熱風(fēng)爐拱頂溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化0804 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 熱風(fēng)爐拱頂溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始條件：轉(zhuǎn)爐煉鋼通常采用的是內(nèi)燃式熱風(fēng)爐,燃料為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。兩種燃料混合后進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒室,再與助燃空氣一起燃燒，要求高爐送風(fēng)溫度達(dá)到1550，則爐頂溫度要求必須達(dá)到1600，穩(wěn)態(tài)誤差±10。此拱頂溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，以拱頂溫度為主被控對象，煤氣流量為副被控對象；主被控參數(shù)的信號(hào)送往主控制器控制煤氣切斷閥的開度，同時(shí)副被控參數(shù)的檢測信號(hào)乘以一定的系數(shù)作比值調(diào)節(jié)器基準(zhǔn)，其輸出值作為助燃風(fēng)流量流量給定，控制助燃風(fēng)支管流量調(diào)節(jié)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)煤氣

2、量和空氣量的最佳配比。 要求完成的主要任務(wù): 1、了解內(nèi)燃式熱風(fēng)爐工藝結(jié)構(gòu)以及工作原理。2、繪制內(nèi)燃式熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)方案圖，掌握溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)的工作原理。3、確定系統(tǒng)所需檢測變送元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)，以及誤差控制。4、撰寫詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書并描述調(diào)節(jié)過程5、系統(tǒng)建模及其數(shù)值仿真6、總結(jié)課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和收獲時(shí)間安排12月 19 日 選題、理解課題任務(wù)、要求 12月 20 日 方案設(shè)計(jì) 12月 21日- 28日 參數(shù)計(jì)算并撰寫說明書12月 29 日 答辯指導(dǎo)教師簽名： 2012 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2012 年 月 日摘 要 作為熱動(dòng)力機(jī)械的熱風(fēng)爐于20

3、世紀(jì)70年代末在我國開始廣泛應(yīng)用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力熱源的換代產(chǎn)品。通過長時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動(dòng)力在輸送過程中往往配置多臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，使之最終還是間接形成熱風(fēng)進(jìn)行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費(fèi)能源及造成附屬設(shè)備過多、工藝過程復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用了串級(jí)與比例控制，通過微機(jī)控制熱風(fēng)爐拱頂溫度和煤氣流量，使系統(tǒng)能夠很好的保持拱頂溫度和高爐送風(fēng)溫度，而且通過廢氣中的含氧量調(diào)節(jié)空燃比的大小從而實(shí)現(xiàn)最佳燃料。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還介紹了主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并按系統(tǒng)要求選擇檢測元件、執(zhí)行元件、

4、調(diào)節(jié)儀表的技術(shù)參數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行參數(shù)近似計(jì)算。關(guān)鍵字 熱風(fēng)爐 串級(jí)比例控制 PID整定 Matlab仿真武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1熱風(fēng)爐的工藝結(jié)構(gòu)11.1爐基的設(shè)計(jì)21.2爐殼的設(shè)計(jì)21.3爐墻的設(shè)計(jì)31.5蓄熱室的設(shè)計(jì)51.6燃燒室的設(shè)計(jì)51.7爐箅子與支柱的設(shè)計(jì)61.8轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程62熱風(fēng)爐拱頂溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 2.1熱風(fēng)爐溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)原理圖7 2.2熱風(fēng)爐溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)方框圖83控制器的選擇83.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇83.2 微型計(jì)算機(jī)的選擇84元件選擇10 4.1溫度傳感器及變送器104.2 流量測量儀表115熱風(fēng)

5、爐燃燒控制方案115.1 熱風(fēng)爐燃燒過程115.2 熱風(fēng)爐最有燃燒條件115.3 煙氣含氧量串級(jí)比例控制126 PID整定及仿真137 小結(jié)心得158參考文獻(xiàn)1616武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書熱風(fēng)爐拱頂溫度串級(jí)比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1熱風(fēng)爐的工藝結(jié)構(gòu) 熱風(fēng)爐是將鼓風(fēng)機(jī)送出的冷風(fēng)加熱成熱風(fēng)的設(shè)備。通過提高高爐鼓風(fēng)溫度，可以增加噴煤量，降低燃料比。熱風(fēng)爐的原理是借助煤氣燃燒將熱風(fēng)爐格子磚燒熱，然后再將冷風(fēng)通入格子磚。冷風(fēng)被加熱并通過熱風(fēng)管道送往高爐。目前蓄熱式熱風(fēng)爐有三種基本結(jié)構(gòu)形式，即內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、外燃式熱風(fēng)爐、頂燃式熱風(fēng)爐。如下使用的是雙球形內(nèi)燃式熱風(fēng)爐。傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風(fēng)爐及主要

6、組織部分（如圖1-1所示4）包括燃燒室和蓄熱室兩大部分，并由爐基、爐底、爐襯、爐箅子、支柱等構(gòu)成。熱風(fēng)爐主要尺寸決定于高爐有效容積、冶煉強(qiáng)度要求的風(fēng)溫。 拱頂構(gòu)造 主體結(jié)構(gòu) 燃燒室構(gòu)造圖圖11002506201036120015131800205025164063H21068288403350037000420004445044470540004966054050D上434654007300800085009000933099600900010100下5200678090009500H/D4.805.574.804.704.954.934.935.705.575.35表1我國設(shè)計(jì)的熱風(fēng)爐尺寸表

7、1.1爐基的設(shè)計(jì)由于整個(gè)熱風(fēng)爐重量很大又經(jīng)常震動(dòng)，且荷重將隨高爐爐容的擴(kuò)大和風(fēng)溫的提高而增加，故對爐基要求嚴(yán)格。地基的耐壓力不小于2.02.5kg/，為防止熱風(fēng)爐產(chǎn)生不均勻下沉而是管道變形或撕裂，將三座熱風(fēng)爐基礎(chǔ)做成一個(gè)整體，高出地面200400mm，以防水浸基礎(chǔ)由或16Mn鋼筋和325號(hào)水泥澆灌成鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)。土壤承載力不足時(shí)，需打樁加固。生產(chǎn)實(shí)踐表明，不均勻下沉未超過允許值時(shí)，可將熱風(fēng)爐基礎(chǔ)又做成單體分離形式，如武鋼、鞍鋼兩座大型高爐，克節(jié)省大量鋼材。1.2爐殼的設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐的爐殼由820mm厚的鋼板焊成。對一般部位可?。?1.4D（mm）。開孔多的部位可?。?1.7D（mm）, 為鋼板厚

8、度（mm），D為爐殼內(nèi)徑（m），鋼板厚度主要根據(jù)爐殼直徑、內(nèi)壓、外殼溫度、外部負(fù)荷而定。爐殼下部是圓柱體，頂部為半球體。為確保密封爐殼連同封板焊成一個(gè)不漏氣的整體。由于爐內(nèi)風(fēng)壓較高，加上爐殼耐火磚的膨脹，使熱風(fēng)爐底部承受到很大的壓力，為防止底板向上抬起，熱風(fēng)爐爐殼用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，同時(shí)爐底封板與基礎(chǔ)之間進(jìn)行壓力灌漿，保證板下密實(shí)，也可以把地腳螺栓改成錨固板，并在底封板上灌上混泥土。將爐殼固定使其不變形，或把平底封板加工成蝶形底，使熱風(fēng)爐成為一個(gè)手內(nèi)壓的氣罐，減弱操作應(yīng)力的影響。在施工過程中對焊接必須進(jìn)行X光探傷檢驗(yàn)，要求爐殼橢圓度不大于直徑的千分之二，整個(gè)中心線的傾斜（爐頂中心與爐底中心

9、差）不大于30mm。為了保證爐殼和爐內(nèi)砌磚的密封性，在砌磚前后要試漏、試壓，檢查砌磚前試驗(yàn)壓力為0.31.5kg/,砌磚后工作壓力的1.5倍試壓，每小時(shí)壓力降<=1.5%.蓄熱室、燃燒室的拱頂和連接管處采用（韌性耐龜裂鋼板）含錳、鋁的鎮(zhèn)靜鋼。高溫區(qū)爐殼外側(cè)用0.5mm鋁板包覆，鋁板與爐殼間填充后3mm保溫氈，使?fàn)t殼溫度控制在150250，防止內(nèi)表面結(jié)露，也防止突然降溫（暴雨）使?fàn)t殼急冷而產(chǎn)生應(yīng)力。爐殼內(nèi)表面涂硅氨基甲酸乙醋樹脂保護(hù)層，防止與爐殼接觸。1.3爐墻的設(shè)計(jì)爐墻一般由耐火層、絕熱層和隔熱層組成。作用是保護(hù)爐殼和減少熱損失。各層厚度應(yīng)根據(jù)爐殼溫度和所用耐火材料的界面溫度確定。如圖1

10、-2所示。因爐墻溫度自上而下逐漸升高、所以不同高度耐火層和絕熱層厚度不同。一般下部區(qū)域溫度低、荷重大，宜選用較厚耐火磚，減薄的絕熱層，所留膨脹縫可小。上部高溫區(qū)，荷重小，但為了減少熱損失，應(yīng)增加絕熱層的厚度，耐火層可較薄。爐墻通常由345mm耐火磚砌筑，一般風(fēng)溫水平的熱風(fēng)爐和爐殼接觸的是65mm后的硅藻土磚絕熱層，絕熱層和耐火磚之間是60145mm后的干水渣填料層，用以緩沖膨脹。兩層絕熱磚之間填以5090mm后的干水渣或硅藻土或石粉。隔墻上部由于燃燒室位置在熱風(fēng)爐內(nèi)的一側(cè)，靠格子磚的隔墻為兩面加熱，而靠熱風(fēng)爐大墻一側(cè)的隔墻為一面加熱。因此，前者的溫度比后者高，產(chǎn)生的高溫蠕變大，而耐火材料不適應(yīng)

11、高溫時(shí)，就使燃燒室向格子磚方向傾斜，并進(jìn)而使上部格磚嚴(yán)重錯(cuò)孔。圖2。 b -多用于蓄熱室側(cè) a -多用與燃燒室側(cè) 圖2 爐墻的組成1.4拱頂?shù)脑O(shè)計(jì) 拱頂是連接燃燒室和蓄熱室的砌筑結(jié)構(gòu),它長期處于高溫狀態(tài)工作，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的內(nèi)火材料，并保證砌體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，燃燒時(shí)高溫?zé)煔饬骶鶆虻剡M(jìn)入蓄熱室。內(nèi)燃式熱風(fēng)爐拱頂有半球形，錐型，拋物線形和懸鏈形，目前國內(nèi)傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風(fēng)爐一般多采用半球形。它可使?fàn)t殼免受側(cè)向推力，拱頂荷重通過拱腳正壓在墻上，以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)加強(qiáng)熱風(fēng)爐上部與拱頂?shù)慕^熱保護(hù)，鑒于拱頂支在大墻上，大墻受熱膨脹，受壓易于破壞，故將拱頂與大墻分開，支在環(huán)形梁上，使拱頂砌成獨(dú)立的支撐結(jié)構(gòu)。采用拋物

12、線形拱頂和懸鏈形拱頂穩(wěn)定性較好，懸鏈形拱頂?shù)臍饬饕草^均勻，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。下為拱頂結(jié)構(gòu)圖圖3。 圖3拱頂結(jié)構(gòu) 在拱頂內(nèi)襯的內(nèi)火磚材質(zhì)，決定拱頂溫度水平，為了減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高拱頂?shù)姆€(wěn)定性，應(yīng)盡量縮小拱頂?shù)闹睆?，并適當(dāng)減薄砌體的厚度。拱頂砌體厚度減薄后，其內(nèi)外溫度差降低，熱應(yīng)力減少，可相當(dāng)延長拱頂壽命。中型熱風(fēng)爐磚厚以300500mm為宜，大型高爐熱風(fēng)爐磚厚以350400mm為宜。但是磚型過多制造麻煩，過少則施工困難。國內(nèi)部頒標(biāo)準(zhǔn)以有了3組9種拱頂定型磚適用于砌筑內(nèi)部半徑為21003900mm的半球形拱頂。拱頂?shù)南虏康谝粚哟u為拱腳磚。常用鋼圈加固，使?fàn)t殼少受水平力作用。在拱頂?shù)恼袨樘刂频臓t頂蓋磚

13、，上有安裝測拱頂溫度的電熱偶孔。為了提高熱效率，減少熱損失好保護(hù)爐殼，拱頂?shù)母魺崾鞘种匾?。高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐拱頂隔熱磚的厚度為400500mm,一般由23層隔熱磚組成。拱頂耐火襯材質(zhì)與爐頂溫度的關(guān)系由表2。材質(zhì)粘土磚高鋁磚硅磚標(biāo)號(hào)RN-38RL-48L2-65DG-95爐頂溫度1250135014501550表2 熱風(fēng)爐拱頂耐火襯材質(zhì)與爐頂溫度的關(guān)系 1.5蓄熱室的設(shè)計(jì) 蓄熱室是熱風(fēng)爐進(jìn)行熱交換的主體，它由格子磚砌筑而成。磚的表面就是蓄熱室的加熱面，格子磚塊作為貯熱介質(zhì)，所以蓄熱室的工作既要傳熱快又要貯熱多，而且要有盡可能高的溫度。格子磚的特性對熱風(fēng)爐的蓄熱能力，換熱能力以及熱效率有直接影響。蓄

14、熱室斷面積，一般是從選定的熱風(fēng)爐直徑扣除燃燒室斷面積而得到的，它應(yīng)該用填滿格子磚的通道面積中的氣流速度來核算。為了保證傳熱速度，要求氣流在紊流狀態(tài)流動(dòng)，即雷諾數(shù)大于2300。由于氣體在高溫下粘度增大，而且格孔小不易引起紊流，故現(xiàn)代高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐要求有較高的流速以滿足傳熱的要求，在生產(chǎn)中常有這樣的情況，蓄熱面積不少，頂溫很高，但風(fēng)溫上不去，煙道溫度卻上升很快，其原因主要是流速低造成的。蓄熱室工作的好壞，風(fēng)溫和傳熱效率如何，與格孔大小、形狀、磚量等也有很大的關(guān)系。但在燃燒室兩側(cè)蓄熱室狹窄處存在死角，煙氣在蓄熱室斷面上分布不均，相對的減少了蓄熱室面積。眼鏡形燃燒室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，熱應(yīng)力小，當(dāng)量直徑小，不

15、利于煤氣燃燒：但蓄熱室死角小，煙氣流分布均勻，有效面積利用較好。復(fù)合型兼?zhèn)渖鲜鰞煞N形狀的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)上采用多。1.6燃燒室的設(shè)計(jì) 燃燒室是煤氣燃燒的空間，位于顱內(nèi)的一側(cè)，它的斷面形狀有三種，即圓形、眼睛形、復(fù)合型。本設(shè)計(jì)采用復(fù)合型，燃燒能力大，氣流在燃燒室內(nèi)分布均勻，燃燒效果好，廢氣分布均勻。下為燃燒室斷面形狀，圖4。1-燃燒室 2-蓄熱室 圖4 燃燒室斷面形狀燃燒室隔墻一般由兩層互不錯(cuò)縫的高鋁磚砌筑，大型高爐用一層345mm和一層230mm高鋁磚砌成，中小高爐用兩層230mm高鋁磚砌成。兩層之間彼此無約束，在受熱膨脹時(shí)互不受阻礙。燃燒室比蓄熱室要高出300500mm，目的是使煙氣流在蓄熱室內(nèi)分

16、布均勻一些。1.7爐箅子與支柱的設(shè)計(jì) 蓄熱室全部格子磚都通過爐箅子支持在支柱上，當(dāng)廢氣溫度不超過350，短期不超過400時(shí)，用普通鑄鐵就能穩(wěn)定的工作，當(dāng)廢氣溫度較高時(shí)，可用耐熱鑄鐵（Ni0.4%0.8%，Cr0.6%1.0%）或高硅耐熱鑄鐵。為避免堵住格孔，支柱和爐箅子的結(jié)構(gòu)應(yīng)和格孔相適應(yīng)。支柱高度要滿足安裝煙道哦冷風(fēng)管道的凈空需要，同時(shí)保證氣流暢通。爐箅子的塊數(shù)與支柱相同，而爐箅子的最大外形尺寸，要能從煙道口進(jìn)出。1.8轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備工藝，按照配料要求，先把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入氧氣（純

17、度大于99的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮?dú)獾挠绊懚逛撡|(zhì)變脆，以及氮?dú)馀懦鰰r(shí)帶走熱量的缺點(diǎn)。在除去大部分硫、磷后，當(dāng)鋼水的成分和溫度都達(dá)到要求時(shí)，即停止吹煉，提升噴槍，準(zhǔn)備出鋼。出鋼時(shí)使?fàn)t體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時(shí)加入脫氧劑進(jìn)行脫氧和調(diào)節(jié)成分。鋼水合格后，可以澆成鋼的鑄件或鋼錠，鋼錠可以再軋制成各種鋼材。 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中會(huì)產(chǎn)生大量棕色煙氣，它的主要成分是氧化鐵塵粒和高濃度的一氧化碳?xì)怏w等。因此，必須加以凈化回收，綜合利用，以防止污染環(huán)境。從回收設(shè)備得到的氧化鐵塵?？梢杂脕頍掍?；一氧化碳可以作化工原料或燃料；

18、煙氣帶出的熱量可以副產(chǎn)水蒸氣。此外，煉鋼時(shí)，生成的爐渣也可以用來做鋼渣水泥，含磷量較高的爐渣，可加工成磷肥，等等。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法具有冶煉速度快、煉出的鋼種較多、質(zhì)量較好，以及建廠速度快、投資少等許多優(yōu)點(diǎn)。但在冶煉過程中都是氧化性氣氛，去硫效率差，昂貴的合金元素也易被氧化而損耗，因而所煉鋼種和質(zhì)量就受到一定的限制。2熱風(fēng)爐拱頂溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1熱風(fēng)爐溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)原理圖K'F1CF2CF2TF1TTCTT1610高爐拱頂圖5 熱風(fēng)爐串級(jí)比值控制系統(tǒng)原理圖 此拱頂溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，以拱頂溫度為主被控對象，煤氣流量為副被控對象；主被控參數(shù)的信號(hào)送往主控制器控制煤氣

19、切斷閥的開度，同時(shí)副被控參數(shù)的檢測信號(hào)乘以一定的系數(shù)作比值調(diào)節(jié)器基準(zhǔn)，其輸出值作為助燃風(fēng)流量流量給定，控制助燃風(fēng)支管流量調(diào)節(jié)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)煤氣量和空氣量的最佳配比。 2.2熱風(fēng)爐溫度串級(jí)與比值控制系統(tǒng)方框圖+流量反饋調(diào)節(jié)閥熱風(fēng)爐煤氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥主控制器溫度反饋流量反饋氧含量空燃比圖6 熱風(fēng)爐溫度串級(jí)比值控制系統(tǒng)方框圖3控制器的選擇3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇由于本次設(shè)計(jì)選用的是熱風(fēng)爐，選擇溫度控制器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用對應(yīng)的MJYD-JL-20型單相交流模塊。PLC控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成溫度控制器可識(shí)別的模擬電壓信號(hào)后，根據(jù)不同的電流值，MJYD-JL-20型單相交流模塊輸出相應(yīng)的

20、電壓值從而控制電阻絲兩端的電壓值，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。3.2 微型計(jì)算機(jī)的選擇 工業(yè)中常用的控制器有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和可編程控制器等。與其它幾種控制器相比較，可編程控制器是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與繼電器邏輯控制概念而開發(fā)的一代新型工業(yè)控制器，是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成開關(guān)量的控制，比如，將行程開關(guān)、按鈕開關(guān)、無觸點(diǎn)開關(guān)或敏感元器件作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)可控制電動(dòng)閥門、開關(guān)、電磁閥和步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自

21、動(dòng)化。工業(yè)控制采用PLC，顯示了突出的優(yōu)越性，因它可對用戶提出的生產(chǎn)控制要求和意見，能方便地在現(xiàn)場進(jìn)行程序修改和調(diào)試，使系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。內(nèi)部的軟繼電器使系統(tǒng)在控制中能嚴(yán)格地起到互鎖作用，增加了系統(tǒng)的可靠性，簡化設(shè)備，維修方便。而且，隨著PLC的發(fā)展，在硬件、軟件方面都會(huì)有更先進(jìn)的計(jì)數(shù)出現(xiàn)。針對系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析各控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，采用PLC作為本次設(shè)計(jì)的控制器。具體比較如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)對低端應(yīng)用,PLC具有極大的性能價(jià)格比優(yōu)勢.工控機(jī)的價(jià)格較高,將它用于小型開關(guān)量控制系統(tǒng)以取代繼電器控制,無論是在體積和價(jià)格上都很難接受,可靠性也遠(yuǎn)不如PLC。(2)PLC

22、的可靠性無可比擬,故障停機(jī)時(shí)間最少.基本W(wǎng)indowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)的IPC控制系統(tǒng),在實(shí)時(shí)任務(wù)處理,長期穩(wěn)定運(yùn)行,抗病毒和惡意攻擊等方面還存在較大的問題.IPC控制系統(tǒng)在可靠性和安全性等方面還未獲得廣泛的認(rèn)同。(3)PLC是專為工廠現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的,結(jié)構(gòu)上采取整體密封或插件組合型,對印制板,電源,機(jī)架,插座的制造和安裝,均采取了嚴(yán)密的措施。(4)PLC是使用專門為工業(yè)設(shè)計(jì)的編程語言,這些語言簡單易學(xué).工控機(jī)如果用VB,VC等語言來編程,需要花更多時(shí)間來學(xué)習(xí),編程的效率也沒有PLC高.如果使用Windows操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如PLC,時(shí)間控制精度也較差。(5)與PC機(jī)發(fā)展

23、太快相比,PLC產(chǎn)品可以長期供貨,并提供長期的技術(shù)支持。(6)PLC有龐大的有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員,維護(hù)人員和技術(shù)支持系統(tǒng)。其次，與單片機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.由專業(yè)大公司精心設(shè)計(jì)的硬件和軟件系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、可靠性好。2.編程方法簡單易學(xué)，即使是不熟悉電腦的工程師也可以用它開發(fā)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。3.抗干擾能力強(qiáng)，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場合。4.有豐富的擴(kuò)展模塊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以做成大型復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)。再次，目前在張力、速度、液位特別是溫度等過程控制中，經(jīng)常使用溫控器等專用控制器或用戶自制設(shè)備。這些控制器雖然使用和設(shè)置比較簡單且控制針對性強(qiáng)，但是用途比較單一，控制范圍有限，同時(shí)用戶自身的經(jīng)驗(yàn)技巧不

24、易應(yīng)用到其中。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的處理速度越來越快，功能也越來越豐富。因此，采用PLC進(jìn)行PID控制可以逐漸取代一些傳統(tǒng)的控制手段。就以溫度為例，可以比較出采用PLC的優(yōu)點(diǎn)。通常所使用的溫度控制器適用于單純的單回路溫度控制，而PLC可以實(shí)現(xiàn)多回路的整體控制，相比主要有以下的特點(diǎn)：在多點(diǎn)加熱時(shí)，可以錯(cuò)開加熱導(dǎo)通時(shí)序，避免同時(shí)導(dǎo)通引起的大電流;在控制過程中可以自由簡便地修改設(shè)定值及其它參數(shù)；可以定時(shí)自動(dòng)執(zhí)行所需的控制曲線；可以使用相位控制，降低沖擊電流、峰值電流，減少加熱器頻繁冷熱變化引起的熱壓力；可以同時(shí)控制系統(tǒng)或機(jī)械中的其它動(dòng)作；可以實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警功能等等。最初的PLC主要是用于取代

25、繼電器進(jìn)行順序控制，其后又逐步擴(kuò)充了數(shù)值運(yùn)算、模擬量、電機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信。從發(fā)展趨勢看，PID控制特別是溫度控制將是今后PLC應(yīng)有的功能。綜上，針對系統(tǒng)的工藝機(jī)構(gòu)及要求，最后選擇了小型機(jī)CPM2A系列PLC，具體型號(hào)為CPM2A-40CDR-A，I/O點(diǎn)數(shù)為40，使用電源類型為AC，輸出方式為繼電器輸出型。4元件選擇 4.1溫度傳感器及變送器熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)對溫度要求很高，過高或過低都會(huì)影響煉鋼的效果，因此必須準(zhǔn)確測出各點(diǎn)溫度進(jìn)行適當(dāng)處理。熱電偶能把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，以便于遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換，應(yīng)用廣泛。其測量范圍一般為01800，它具有感溫接觸塊、動(dòng)作響應(yīng)快等特點(diǎn)。熱電阻是輸出型感溫元件，其測

26、量范圍在中低溫度（-200650），價(jià)格便宜，但不能用于點(diǎn)區(qū)域測量，可以用來測量一些低溫且要求精度不高的溫度檢測點(diǎn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要用來測量以下溫度，參數(shù)如下拱頂溫度范圍01700；正常溫度1610；送風(fēng)溫度范圍01700；正常溫度1550；熱電偶是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn)溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱點(diǎn)流。如果熱電偶的工作端與參比端存在溫差時(shí)，顯示儀表就會(huì)批示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度差。本設(shè)計(jì)中測量拱頂溫度選用的熱電偶為WRR-120B，鉑銠30-鉑銠6，基本誤差為±2.5，L=1500mm，I=1000mm。送風(fēng)溫度選用熱電偶為WRR-120B，L

27、=1500mm，I=750mm。溫度測量選用的溫度變送單元已包含在PLC功能模塊中，不需另行選擇。4.2 流量測量儀表 目前常用的流量測量儀表主有孔板、噴嘴及文丘里管等流件及渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等流量計(jì)。此次設(shè)計(jì)中只有煤氣、助燃空氣、冷風(fēng)需測量，可采用渦街、渦輪、孔板等。由于孔板經(jīng)濟(jì)適用，因此采用孔板實(shí)現(xiàn)。 冷風(fēng)流量的測量采用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套，測量范圍為06.0KPa，輸出信號(hào)420mADC,型號(hào)為PMD235KB4D2EB1CGT。煤氣流量及助燃空氣流量的測量采用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套，測量范圍為04.0KPa，輸出信號(hào)為420mADC，型號(hào)為PMD235KB4D2E

28、B1CGT。5熱風(fēng)爐燃燒控制方案 到目前為止，我國的許多熱風(fēng)爐，尤其是中小型熱風(fēng)爐的燃燒控制仍然采用手工控制，有操作人員來調(diào)節(jié)空氣、煤氣的比例來燒爐。整個(gè)燃燒過程都要考操作人員根據(jù)溫度監(jiān)測儀表的顯示結(jié)合自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來判斷這樣燃燒很難達(dá)到最優(yōu)化，而且煤氣的壓力和成分會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生波動(dòng)，難以及時(shí)的調(diào)節(jié)，且導(dǎo)致操作頻繁，加大勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，所以手工控制燃燒的熱風(fēng)爐很難實(shí)現(xiàn)合理的燃燒。如何使熱風(fēng)爐最有燃燒，是熱風(fēng)爐獲得高風(fēng)溫的同時(shí)，消耗能源最少的最重要的屏障。 5.1 熱風(fēng)爐燃燒過程 燃燒過程對應(yīng)著蓄熱室的蓄熱過程，它分為加熱期和拱頂溫度管理期。在加熱期，蓄熱室拱頂?shù)臏囟群艿?，廢氣的熱量大部分被拱頂

29、吸收，拱項(xiàng)的溫度上升迅速，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值后，需要保持拱頂溫度維持在這個(gè)定值，此時(shí)拱頂幾乎不再吸收廢氣的熱量，而廢氣的熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。從廢氣管道排出的廢氣，它的溫度比較低時(shí)，說明熱風(fēng)爐的熱交換效率比較高，反之，熱交換效率比較低。因此，在拱項(xiàng)溫度達(dá)到一定值后，合理控制廢氣的溫度上升速率對熱風(fēng)爐的燃燒顯得尤其重要。5.2 熱風(fēng)爐最有燃燒條件熱風(fēng)爐在燃燒期首要目的就是要向熱風(fēng)爐存儲(chǔ)足夠的熱量，特別對提高風(fēng)溫起重要作用的高溫?zé)嵩矗@就要盡量提高燃料燃燒時(shí)的火焰溫度，另外還要盡量節(jié)約熱風(fēng)爐燃燒期中消耗的燃料，努力提高熱風(fēng)爐自身的熱效率。合理的空燃比是實(shí)現(xiàn)最

30、優(yōu)燃燒的關(guān)鍵。當(dāng)空燃比過大時(shí)，將會(huì)降低燃燒溫度，同時(shí)產(chǎn)生更多的廢氣，帶走更多的熱量，增大熱損失；當(dāng)空燃比過小時(shí)，空氣量不足，煤氣過剩，煤氣不能完全燃燒，不僅浪費(fèi)煤氣，造成熱量損失，也會(huì)降低燃燒溫度同時(shí)還造成還原性氣氛，是耐火材料變質(zhì)。只有空燃比在一定的范圍時(shí)，才能夠達(dá)到最優(yōu)燃燒，獲得最高的燃燒溫度和熱效率。實(shí)際操作中當(dāng)燃?xì)鉃楦郀t煤氣是，合理的空氣過剩系數(shù)在1.051.10之間。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很難保證煤氣的組成部分和各部分的含量都保持不變，這個(gè)時(shí)候即使能保持煤氣流量的穩(wěn)定，但是單位體積的煤氣最優(yōu)燃燒所需的空氣量也會(huì)不同，即實(shí)現(xiàn)最優(yōu)燃燒的空燃比發(fā)生。如果一直采用固定的空燃比進(jìn)行燃燒，則無法適應(yīng)

31、這個(gè)變化，因此需要即使及時(shí)調(diào)整空燃比，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)燃燒，因此要找到一個(gè)兩來反映出最優(yōu)燃燒時(shí)空燃比的變化，可以通過在熱風(fēng)爐煙道中安裝氧化浩殘氧分析儀，測量煙氣中氧含量變化來判斷燃燒是否最優(yōu)。當(dāng)廢氣中氧含量在0.20.8%范圍內(nèi)，一般熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)較好，當(dāng)廢氣氧含量大時(shí)，則為空氣過剩，可適當(dāng)減少空燃比，當(dāng)廢氣氧含量小時(shí)，則為空氣量不走，可相應(yīng)增大空燃比。5.3 煙氣含氧量串級(jí)比例控制煙氣含氧量串級(jí)比例控制法師利用熱風(fēng)爐煙道中的殘氧量來控制熱風(fēng)爐燃燒的一中方法，是以比例調(diào)節(jié)作為粗調(diào)，以煙氣中含氧量反饋控制作為細(xì)調(diào)，對空氣、煤氣量進(jìn)行控制，使煙氣殘氧量處于或接近于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先約定好的目標(biāo)值，達(dá)到燃燒最充分利用。其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。燃燒控制燃燒對象空氣流量控制空氣流量對象煤氣流量空燃比+圖7 煙氣含氧量串級(jí)比例控制結(jié)構(gòu)圖在上圖中燃燒控制模塊的輸入時(shí)煙氣氧含量設(shè)定值和煙氣氧含量差值，輸出是空燃比，具體控制過程如下：當(dāng)熱風(fēng)爐煙氣中殘氧的體積分?jǐn)?shù)在0.20.8%范圍內(nèi)，一般熱風(fēng)爐燃燒較好，所以可以選取0.6%作為控制目標(biāo)，并且把0.40.8%最為