常减压加热炉温度控制系统的设计Word格式.docx

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由于加热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的，控制效果好，即能保证产品质量又能提高产量。

某些加热炉出口温度控制非常困难，波动幅度大，控制不理想的原因在于被控对象十分复杂：

1、原料的流量变化造成温度波动很大；

2、处理量频繁提降也造成出口温度的波动；

3、产品的不断切换也使炉口的温度产生较大的波动；

4、加热炉的温度存在较大的时滞。

可以看出加热炉系统是一个时变、大时滞、多干扰的复杂系统。

从加热炉工作特性可以看出，燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。

但是其变化过程是：

燃料量的变化首先引起炉膛温度产生变化，进而引起炉出口温度的变化，由此可见，对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行控制方案是合理而且可行的，这种方案也有助于对一系列干扰的克服。

第一章常减压加热炉结构及生产工艺简介

加热炉一般结构与控制原理

目前钢铁企业轧钢系统采用的加热炉一般为两段或三段式加热炉，钢坯在炉内的运动形式一般为步进式或推钢式，下面就将这几种形式简要介绍一下。

、两段式加热炉

沿路长分为加热段和预热段两部分；

按加热方式又可分为“单面加热”和“双面加热”两种炉型。

一般当坯料厚度大于100㎜是采用双面加热。

在两段式加热炉的加热过程中，为保证产量通常加大加热段炉温设定点，这就使出炉钢坯表面和中心存在较大的温差，严重时影响正常轧制。

所以，两段式加热炉在实际使用中产量受到一定限制。

三段式加热炉

目前钢铁企业各轧钢厂加热炉普遍使用的一种炉型。

它分为预热段、加热段和均热段，相对于两段式加热炉它增加了均热段。

该类型加热炉加热段炉温一般比两段式50～100℃，在进入均热段时钢坯表面温度已达到或高出出炉温度，在均热段钢坯断面温度逐渐均匀，并在一定程度上消除“黑印”。

三段式加热炉非常利于轧机产量的提高。

步进式加热炉

依靠步进梁的顺序往复运动使被加热钢坯从炉尾移动到出料端，中间经过各加热段，最终是钢坯达到规定的温度后出炉。

由于钢坯在加热炉内前、后、上、下均匀受热，所以加热效果良好。

加热后，钢坯断面受热均匀，钢坯表面不产生“黑印”、不“粘钢”，工人操作方便，所以目前加热炉内钢坯的运动形式大部分采用“步进式”。

推钢式加热炉

将钢坯用推钢机从炉尾推入加热炉内，靠推力使钢坯在炉内移动的一种加热炉。

推钢式加热炉具有炉内钢坯排列紧密、生产率高的特点，但它对加热控制要求较严格，对操作工人的经验要求较高，容易出现“过烧”、“粘钢”等现象。

目前在棒线材生产中已逐渐被“步进式”加热炉取代。

控制系统工艺流程及控制要求

生产工艺介绍

加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。

物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。

用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到360℃～370℃后，再送入常压分馏塔中。

经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，经冷凝和冷却到30℃～40℃时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。

此外，还设有1～2个中段回流。

在常压塔中一般有3～4个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。

侧线产品是按人们的不同需要而取的不同沸点范围的产品，在不同的流程中并不相同。

有的侧线产品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；

有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底产品为常压渣油。

初底油用泵加压后与高温位的中段回流、产品、减渣进行换热，一般换后温度能达到260°

C以上，如果换热流程优化的好，换热温度可达到310°

C左右。

初底油在进入常压炉进一步加热至365°

C（各装置设定的炉出口温度随所炼不同原油的组成性质而差异，一般都在360°

C至370°

C之间）。

最后初底油进入常压塔进行分离。

加热炉设备主要工艺流程图如图5-1所示。

图5-1加热炉设备主要工艺流程图

控制要求

加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。

按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：

加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范围内。

第二章相关控制理论和控制系统简介

加热炉温度控制系统原理

加热炉沿路长分为预热段、加热段、均热段。

加热段不布置烧嘴。

钢坯进入加热炉后，首先利用加热段和均热段排出的高温烟气缓慢加热钢坯，这是考虑到钢坯加热速度在塑性范围外不能太大，这样钢坯开始升温速度不大，温度应力小，不会造成裂纹或断裂。

钢坯运行到加热段时，钢坯中心温度已超过500℃，进入塑性范围。

此时快速加热钢坯表面，温度迅速上升到出炉温度，当钢坯进入均热段时表面温度不再升高，各断面温差逐渐缩小达到均热。

这样，钢坯经过预热、加热、均热三个过程就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的钢坯。

加热炉温度调节系统

串级控制系统

在简单控制的基础上再在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。

这样，便构成了以原料出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被空参数的串级控制系统如图1所示。

简单控制系统

利用对燃料量的控制最终来实现对原料出口处原料温度的控制。

在原料出口处设置温度转送器，由其带动回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制。

这样便构成了以燃料出口温度为主要被控参数的加热炉简单温度控制系统如图3所示。

图3加热简单炉温度控制系统

图加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图

第三章总体控制方案设计

简单控制系统温度调节器TIC是根据原料的出口温度θ1（t）与设定值的偏差进行控制。

当燃料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数θ1（t）的影响控制质量差。

当生产工艺对原料出口温度θ1（t）要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

串级控制系统中，由于引入了副回路不仅能迅速克服作用与副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、粗调、快调的特点；

主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，使得控制质量显著提高。

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。

中间被控变量：

炉膛温度；

操纵变量：

燃料流量。

炉膛温度变化时，TSC可以及时动作，克服干扰。

系统图如图2所示。

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合的回路：

主回路和副回路，主、副调节器串联工作；

主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的设定控制。

串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。

串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能够迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。

调节器正反作用方式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。

调节器作用方式的确定:

处于生产工艺安全的考虑。

燃料调节阀选用气开式，这样保证当系统出现故障调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的kv>

0.然后确定被控制过程的ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以ko2>

0。

最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘机必须为正，所以副调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

主调节器作用方式的确定：

炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程ko1>

0.为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数k1>

0,主调节器作用方式为反作用方式。

例如图2所示加热炉温度串级控制系统示意图。

从加热炉安全角度考虑，调节阀应选气开阀，即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。

反之，为负作用方式。

副对象的输入信号时燃料流量，输入信号时发后燃料压力，流量上升，压力亦增加是正作用。

测量变送单元作用方式均为正。

系统控制方案

随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。

本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。

采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。

PID调节器的比例调节,可产生强大的稳定作用;

积分调节可消除静差;

微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后。

控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。

本加热炉温度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，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度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，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。

由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。

系统结构和控制流程图

根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示,该系统主要由调节对象（加热炉）、检测元件（测温仪表）、变送器、调节器和执行器等5个部分组成,构成单回路负反馈温度系统。

其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；

θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。

箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。

图3-1加热炉温度控制系统结构图

图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图

Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。

系统控制参数确定

被控参数选择

单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：

在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；

其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；

所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。

该参数可直接反应控制目的。

控制参数选择

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，以便易于控制；

在

的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；

综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。

第四章硬件系统设计

测温元件

本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻，工业用铂电阻作为温度测量变送器，通常用来和显示、记录、调节仪表配套，直接测量各种生产过程中从0～500℃

范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体等表面温度。

一体化温度变送器

型号：

DBW-4230，环境温度:

0~50℃,环境湿度:

90%RH,供电电源:

220AC、220VAC（开关电源）

功耗:

≤6W,分度号：

热电阻Pt100，测量范围：

0~500℃，输入信号：

1-5V，输出信号：

4-20mA，精度等级：

级

DX2000型无纸记录仪

DX2000系列新型无纸记录仪,为DX200系列无纸记录仪的升级产品,DX2000最多可达48通道.可以广泛应用于各种环境中。

额定电源电压：

220VAC+10-15％，使用电源电压范围：

90～260VAC，额定电源频率：

50～60Hz，功耗：

<

15W环境温度0～50℃环境湿度：

20～80%RH（5～40℃）

调节器

1.DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示：

表DDZ-III型PID调节器性能指标

名称

性能

输入信号

1~5V直流电压

外给定信号

4~20mA直流电流（输入电阻250Ω）

输出信号

4~20mA直流电流

负载电阻

250Ω~750Ω

输入与给定指示

0~100%，指示误差为

%

输出信号指示

整定参数

（F=1情况下）

比例带Xp=2~500%连续可调，最大值刻度误差

%；

积分时间Ti有两档~分与~25分。

分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为

微分时间Td=~10分，连续可调，最大刻度误差为

干扰系数F

积分增益Kd

Kd

10

闭环跟踪误差

型调节器接线端子如下图所示：

图5-6DDZ-III型调节器调节器接线端子

执行器

执行器选型

本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。

三、执行器的结构形式：

执行器在结构上分为执行机构和调节机构。

其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

生产安全角度：

当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

保证产品质量：

当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；

尽可能的降低原料、产品、动力损耗；

从介质的特点考虑。

综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：

执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。

1.调节阀的流量特性：

调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。

2.调节阀的口径：

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。

为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

电/气阀门定位器ZPD-01

表ZPD-01参数表

4-20mA·

DC

图5-8ZPD-01端子图

安全栅

DFA-3100，防爆等级：

iaIICT6，最大允许电压VM：

（防爆额定值）AC/DC、220V，额定工作电压VD：

DC24（+10～-5）%V，额定工作电流ID：

DC4～20mA，内阻：

（DC20mA）DFA-3100≤190Ω，DFA-3300≤150Ω精度：

% 

可行性：

安全栅是本质安全防爆型仪表的关键设备。

在正常状态时，安全栅不影响系统正常运行，当发生故障时（危险场所的连线短路或接地，非危险场异常电压混触）安全栅具有限压限流和断电等功能可以将危险场的电能量限制在点火界限以内，确保现场的安全。

它广泛用于石油、化工、轻工等易爆易燃的场所。

它具有：

防爆等级高、精度高、体积小、价格便宜安装方便等优点。

采用双重化元件电路，可靠性高。

配电器

DFP-2100，通道数:

2，重量:

，功耗：

DFP-2100配电器属于控制室内仪表它通过DC-DC转换器向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源同时把从变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出.

功能与特征

向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源，本安防爆型仪表.其标志为（ib）ⅡCT，实行电源-输入-输出之间三隔离将变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出，采用高