高炉丈方疑石灰石礪确机热轧檢發洗和豫浦备戚图21冶金工艺流程二、热轧工艺流程铁矿石送入高炉炼铁，炼铁厂出来的产品又作为炼钢的原料送入炼钢厂冶 炼，从炼钢厂出来的钢 坯

9、还仅仅是半成品，必须到轧钢厂去进行轧制以后，才 能成为合格的 产品。从炼钢厂送过 来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧 机反复轧制 之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单点，轧钢板就像压面条， 经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越擀越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变 软，被辊道送 入轧机，最后轧成用户要求的尺 寸。轧钢是连续的不间断的作 业 钢带在辊道上运行速度快，设备自动化程度高，效率也高。从平炉出来的钢锭 也可以成为钢 板，但首先要经过加热和初轧开坯才能送到热轧线上进行轧制， 工序改用连铸坯就简单多了，一般连铸坯的厚度为1502 5 0 m m，先经 过除磷到初轧，经辊道进入精轧

10、轧机，精轧机由7架4辊式轧机组成，机前装 有测速辊和飞剪，切除板面头部。精轧机的速度可以达到2 3m/s o热轧成 品分为钢卷和 锭式板两种， 经过热轧后的钢 轨厚度一般在几个毫米 ,如果用户要 求钢板更薄的 话，还要经过冷轧。三、加 热炉简介1、加热炉分类在冶金工业中 ，加热炉习惯上是指把金属加 热到轧制成锻造温度的 工业炉 ， 包括有连续加热炉和室式加热炉等。 金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。 初轧 前加热钢 锭或使钢 锭内部温 度均匀的 炉子称为 均热炉。 广义而言 ，加热炉 也包括均热炉 和热处理炉。连续加热炉包 括推钢式炉、步进式炉、转底式 炉、分室式炉等连续加热炉 , 但习惯上

11、常指推钢式炉 。连续加 热炉多数 用于轧制 前加热金 属料坯， 少数用于 锻造和热处理。主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内 也连续流动；一般情况 ，在炉料 的断面尺 寸、品种 和产量不 变的情况下，炉子 各部分的温度 和炉中金属料的温度基本上不随 时间变化而仅沿炉子长度变化 。2、加热炉的结构按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温 较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，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 于实现快 速加热。 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。 用于加热小断面料

12、 坯的炉子只有 预热段和 加热段。 习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段， 依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。5060 年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长， 所以开始在进料端增加供热带， 取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的 生产率。用这 种炉子加热板坯，炉底的单位面 积产量达 9001000 公斤/（米 2时），热耗约为（0.50.65）X106千卡/吨。70年代以来，由于节能需要， 又由于新兴的 步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段 ,最佳的 炉底单位面积 产量在 600650 公斤/（米 2 时）,热耗约为（

13、0.30. 5） X106 千 卡 / 吨。3、加热炉工作方式在锻造和轧 制生产中 ，钢坯一 般在完全 燃烧火焰 的氧化气 氛中加热。采用 不完全燃烧的 还原性火焰 （即 “自身保护气氛”）来直接加热金属，可以达到无 氧化或少氧化的目的。 这种加热 方式称为 明火式或 敞焰式无 氧化加热，成功地 应用于转底式 加热炉和室式加热炉。4、加热炉节能方式加热炉对钢 锭进行加热时的温度高 ，烟气带走了大量的高温热量 ，造成白 白浪费，热利用率较低 ，如果使 用蜂窝陶 瓷蓄热体 可以达到 余热回收的目的， 但一次性投入大，切换 机构多， 维修成本 高；另外 在切换过 程中也带 走了相当 多被烧嘴吹出但未

14、燃烧 的燃气， 造成能源 严重流失 。而使用 换热器则可弥补蜂 窝陶瓷这方面 的不足，且投资少、无切换机构 、免维修。如果使用金 属换热器 ，由于材 质的限制 ，抗氧化 能力差， 不能在高温下长期使用，余热 回收率低。如烟道温度达到 800 度以上，金属 换热器非常容易被 高温损坏，无 法达到余热回收的目的。2.2 控制系统的设计思想和总体方案2.2.1 控制系统的设计思想串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一 个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它 所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为

15、副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引 入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测 变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调 节器、调节阀、副过程和主过程构成。2.2.2 控制系统的设计方案一、 加热炉控制系统的基本组成1、炉膛压力自动控制炉膛压力直接影响钢坯的加热质量、炉温分布、燃料消耗及炉体寿命。一般加热 炉控制炉膛为微正压状态，以使炉子既不吸入冷空气，炉气也不外溢。炉膛压力控制 是靠控制器升降烟道闸板，即改变烟囱抽力来实现的，系统串入阻尼器以提高其稳定 性，又由于炉膛压力数值小，故取压管用较粗的管子，且从取压装直至变送器之间的 导压管设置了补偿导管。有些加热炉在烟道中设置两组调节翻版，其中一组有比值设 定器，可根据数值来调节比值，保证烟道内气流均匀。2、热风温度自动控制系统采用控制放风量的方法以保持热风温度在以最大限制范围内。系统还设有废气温 度控制系统，他用热电偶测量废气温度，通过控制器动作冷风阀向烟囱里加入冷风以 保证废气温度不高于换热器允许温度，和防止烧坏炉子设备。3、燃料、空气流量比例自动控制在加热炉操作中，保证燃烧在最佳空燃比条件下进行是必不