過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)1

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題 目：步進(jìn)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：2012-1指導(dǎo)教師： 2015 年 9 月 8 日目錄第一章 緒論11.1 步進(jìn)式加熱爐的背景及意義11.2 步進(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu)11.3步進(jìn)式加熱爐工藝流程2第二章 控制方案總體設(shè)計(jì)32.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)3第三章 步進(jìn)式加熱爐過(guò)程控制方案設(shè)計(jì)43.1爐膛溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)的選擇43.1.2 主、副被控參數(shù)的選取53.1.3 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇63.1.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇63.1.5 控制系統(tǒng)的工作原理73.1.6 溫度傳

2、感器選型83.1.7 控制器選型83.1.8 流量計(jì)選型93.1.9 執(zhí)行器的選擇10第四章 總結(jié)10參考文獻(xiàn)2內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文第一章 緒論1.1 步進(jìn)式加熱爐的背景及意義 近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，制造行業(yè)的進(jìn)步更是一日千里，在這樣的大環(huán)境下，各行各業(yè)，如汽車、輪船、鐵路、建筑、機(jī)械設(shè)備制造等對(duì)鋼材的需求不斷增大，為了滿足這巨大的市場(chǎng)需求，不斷有新的鋼鐵生產(chǎn)線被建設(shè)出來(lái)，而在整個(gè)鋼材的生產(chǎn)加工的過(guò)程中，加熱爐扮演著一個(gè)重要且不可缺少的角色，它的作用是對(duì)冷熱鋼坯進(jìn)行加熱，以便后面的軋鋼得以順利的進(jìn)行，而待軋鋼坯的溫度和溫度的均勻與否對(duì)軋鋼的質(zhì)量有著重要的影響。加熱爐是整個(gè)鋼材的生產(chǎn)加

3、工中的重要一環(huán)，同時(shí)，也是能耗比較多的一環(huán)，一個(gè)性能優(yōu)良的加熱爐控制系統(tǒng)不僅對(duì)鋼材的質(zhì)量有著重要的影響，同時(shí)也能節(jié)約大量能源，提高能源的利用率，減少環(huán)境的污染，為社會(huì)和諧發(fā)展作出貢獻(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)性能優(yōu)良的加熱爐控制系統(tǒng)具有很多實(shí)際意義：（1） 提高生產(chǎn)率，增加效益（2） 安全生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)（3） 節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境（4） 對(duì)新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有促進(jìn)作用1.2 步進(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu) 軋鋼工業(yè)的加熱爐型一般有推鋼式爐和步進(jìn)式爐兩種，但推鋼式爐有長(zhǎng)度短、產(chǎn)量低、燒損大，操作不當(dāng)時(shí)會(huì)粘鋼造成生產(chǎn)上的問(wèn)題，鋼坯斷面溫差較大，鋼坯背面滑軌擦痕多，難以實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點(diǎn)，而步

4、進(jìn)梁式爐是靠專用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)，在爐內(nèi)做矩形運(yùn)動(dòng)來(lái)移送鋼坯，鋼坯之間可以留出空隙，鋼坯和步進(jìn)梁之間沒(méi)有摩擦，出爐鋼坯通過(guò)托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，又有適合加熱斷面較大的坯料，鋼坯加熱斷面溫差小、加熱均勻以及可出空爐料，爐長(zhǎng)不受限制，產(chǎn)量高、生產(chǎn)操作靈活等特點(diǎn)，其生產(chǎn)符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無(wú)公害以及生產(chǎn)操作自動(dòng)化的工藝要求川。為了對(duì)鋼坯實(shí)現(xiàn)有效的加熱，步進(jìn)式加熱爐沿爐長(zhǎng)方向分為:預(yù)熱段、加熱段和均熱段，如圖1.1所示。有的步進(jìn)式加熱爐加熱段分為一加熱段和二加熱段。預(yù)熱段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可以充分利用煙氣來(lái)預(yù)熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。鋼坯在加熱初期會(huì)因溫差過(guò)大而產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此要求控制升

5、溫速度。鋼坯經(jīng)過(guò)預(yù)熱段預(yù)熱后進(jìn)入加熱段，加熱段是加熱爐中最重要的段，鋼坯在加熱段被加熱的程度決定了鋼坯是否能被燒透、爐口能否正常出鋼。均熱段主要將鋼坯均勻加熱到規(guī)定的出鋼溫度。若均熱段溫度過(guò)高，將出現(xiàn)鋼體打滑現(xiàn)象溫度過(guò)低，則不能出鋼。三段的溫度互相禍合，互相影響。圖1.1 三段步進(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 步進(jìn)式加熱爐的熱工制度主要包括:溫度制度、燃料燃燒制度和爐壓制度等，為了保證燃燒的高效進(jìn)行，一般采用雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)和帶動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臓t膛壓力控制系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)爐膛溫度和爐膛壓力進(jìn)行控制。在步進(jìn)式加熱爐里，鋼坯的移動(dòng)是通過(guò)固定梁和載有鋼坯的移動(dòng)梁進(jìn)行的，在固定梁上的鋼坯，通過(guò)移動(dòng)梁反復(fù)地上

6、升、前進(jìn)、下降、后退的矩形運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程使鋼坯在爐內(nèi)的梁上發(fā)生滑動(dòng)就前進(jìn)一步。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)分別是獨(dú)立機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。支撐在輥?zhàn)由系牟竭M(jìn)梁的前進(jìn)、后退多采用油壓傳動(dòng)方式。上下運(yùn)動(dòng)采用各種方式，如采用油壓或采用電動(dòng)。爐子裝鋼要保持規(guī)定的間隔，用推鋼機(jī)或輸送機(jī)裝入爐內(nèi)。加熱好的鋼坯出鋼采用出鋼裝置送入下一步工序。1.3步進(jìn)式加熱爐工藝流程在坯料進(jìn)入到加熱爐后，它首先要經(jīng)過(guò)預(yù)熱段進(jìn)行緩慢的升溫，預(yù)熱段溫度控制在850-950，然后再進(jìn)入加熱段進(jìn)行強(qiáng)化加熱使鋼坯的平均溫度達(dá)到軋制溫度，加熱段溫度在1250左右，最后鋼坯進(jìn)入到均熱段進(jìn)行均熱，使鋼坯內(nèi)外溫度趨于一致，均熱段溫度在125

7、0-1300左右。燒嘴分布在加熱段、均熱段的側(cè)面爐墻的上下部，鋼坯加熱的生產(chǎn)過(guò)程如下：加熱爐的步進(jìn)梁伸到鋼坯底部的輥道之間，步進(jìn)梁上升，將鋼坯抬起一定高度，前進(jìn)一段距離后停止，下降將鋼坯放到固定梁上，步進(jìn)梁繼續(xù)下降脫離鋼坯，到位后再后退回到下一原位，然后重復(fù)上述動(dòng)作，如此循環(huán)往復(fù)，使得鋼坯步進(jìn)式前進(jìn)，循環(huán)經(jīng)過(guò)加熱爐的各段，最后把加熱好的鋼坯送到出鋼端的出鋼懸臂輥道上，然后由該組輥道將其運(yùn)送出爐，經(jīng)過(guò)高壓水除鱗處理后傳送到軋機(jī)進(jìn)行軋制 。工藝過(guò)程如圖1.2所示：裝料機(jī)口裝料輥道連鑄出坯輥道連鑄連鑄出坯焜道連鑄出坯焜道均 熱 段加 熱 段預(yù) 熱 段圖1.2  工藝過(guò)程

8、第二章 控制方案總體設(shè)計(jì)2.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)步進(jìn)式爐膛溫度控制采用雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)。雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)是爐溫與燃料流量和空氣流量構(gòu)成并列串級(jí)控制系統(tǒng)，然后在空氣流量調(diào)節(jié)回路和燃料流量調(diào)節(jié)回路中各自有一個(gè)高值選擇器和低值選擇器及一些運(yùn)算單元。雙交叉限幅控制見(jiàn)圖 1.3。 圖1.3雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)第三章 步進(jìn)式加熱爐過(guò)程控制方案設(shè)計(jì)3.1爐膛溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1 爐膛溫度控制系統(tǒng)的選擇爐膛溫度的控制有很多種其中包括單回路控制、串級(jí)控制、串級(jí)單交叉限幅控制、串級(jí)雙交叉限幅控制、帶氧量串級(jí)雙交叉限幅控制。對(duì)于單回路控制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制精度低對(duì)于鋼鐵廠這樣復(fù)雜的環(huán)境，

9、干擾因素比較的多，往往控制達(dá)不到預(yù)期的要求。對(duì)于串級(jí)控制，雖然與單回路控制系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)越性，但也存在一些問(wèn)題，在生產(chǎn)實(shí)際中加熱爐中進(jìn)入的空氣量與煤氣量并不是恒定不變的，而是變化的，然而根據(jù)燃燒的化學(xué)公式要使燃燒熱值達(dá)到最大，資源利用最大，就需要使空氣量和煤氣量成一定的比例，但該系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)此要求。單交叉限幅控制可以保證在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空氣量比燃料量富裕，不會(huì)產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，但由于對(duì)空氣量的上限沒(méi)有限制，使排煙熱損失較大，鋼坯的氧化燒損嚴(yán)重。 雙交叉限幅控制是以爐溫調(diào)節(jié)回路為主環(huán)，燃料流量和空氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，構(gòu)成串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng)。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)各參數(shù)變化，

10、根據(jù)實(shí)測(cè)空氣流量對(duì)燃料流量進(jìn)行上、下限幅，而且還根據(jù)實(shí)測(cè)燃料流量對(duì)空氣流量進(jìn)行上、下限幅。在負(fù)荷增加或減小時(shí)，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動(dòng)態(tài)情況下，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比。雙交叉算法在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)能夠獲得合理的空燃比，但響應(yīng)速度慢。改進(jìn)型雙交叉(偏差比例型)控制算法是雙交叉系統(tǒng)在空燃比特性與響應(yīng)速度上的折中處理。交叉限幅控制的特點(diǎn)是采用一個(gè)最大選擇器和一個(gè)最小選擇器，其目的是保證當(dāng)爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時(shí)空氣先行;而當(dāng)爐溫高于設(shè)定值，需要減少燃料流量時(shí)燃料先行，以防止冒黑煙。該方法己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過(guò)

11、程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。對(duì)于帶氧量串級(jí)雙交叉限幅控制,殘氧檢測(cè)方法被用來(lái)參與閉環(huán)控制，然而用于測(cè)量煙氣中含氧量的氧化錯(cuò)探頭進(jìn)口的產(chǎn)品價(jià)格太貴，國(guó)產(chǎn)的使用壽命太短，因此，該控制方法的應(yīng)用在一定程度上受到了制約。 目前，在上述眾多爐溫控制方式中，雙交叉限幅控制策略是加熱爐燃燒控制中應(yīng)用最多亦是比較成熟的控制理論，這種控制算法對(duì)工藝過(guò)程比較穩(wěn)定、溫度設(shè)定值“不變”的控制過(guò)程可獲得很好的控制效果，因此步進(jìn)式爐膛溫度控制采用雙交叉限幅燃燒控制，如圖1.4為串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)的爐膛串級(jí)溫度控制系統(tǒng)。圖1.4 爐膛溫度控制系統(tǒng)框圖3.1.2 主、副被控參數(shù)的選取 由圖1.4可知本系統(tǒng)主

12、要是控制爐膛溫度，所以選取爐膛溫度為主被控參數(shù)，而影響爐溫的主要干擾是煤氣和空氣的流量比，所以選取副被控參數(shù)為煤氣和空氣流量比。3.1.3 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 （1） 主回路（定值控制）在串級(jí)系統(tǒng)中主被控參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要操作指標(biāo)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)安全，藝上要求比較嚴(yán)格。一般不允許有靜差。因此，主調(diào)節(jié)器通常都選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。但該主回路控制參數(shù)為溫度控制通道容量滯后大，因此選擇PID調(diào)節(jié)規(guī)律。（2） 副回路（隨動(dòng)控制）串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)置副被控參數(shù)的目的在于保證和提高主被控參數(shù)的控制質(zhì)量，因而允許它一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。在干擾作用下，為了維持主被控參數(shù)的不變，副被

13、控參數(shù)就要變化。因此，一般情況下，副調(diào)節(jié)器只選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律即可。但是，當(dāng)副回路流量為副被控參數(shù)時(shí)，由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)噪聲較敏感，為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣，比例控制作用偏弱，為此引入積分作用，采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。3.1.4 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。（1） 副調(diào)節(jié)器正、反作用的方式選擇 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全和節(jié)約能源的原則，防止?fàn)t膛溫度過(guò)高影響產(chǎn)品質(zhì)量以及煤氣的浪費(fèi)，調(diào)節(jié)閥采用氣開式，故為正為正，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，流量增大，所以副對(duì)象為正，流量變送

14、器的通常為正，為了使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，故副調(diào)節(jié)器的為正，選用反作用控制器。（2） 主調(diào)節(jié)器正、反作用的方式選擇 副回路為正，變送器正，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，溫度升高，故為正，同樣為了使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，所以主控制器的為正，選用反作用調(diào)節(jié)器。3.1.5 控制系統(tǒng)的工作原理 加熱爐雙交叉限幅控制系統(tǒng)由八個(gè)運(yùn)算單元組成，即高值選擇器HS1、HS2,低值選擇器LS1、LS2，正向偏置單元K1、K4,負(fù)向偏置單元-K2、-K3,原理圖如下：圖1.5 雙交叉限幅控制原理圖 經(jīng)流量檢測(cè)得到的空氣流量值F2與負(fù)向偏置單元-K3計(jì)算出燃料流量下限值B1，與正向偏置單元K1

15、計(jì)算出燃料流量上限值Cl；經(jīng)流量檢測(cè)得到的燃料流量值Fl與負(fù)向偏置單元-K2計(jì)算出空氣流量下限值C2，與正向偏置單元K4計(jì)算出空氣流量上限值B2。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)B1AC1，且C2AB2，實(shí)際燃料流量和空氣流量均由A值直接給出。當(dāng)負(fù)荷急劇下降時(shí)。A值也跟著下降，A值與B1值在高值選擇器HS1比較后，取大信號(hào)B1，然后B1與信號(hào)C1在低值選擇器LS1較后，取小信號(hào)B1作為燃料流量設(shè)定值，即燃料量取下限值，同時(shí)A值與信號(hào)B2在低值選擇器LS2比較后選擇其中的小信號(hào)A，然后A與C2在高值選擇器HS2比較后，取大信號(hào)C2作為空氣流量設(shè)定值，從而限制了負(fù)荷急劇下降時(shí)剩余空氣系數(shù)的上限值，做到在負(fù)荷急劇下降時(shí)，

16、燃料量先減小，空氣量隨之減小。同理，當(dāng)負(fù)荷劇烈上升時(shí)，空氣流量先增加，燃料量最值增加并限制了燃量流量增加的上限值。雙交叉限幅控制能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中始終保持空燃比在最佳范圍內(nèi)，無(wú)論負(fù)荷如何變化，剩余空氣系數(shù)總能控制在確定的范圍內(nèi)。3.1.6 溫度傳感器選型由于所在工藝上步進(jìn)式加熱爐加熱段溫度大致要求控制在1250左右，而S型熱電偶的測(cè)量范圍為0-1600，精度等級(jí)1、2級(jí)滿足工業(yè)生產(chǎn)，S型熱電偶在正常長(zhǎng)期使用溫度為800-1300左右時(shí)測(cè)量的精度最高，能夠滿足所需要求，所以選WRP130型鉑銠熱電偶，如圖1.6 。 圖1.6 S型熱電偶 3.1.7 控制器選型 針對(duì)本設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)上查閱資料選擇ta

17、isee牌PID數(shù)顯溫度控制器溫控器,如圖1.7所示。 圖1.7 PID數(shù)顯溫度控制器主要技術(shù)指標(biāo)： 測(cè)量對(duì)象溫度溫度范圍-199.91900（）測(cè)溫誤差0.01（）開孔尺寸68*68（mm）安裝型式孔位安裝輸出信號(hào)420（mA）工作電壓AC85265（V）外形尺寸72*72（mm）重量05（Kg）輸出模式（可選購(gòu)）RELAY/SSR/420mA/15V/010V/三線式比例閥門3.1.8 流量計(jì)選型 根據(jù)工藝要求選擇電磁流量計(jì)HQ970-DN65作為流量計(jì)的選型。原因電磁流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：1)  測(cè)量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和導(dǎo)電率變化的影響。  

18、60;2) 測(cè)量管內(nèi)無(wú)阻流部件，無(wú)壓損，直管段要求低。對(duì)漿液測(cè)量有獨(dú)特的適應(yīng)性。  3) 合理選用電極和襯里材料，即具有良好的耐腐蝕性和耐磨損性。   4) 全數(shù)字量數(shù)量，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量可靠，精度高，流量測(cè)量范圍可達(dá)150:1  5) 超低EMI開關(guān)電源，適用電源電壓變化范圍大，抗EMI性能好。   6) 采用16位嵌入式微處理器，運(yùn)算速度快，精度高，可編程頻率低頻矩形波礪磁，提高了流量測(cè)量的穩(wěn)定性，功耗低。   

19、;7) 采用SMD器件和表面貼裝（SMT）技術(shù)，電路可靠性高。   8) 管道內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)阻流部件，測(cè)量中幾乎沒(méi)有附加壓力損失。   9) 在現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要在線修改量程。   10) 測(cè)量結(jié)果與流速分布，流體壓力，溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無(wú)關(guān)。  11) 高清晰度背光LCD顯示，全中文菜單操作，使用方便，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂。  3.1.9 執(zhí)行器的選擇本設(shè)計(jì)主要采用三通快裝氣動(dòng)球閥 T型L型不銹鋼304 AT氣動(dòng)

20、執(zhí)行器，為了安全考慮，采用氣開式。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又分為薄膜式和活塞式，它們都是以壓縮空氣為能源，具有控制性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、維修方便、防火防爆和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，并可以方便地與氣動(dòng)儀表配套使用。第四章 總結(jié)經(jīng)過(guò)一周的過(guò)程控制的設(shè)計(jì)收獲了許多，發(fā)現(xiàn)了實(shí)際中與我們做書后的過(guò)程控制設(shè)計(jì)習(xí)題是兩個(gè)概念，實(shí)際中設(shè)計(jì)的是需要真正解決實(shí)際問(wèn)題的，而習(xí)題不一樣，雖然將題目解出來(lái)但是否符合實(shí)際還有待商榷。一個(gè)星期的設(shè)計(jì)，時(shí)間不是很長(zhǎng)，但也不是很短，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，不僅對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的了解，還學(xué)會(huì)了課程上學(xué)不到的知識(shí)，例如word的使用、圖像的編輯、截圖工具的使用，更加體會(huì)到那些碩士、博士研究問(wèn)題和解決問(wèn)題的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)。本次過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雖題目是設(shè)計(jì)，但真正不過(guò)是學(xué)習(xí)借鑒別人的成果，通過(guò)自己的體會(huì)和理解設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，暫且稱為設(shè)計(jì)吧！針對(duì)本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，還存在著一些的不足，當(dāng)系統(tǒng)處于耦合狀態(tài)下時(shí)，由溫度調(diào)節(jié)器的負(fù)荷變動(dòng)指令被旁路，由于耦合系統(tǒng)閉環(huán)的性質(zhì)，空氣和燃料流量變