步进式加热炉过程控制系统设计.docx

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步进式加热炉过程控制系统设计步进式加热炉过程控制系统设计内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题目：

步进式加热炉过程控制系统设计学生姓名：

*学号：

*专业：

测控技术与仪器班级：

2010-2指导教师：

*前前言言钢铁工业是整个国家的支柱产业，国家的军事国防以及人们的日常生活等等都离不开钢铁行业，它为我们提供了大量的制作劳动工具所需的原材料。

它对我们国民经济的发展起到了举足轻重的作用。

随着近些年全球性能源危机的加剧，我国钢铁企业也面临着巨大的成本压力，这就要求我们合理的设定加热炉炉温，降低能量消耗，提高企业效益。

加热炉在整个行业的生产轧制过程中是主要耗能设备，占整个冶金工业耗能的1/4。

这个炉子控制的好坏及其所选择的控制方法十分重要，这会影响到钢坯的废钢率，钢坯的产量及其质量和烧损率等等。

在加热炉设备的更新及其生产工艺进步的同时，我国的现代化轧制技术也发生了翻天覆地的变化。

尤其是轧机，正在一些方面快速发展，比如说高精度，高速，大规模，连续等等。

这样就要求必须提高钢坯的加热质量。

因此，研发高水平的炉温控制系统，生产出质量达标的钢坯，降低能耗，切实提高冶金企业经济效益，增强国际竞争力，这些都是我国钢铁行业要面临的一些难题。

在整个轧制过程的能源消耗中主要有两个方面：

一方面是在加热炉对钢坯进行加热的时候，对钢坯加热的能量消耗；另一方面是在轧制的过程中，一些工序中的能量损耗。

出炉钢坯温度主要取决于加热炉的炉温。

有这样一个规律：

如果轧制的温度下降了，那么它的轧制能耗就会上升，相应的加热钢坯的能耗就会迅速的下降。

很显然在实际的生产中，它们之间是存在着比例关系的。

假设因为出炉温度下降而导致轧制的能耗上升了1%，那么加热炉在加热过程中的能耗便会降低10%。

怎样才能在保证钢坯被加热到可以被轧制的温度的前提下，尽可能的降低能耗，已经成为当前国内外学者研究的重要方向。

但是，钢坯加热过程是一个包含化学、物理及热力学等在内的复杂工业过程。

具有时变、强耦合、非线性、大惯性及纯滞后的特点。

现有的大多数控制方法已经不能满足现代工业生产对节能减排，生产过程智能化等要求，所以，必须优化控制技术手段，进而对炉温的设定值进行优化才能真正达到现代工业生产要求，走上可持续发展之路。

第一章第一章绪论绪论一一.1步进式加热炉的发展步进式加热炉的发展钢坯加热炉是用来将初轧钢坯或者连铸钢坯轧制成最终产品而对钢坯进行再加热的生产设备。

按照加热方式的不同可以分为周期式和连续式两种，其中连续式加热炉在目前的轧制生产中的应用最为广泛。

周期式加热炉是指钢坯在炉内固定不动进行加热的炉子，它不适用于大量生产的情况，通常情况下只应用于某些连续加热炉不能处理的特殊材质和极厚、单重特别大的特殊尺寸的钢坯加热。

连续式加热炉是指形状基本一致的钢坯，在加热炉内不断的移动，从加热炉入口一直移动到其出口处，并且在此过程中对钢坯进行加热的加热炉。

随着国际钢铁需求量的增加，轧机向着高效率和大能力发展，相应地要求板坯加热炉提高其炉床负荷，在有限的空间增加加热能力。

因此，连续式加热炉由一段式向多段式发展，进而出现了步进式。

这也是最近应用最为广泛的加热炉，它与以前经常使用的推送式加热炉相比有如下一些优点:

（l）可以加热各种形状的钢坯，并且特别适合加热推送式连续加热炉不便加热的大型板坯和异型板坯。

（2）生产能力大，炉底强度可以达到800-1000kg/（m2h），与推送式连续加热炉相比，加热等量的钢坯，步进式加热炉的炉长可以缩短10%-15%。

（3）炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连等现象。

（4）炉子的灵活性很大，在加热炉炉长不变的情况下，通过改变钢坯之间的距离就可以调整炉内钢坯的数量，因而可以适应不通产量的要求;同时，由于步进周期是可调的，故可以根据不同钢坯的不同加热要求，调整钢坯在炉内的加热时间，因而步进式加热炉的适应性很强，可以适应不通产量和不同加热速度的要求。

（5）由于坯料不在炉底滑道上滑动，坯料的下表面没有划痕。

（6）当轧机出现故障而停车时，步进式加热炉可以保持踏步或者将钢坯从炉内退出，以免钢坯长期在炉内造成氧化烧损和脱碳。

（7）由于步进速度可以调整并可测量，因此可以准确计算和控制钢坯的加热时间，便于实现钢坯加热过程的自动化控制。

步进式加热炉存在的缺点：

和同样生产能力的推送式炉相比，造价高15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。

经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高160KJ。

一一.2步进式加热炉结构步进式加热炉结构目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，以某钢厂的步进式加热炉为研究对象，一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段，如图1.1所示。

进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。

加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。

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。

一般用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。

图1.1三段步进式加热炉结构简图一一.3步进式加热炉工艺流程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工艺过程第二章第二章控制方案整体设计控制方案整体设计加热炉燃烧控制系统对加热炉控制来说，占有很重要的地位。

它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理的进行燃烧，节约燃料，防止冒黑烟，减少有害气体对环境的污染，都有重要的意义。

二二.1炉膛温度控制系统炉膛温度控制系统加热炉是热连轧生产过程中的重要设备，钢坯加热是否满足工艺要求将直接关系到钢材产品的内在质量。

然而，在钢坯加热过程中，钢坯温度是不能在线连续测量的，这也就意味着不能采用传统的回路控制策略实现钢坯温度的控制。

由于钢坯加热过程呈现非线性、强耦合、高阶和时变等复杂特征，钢坯出炉温度与多项工艺参数相关，且存在着不可测扰动，因此精确数学模型难以建立。

实际中，由于炉内气氛的温度与钢坯温度具有一定的函数关系，因此常采用控制炉内气氛温度的方法来达到间接控制钢坯温度的目的。

对于三段步进式加热炉，预热段内不进行加热，也就不需要温度控制。

在加热段和均热段，在侧面炉墙的上下部都设置有一定数量的烧嘴，各段的炉内温度都独立地进行控制，调节器的输出信号作为空燃比控制系统的设定值，据此来维持炉内温度的稳定，如图2.1所示。

图2.1步进式加热炉炉膛温度控制系统该系统具有逻辑提、降量功能。

当炉温偏高时，可通过低选器LS先减少煤气量，后减少空气量；而当炉温偏低时，可通过高选器HS先加大空气量后加大煤气量，这就确保了在提量和降量时煤气都能充分燃烧。

二二.2炉膛压力控制系统炉膛压力控制系统炉膛压力能反映炉膛内部气体的充满程度，炉膛压力大小将会直接影响炉膛温度、钢坯温度、燃料消耗及加热炉寿命，因此必须对炉膛压力进行准确控制。

炉膛压力与炉子热负荷存在着密切的关系，当热负荷变化时，应对炉膛压力进行适当的调整。

对于钢坯加热炉，通常以控制均热段的炉顶压力等于微正压为目标。

如果炉膛压力过低，炉外的冷空气就会进入炉内，造成炉温降低；如果炉膛压力过高，则会因炉子向外喷火而污染环境甚至烧损炉门，同时还会因烟道抽力增加而降低加热炉的热效率。

炉膛压力控制通常是通过调整烟道挡板的开度来实现的，如图2.2所示，炉膛压力调节器的输出直接控制挡板开度，通过挡板开度的变化来改变排烟量，进而达到稳定炉膛压力的目的。

图2.2步进式加热炉炉膛压力控制系统第三章第三章步进式加热炉过程控制方案设计步进式加热炉过程控制方案设计步进式加热炉过程控制系统主要包括炉膛温度控制系统、空燃比控制系统、炉膛压力控制系统、热空气温度控制系统、煤气压力控制系统、废气温度控制系统等几个子控制系统。

这个系统的任务是炉膛温度控制系统、空燃比控制系统和炉膛压力控制系统。

三三.1炉膛温度控制系统设计炉膛温度控制系统设计三三.1.1炉膛温度控制系统的选择炉膛温度控制系统的选择由于加热炉炉温过程是一个具有大惯性、非线性和多扰动等特点的过程，根据串级控制系统的特性，采用串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的控制，如图3.1所示。

串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点：

改善了被控过程的动态特性，可以使系统的响应加快，控制更为及时；提高了系统的工作频率；具有较强的抗扰动能力；具有一定的自适应能力。

串级控制系统与单回路控制系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，调节器参数整定较复杂。

所以在工业应用中，串级控制并不是任何场合都适用，往往应用于以下场合：

用于克服被控过程较大的容量滞后；用于克服被控过程的纯滞后；用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；用于克服被控过程的非线性。

图3.1炉膛温度控制系统框图三三.1.2主、副被控参数的选取主、副被控参数的选取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。

三三.1.3主、副回路调节器调节规律的选择主、副回路调节器调节规律的选择主回路为定值控制系统，副回路为随动控制系统。

主被控参数温度是工艺操作的主要操作指标，一般要求无静差，又因为被控参数为温度滞后比较大，为了克服滞后。

因此主调节器应选择PID调节规律。

副被控参数为燃料和空气流量，为了保持稳定，P较大，可引入积分，一般不引入微分，因为微分会使调节阀动作过大或过于频繁，会引起震荡，对控制不利，所以需要采用PI调节，以增强控制作用。

三三.1.4主、副调节器正、反作用的选择主、副调节器正、反作用的选择1、副调节器的正、反作用确定根据生产工艺安全的原则，调节阀采用气开式，故KV为正；当调节阀开度增大，流量增大，所以副对象KO2为正，流量变送器的KM2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KC为正，选用反作用控制器。

2、主调节器的正、反作用确定副回路为正，变送器正，当调节阀开度增大，温度升高，故KO1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KC为正，选用反作用调节器。

三三.1.5控制系统的工作原理控制系统的工作原理本系统采用串级回路控制方法，具有两个调节器和两个闭合回路，两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。

如图3.2所示为一串级和比值控制组合的系统，由炉膛温度和燃料流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。

完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：

高选择器HS、低选择器LS。

正常工况（稳态）时温度控制器的输出It等于燃料流量变送器的输出I1，也等于空气流量变送器的输出乘上空气过剩系数K后的值I2。

也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。

当系统温度低于给定值时，温度控制器（温度控制器选用反作用式控制器）的输出It增大，I2It，低选器选中I2，I2暂时不变，所以煤气流量也暂时不变，而高选器选中It，这时空气流量控制器的给定值增大，空气流量增大，然后由于空气增大，使其变送器输出增大也就使I2开始增大，因为I2被低选器选中，燃料流量控制器给定值增大，进而煤气流量增大。

这一过程保证在增大燃料前，先加大空气量，使其燃烧完全。

整个过程直至It=I1=I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。

图3.2步进式加热炉燃烧过程中温度控制系统图当系统温度高于给定值时，温度控制器（温度控制器选用反作用式控制器）的输出It减小，I1It，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料减小。

燃料量减小，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气流量减小。

直至It=I1=I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。

这样就实现了升温时先增大空气量，后增大燃料量，降温时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。

三三.1.6温度传感器选型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，基本误差限0.25%t，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WRP-S型铂铑热电偶。

三三.1.7控制器选控制器选型型控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。

针对本设计，经过查阅资料选择XMX614智能单通道通讯控制仪为控制器,如图3.3所示。

图3.3XMX614智能单通道通讯控制仪主要技术指标：

使用环境：

0-60100%RH无腐蚀性环境电源电压：

AC85-260VDC85-360V基本误差：

0.2%FS1个字显示方式：

双排满四位LED数码管显示采样速率：

5次/秒显示周期：

0.6秒馈电输出：

DC24V/3A通讯输出：

接口方式为光电隔离主从异步RS-485通讯接口，波特率1200-9600bps三三.1.8流量计选型流量计选型流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品的实际供应情况出发，综合考虑测量的安全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的形式和规格。

流量测量的安全可靠，首先是测量方式可靠，即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的安全。

例如，对发电厂高温高压主蒸汽流量的测量，其安装于管道中的一次测量元件必须牢固，以确保在高速气流冲刷下不发生机构损坏。

因此，一般都优先选用标准节流装置，而不选用悬臂梁式双重喇叭管或插入式流量计等非标准测速装置，以及结构低强度低的靶式、涡轮流量计等。

燃油电厂和有可燃性气体的场合，应选防爆仪表。

系统采用标准孔板式流量计，其节流元件为标准孔板，如图3.4为标准孔板式流量计。

依据：

结构简单、使用寿命长、适应能力强、几乎能测量各种情况下的流量。

图3.4标准孔板式流量计三三.1.9执行器的选择执行器的选择执行器由执行机构和调节机构组成。

执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称控制阀。

按所用能源形式的不同，执行器可分为气动、电动、液动三大类。

本设计主要采用气动执行器，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。

气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。

它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。

当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。

推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不在改变，流体的流量稳定，可见，调节阀是根据信号压力的大小，通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小，达到控制流量的目的。

三三.2炉膛压力控制系统设计炉膛压力控制系统设计3.2.1炉膛压力控制系统的选择炉膛压力控制系统的选择由于炉膛压力要求为微负压，但是对于控制要求不是太高，所以采用单回路控制系统如图3.5所示，以炉膛压力为被控参数，通过检测炉膛压力与给定值进行比较，然后通过调节器控制调节阀，以达到炉膛负压控制的目的。

图3.5炉膛压力控制系统框图3.2.2调节器调节器调节规律的选择调节规律的选择选择炉膛压力为被控参数，而被控参数温度是工艺操作的主要操作指标，一般要求无静差，负荷变化不大，工艺要求不高，因此调节器应选择PI调节规律。

3.2.3调节器正、反作用的选择调节器正、反作用的选择根据工艺安全的原则，选择气开式，故为正；当调节阀开度增大，压力减小，为负，压力变送器为正，为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，故调节器为负，选用正作用控制器。

3.2.4控制系统的工作原理控制系统的工作原理当炉膛压力低于给定值时，产生偏差，调节器根据偏差的大小，然后控制烟道挡板开度的减小；当炉膛压力高于给定值时，产生偏差，调节器根据偏差的大小，然后控制烟道挡板开度的增大。

3.2.5压力传感器选型压力传感器选型由于所选传感器为测量炉膛压力，其环境是高温负压，经过查阅资料，决定选择炉膛负压传感器。

如图3.6为炉膛负压传感器。

其特点和技术参数如下：

图3.6炉膛负压传感器特点：

炉膛负压传感器高温负压传感器负压力变送器测量，抽风管道负压传感器，抽气泵负压力传感器，测量管道负压传感器，微负压变送器，负压测量仪器，炉膛负压传感器高温负压传感器负压力变送器测量，风管负压传感器，气泵负压变送器，负压检测仪器，负压压力传感器，抽真空压力传感器，炉膛负压传感器高温负压传感器负压力变送器测量，负压真空压力传感器。

主要技术参数：

量程:

-100KPa50KPa10KPa5KPa0综合精度:

0.5%FS、1.0%FS输出信号:

420mA（二线制）、05V、15V、010V（三线制）供电电压:

24DCV（936DCV）介质温度:

-2085环境温度:

常温（-2085）负载电阻:

电流输出型：

最大800；电压输出型：

大于50K绝缘电阻:

大于2000M（100VDC密封等级:

IP65长期稳定性能:

0.1%FS/年振动影响:

在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口:

赫斯曼接插件螺纹连接：

M141.5、M201.5等。

第四章第四章总结总结经过两个星期的努力我的过程控制课程设计已经完成了，回想做课设的整个过程，艰辛同时又充满乐趣。

没有做设计之前觉得课程设计只是对过程控制、控制仪表及装置、热工测量仪表、传感器与检测技术等几门课所学知识的复习，但是通过这次亲自体验发现课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

本次设计让我学到了许多书本上学不到的东西，增强了我的分析理解能力，也学会了如何写科技论文，也对过程控制乃至我们专业有了进一步的了解。

同时我也学会了一些软件的应用，如：

AutoCADVisio等。

这次自选设计为步进式加热炉过程控制系统，设计系统主要针对上学期末的生产实习和前面所学几门专业课进行的。

从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计，最后到系统实现。

每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去，也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。

我的课程设计能够顺利完成，首先要感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会。

其次要感谢我的指导老师闫老师，在设计的过程当中闫老师给予了我热情的帮助和悉心的指导，在此我要向她说声谢谢。

通过这次理论与实际结合的学习，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。

附录附录步进式加热炉过程控制系统工艺图参考文献参考文献l陈南岳.现代加热炉过程控制技术及其数学模型.冶金自动化，1985，9（3）:

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369-37212于明双步进式加热炉炉温优化及其仿真D重庆大学硕士论文2010