過程控制系統(tǒng)課程設

1、學生學號101844048實驗成績過 程 控 制 工 程課程設計課程設計名稱 ：步進式加熱爐系統(tǒng)控制 2013 年 12 月至2014 年 1 月 專 業(yè) ：測控技術與儀器 班 級 ：儀 1041 學生姓名 ：周 林 海 指導老師 ：聶 建 華 摘要：本文通過了解不步進式加熱爐的生產(chǎn)工藝及影響因素，確定了燃料燃燒控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和爐膛壓力控制系統(tǒng)的控制方案，并對控制規(guī)律及參數(shù)進行選擇，基于過程控制理論和S7-300進行控制設計。主要介紹關于組態(tài)畫面的設計和仿真，通過組態(tài)畫面的顯示可以清楚地觀察和記錄不同變量的數(shù)據(jù)情況。對現(xiàn)場的設備進行模擬，方便操作人員的工作，實現(xiàn)了加熱爐安全、高效的運行

2、。 任務:組態(tài)設計和仿真。目錄 一、步進式加熱爐工藝流程及控制簡介 3二、PLC系統(tǒng)硬件選型與系統(tǒng)連接 7三、煤氣/空氣流量控制、加熱爐的爐溫控制、爐壓控制技術方案 3.1煤氣/空氣流量控制系統(tǒng)設計 153.2爐溫的控制系統(tǒng)設計 163.3爐膛壓力的控制系統(tǒng)設計 19四、步進式加熱爐控制系統(tǒng)的軟件設計4.1 軟件系統(tǒng)介紹204.2 步進式加熱爐控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示畫面224.3 系統(tǒng)流程圖23五、附錄 26 附錄A 附錄B一、步進式加熱爐工藝流程步進式加熱爐簡介 步進式加熱爐 步進式加熱爐是一種靠爐底或水冷金屬梁的上升、前進、下降、后退的動作把料坯一步一步地移送前進的連續(xù)加熱爐。爐子有固定爐底和

3、步進爐底，或者有固定梁和步進梁。前者叫做步進底式爐，后者叫做步進梁式爐。軋鋼用加熱爐的步進梁通常由水冷管組成。步進梁式爐可對料坯實現(xiàn)上下雙面加熱。 步進式加熱爐特點和推送式連續(xù)加熱爐相比，步進式加熱爐具有以下優(yōu)點：1. 可以加熱各種形狀相比的料坯，特別適合推送式爐不便加熱的大板坯和異型坯。2. 生產(chǎn)能力大，爐底強度可以達到800-100kg/m2 h,與推送式爐相比，加熱等量的料坯，爐子長度可以縮短10%-15%。3. 爐子長度不受推送比的限制，不會產(chǎn)生拱料、粘連現(xiàn)象。4. 爐子的靈活性大，在爐長不變的情況下，通過改變料坯之間的距離，就可以改變爐內(nèi)料塊的數(shù)目，適應產(chǎn)量變化的需要。而且步進周期也

4、是可調(diào)的，如果加大每一周期前進的步距，就意味著料坯在爐內(nèi)的時間縮短，從而可以適應不同金屬加熱要求。5. 單面加熱的步進式爐沒有水管黑印，不需要均熱床。兩面加熱的情況比較復雜，對黑印的影響要看水管絕熱良好與否而定。6. 由于坯料不在爐底滑道上滑動，料坯的下面不會有劃痕。推送式爐由于推力震動，使滑道及絕熱材料經(jīng)常損壞，而步進式爐不需要這些維修費用。7. 軋機故障或停軋時，能踏步或?qū)⑽锪贤顺鰻t膛，以免料坯長期停留爐內(nèi)造成氧化和脫碳。8. 可以準確計算和控制加熱時間，便于實現(xiàn)過程自動化。步進式加熱爐存在的缺點：和同樣生產(chǎn)能力的推送式爐相比，造價高15%-20%；其次步進式爐（兩面加熱的）爐底支撐水管較

5、多，水耗量和熱耗量超過同樣生產(chǎn)能力的推送式爐。經(jīng)數(shù)據(jù)表明，在同樣小時產(chǎn)量下，步進式爐的熱耗量比推送式爐高160KJ。步進式加熱爐的結構步進式加熱爐結構圖圖（1）(2)爐底結構：從爐子結構看，步進式加熱爐分為上加熱步進式爐、上下加熱步進式爐、雙步進梁步進式爐等。上加熱爐只有上部有加熱裝置，固定梁和移動梁是耐熱金屬制作的，固定爐底是耐或材料砌筑的。這種爐子幾乎沒有水冷結構，所以熱耗較低，只能單面加熱，用于較薄鋼坯的加熱。與推進式加熱爐一樣，為了滿足加大鋼坯的需要，步進式加熱爐也發(fā)展了以下的加熱方式，出現(xiàn)了上下加熱的步進式加熱爐。結構圖如圖（2）圖(2) 步進式加熱爐爐底結構. 此爐底是架空的，可以

6、實現(xiàn)雙面加熱，鋼坯沒有緊靠在一起，也可以看成是四面受熱。下加熱一般只能用側(cè)燒，上加熱可以用軸向端燒嘴，也可以用側(cè)燒嘴或爐頂端燒嘴供熱。考慮到軸向燒嘴火焰沿長度方向的溫度分布和各段溫度的控制，某些大型步進式爐有明顯的爐頂壓下，而下加熱段設有端墻，以免各段溫度之間相互干擾。因此這樣的步進式爐子長度溫度調(diào)節(jié)有更大的靈活性。如果爐子寬度較大，火焰長度又較短時，可以在爐頂上安裝平焰燒嘴。(3)傳動機構：步進式加熱爐的傳動機構分為機械傳動和液壓傳動，目前廣泛應用的是液壓傳動方式。此種傳動方式運行穩(wěn)定、結構簡單、運行速度的控制比較準確，占地面積小、設備質(zhì)量小、比機械傳動有明顯的優(yōu)點。由于步進式爐很長，上下兩

7、面溫度差過大，線膨脹的不同會造成大量的彎曲和隆起。為解決這個問題，目前一些爐子將大梁分成若干段，各段間留有一定的膨脹間隙，變形雖不能避免，但彎曲的程度大為減輕，不致影響爐子正常工作。(4)密封結構：為了保證步進梁正常無阻礙的運動，在活動梁和移動梁之間要有一定的間隙，對步進梁來說則在梁支撐穿過爐底部分有保證它運動的足夠大的開孔。這些縫隙或開孔的存在雖然是必要的，但也容易吸入冷風，影響加熱質(zhì)量和降低燃料利用率，也可能造成爐氣外逸，危害爐底下部設備，對軋鋼用步進爐則必須考慮密封問題。目前有滑板式密封和水封兩種密封形式，前者密封較差，水封密封較好。步進式加熱爐工藝流程一般情況下，加熱爐沿爐膛長度方向分

8、為預熱段、加熱段和均熱段。進料端為預熱段，爐氣溫度較低，其作用在于充分利用爐氣熱量，給進爐板坯預熱到一定溫度，以提高爐子的熱效率。加熱段為主要供熱段，爐氣溫度較高，以利于實現(xiàn)板坯的快速加熱，保證板坯加熱到要求的目標溫度。均熱段位于出料端，爐氣溫度與金屬料溫度差別很小，保證出爐料坯的斷面溫度均勻。一般用于加熱小斷面料坯的爐子只有預熱段和加熱段。鋼坯加熱是熱軋生產(chǎn)工藝過程中的重要工序。其生產(chǎn)過程如下：對于步進式加熱爐，鋼坯的移動是通過固定梁和移動梁的周期運動來實現(xiàn)的。鋼坯位于固定梁上，移動梁反復地進行上升、前進、下降、后退的矩形運動，移動梁的每一個循環(huán)運動帶動鋼坯在爐前進一步，而且保證鋼坯沒有任何

9、滑動。傳動機構的上下運動和前后運動分別是由獨立的機構完成的。步進梁的進后運動多采用油壓傳動方式，上下運動可以采用油壓傳動也可以采用電動方式。鋼坯被送到加熱爐外的上料輥道上，經(jīng)過測長后，從裝料爐門進入爐內(nèi)，然后在爐內(nèi)懸臂輥道上進行對中定位，通過移動梁步進機械的周期運動，一步步地前進。當鋼坯被輸送到出爐位置，且已達到所要求的出爐溫度，當接到允許出鋼信號時，鋼坯加熱結束，由出料懸臂輥道從出料爐門送出，送往軋機進行軋制。固定梁水平面3214下降上升固定梁移動梁圖（3）步進結構步進行程如圖（3） 連鑄出坯焜道裝料焜道裝料機口爐內(nèi)固定梁預熱段加熱段均熱段出料焜道圖(4) 工藝過程如圖（4）二、 PLC系統(tǒng)

10、硬件選型與系統(tǒng)連接2.1 控制器的選擇控制器是常規(guī)儀表控制系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)。擔負著整個控制系統(tǒng)的“指揮”工作，正確地選用控制器，可以大大改善和提高整個過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。該控制系統(tǒng)包含流量、溫度和壓力三種控制器，所以必須根據(jù)實際的工藝要求選擇合適的控制器。2.1.1 控制規(guī)律的選擇控制器主要有三種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例積分微分控制規(guī)律，分別簡寫為P、PI和PID。比例控制規(guī)律（P）的特點是：控制器的輸出信號與輸入信號(偏差)成比例，即閥門的開度變化與偏差變化有對應關系。它能較快地克服擾動的影響，過渡過程時間短。但是，純比例控制器在過渡過程結束后仍然存在余差，而且負荷

11、變化越大，余差也越大。只具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器。比例控制規(guī)律是最基本的控制規(guī)律，它既可以單獨采用，又可以與其他控制規(guī)律結合在一起用，具有結構簡單，整定方便的優(yōu)點。比例控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控變量允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。例如，一般的精餾塔塔底液面、貯槽液面、冷凝器液面和次要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)，均可采用比例控制器。比例積分控制規(guī)律(PI)的特點是：控制器的輸出不僅與偏差的大小成比例，而且與偏差存在一定的函數(shù)關系。具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為比例積分控制器，比例積分控制規(guī)律是一種應用最為廣泛的控制規(guī)律。它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化

12、不大、被控變量又不允許有余差的場合。例如，流量控制系統(tǒng)、管道壓力控制系統(tǒng)和某些要求嚴格的液位控制系統(tǒng)普遍采用比例積分控制器。比例積分微分控制規(guī)律(PID)的特點是：在增加了微分作用后，控制器的輸出不僅與偏差的大小和存在的時間有關，而且還與偏差的變化速度成比例，這就可以對系統(tǒng)小的容量滯后起到超前補償作用，并且對積分作用造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定性也有所改善。把具有比例、積分、微分控制規(guī)律的控制器稱為PID控制器，又稱三作用控制器，比例積分微分控制規(guī)律綜合了多種控制規(guī)律的優(yōu)點，是一種比較理想的控制規(guī)律。適合于調(diào)節(jié)通道時間或容量滯后較大、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。目前用較多的是溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)工

13、藝的要求和控制規(guī)律的特點，從串級控制系統(tǒng)的結構看,主環(huán)是一個定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用。溫度是主變量，為了主變量的穩(wěn)定，主控制器必須具有積分作用，它的控制通道時間或容量滯后較大、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高，在這種情況下，為保證主變量的控制精度，故溫度控制器應選用比例積分微分控制規(guī)律(PID)。然而副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速、精確地跟隨主控制器的輸出而變化，副控器最好不帶積分作用，因為積分作用會使跟蹤變得緩慢，當選流量作為副參數(shù)時，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因為當副控制器有微分作

14、用時，一旦主控制器的輸出稍有變化，控制閥就將大幅度地變化，這對控制也是不利的。只有當副對象容量滯后較大時，可適當加一點微分作用。所以在串級控制系統(tǒng)中的流量控制器即副控制器需要采用比例積分控制規(guī)律（PI）。在比值控制系統(tǒng)中流量的控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控變量又不允許有余差，所以流量控制器應選用比例積分控制規(guī)律(PI)。在爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大，控制要求不高，被控變量只要控制在微正壓即可，允許它在一定范圍內(nèi)有余差，所以壓力控制器應選用比例控制規(guī)律（P）。2.1.2 控制器的正反作用選擇工業(yè)控制器一般都具有正作用和反作用兩種工作方式。當控制器的輸出信號隨

15、著被控變量的增大而增加時，控制器工作于正作用方式；當控制器輸出信號隨著被控變量的增大而減小時，控制器工作于反作用方式?？刂破髟O置正、反作用的目的是為了適應不同被控對象，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋控制的需要。因為在一個控制系統(tǒng)中，除了控制器外，其它各個環(huán)節(jié)(被控對象、測量變送據(jù)、執(zhí)行器)都有各自的作用方向。如果各環(huán)節(jié)組合不當，使系統(tǒng)總的作用方向構成了正反饋，則控制系統(tǒng)不僅起不到控制作用，反而破壞了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。又因為被控對象、測量變送器和執(zhí)行器的作用方向是不能隨意選定的，所以，要想使控制系統(tǒng)具有閉環(huán)負反饋特征，只有通過正確地選擇控制器的正、反作用來實現(xiàn)。假設對控制系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)作如下規(guī)定：1控制器工作于正

16、作用方式為“”，工作于反作用方式為“十”；2執(zhí)行器的閥門開度隨控制器輸出信號的增加而增大(氣開式)為“十”；隨控制器輸出信號的增加而減小(氣關式)為“一”；3被控變量隨操縱變量的增加而增加為“十”，隨操縱變量的增加而減小為“一”；4測量變送器放大倍數(shù)的符號肯定為 “十”。判別準則：只要控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)規(guī)定符號的乘積為正，則該系統(tǒng)是一負反饋系統(tǒng)。即負反饋系統(tǒng)要滿足判別式：(控制器)*(執(zhí)行器)*(被控對象)*(變送器)(十) 。 串級控制系統(tǒng)中主、副控制器正、反作用的選擇順序應該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關?？紤]問題的出發(fā)點仍與單回路控制系統(tǒng)相同，即為了

17、使副回路構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應為“正”。因此，只要知道了控制閥、副對象和副變送器的放大倍數(shù)符號，就可以很容易地確定副控制器的正、反作用，副控制器正、反作用確定之后，就可以確定主控制器的正、反作用。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定。主環(huán)內(nèi)包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器。對于副回路可將它視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待。因為副回路是一隨動系統(tǒng)，對它的要求是：副變量要能快捷地跟蹤給定值(即主控制器輸出)的變化而變化。因此，整個副回路可視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)看待。這樣，只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大

18、倍數(shù)的符號為“正”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。實際上，主變送器放大倍數(shù)符號一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)，因此，主控制器的正、反作用實際上只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。當主對象放大倍數(shù)符號為“正”時，主控制器應選“反”作用；反之，當主對象放大倍數(shù)符號為“負”時，主控制器應選“正”作用。根據(jù)以上判別準則，可以方便地確定溫度控制器、流量控制器和壓力控制器均為反作用控制器。2.2 PLC選型PLC(Programmable Logic Controller)是可編程序控制器的英文縮寫, 它是綜合了計算機技術、自動化技術與繼電器邏輯控制概念而開發(fā)的一代新型

19、工業(yè)控制器,是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成開關量的控制, 比如,將行程開關、按鈕開關、無觸點開關或敏感元器作為輸入信號, 輸出信號可控制電動閥門、開關、電磁閥和步進電機等執(zhí)行機構。它采用可編程的存儲器, 在其內(nèi)部存儲, 執(zhí)行邏輯運算, 順序控制、定時計數(shù)和算術運算等操作的指令, 通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化6。PLC及其有關的外圍設備都應該以易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。它的主要功能有：在線數(shù)據(jù)采集和輸出；控制功能，包括條件控制、順序控制、邏輯控制、定時、計數(shù)等；數(shù)據(jù)處理功能，既能進行基本數(shù)學、邏輯運

20、算，還可通過編程實現(xiàn)復雜的控制算法；輸入/輸出信號調(diào)制功能；通信、聯(lián)網(wǎng)功能，可進行遠程控制、多臺PLC間聯(lián)網(wǎng)通信、外部器件與PLC的信號處理單元之間實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換等；支持人機界面功能；編程、調(diào)試等。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC的特點是：可靠性高，抗干擾能力強；配套齊全，功能完善，適用性強；操作簡單，易學易用，深受工程技術人員歡迎；系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便、易于改造；體積小、質(zhì)量輕、功耗低。 2.2.1 S7-300簡介S7-300

21、是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其模塊化結構、易于實現(xiàn)分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領域中，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。S7-300系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。S7-300包括集成的24V電源、高速脈沖輸出、通信口、模擬電位器、EEPROM 存儲器模塊、電池模塊、高速計數(shù)器以及CPU模塊等。該系統(tǒng)中配置了模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)模塊、監(jiān)控模塊, 所有輸入/輸出模塊，全部采

22、用光電隔離, 大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力。S7-300系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。2.2.2 S7-300的模塊選擇本設計選用西門子公司S7-300系列PLC中的過程控制器CPU 224作為整個加熱爐控制系統(tǒng)的核心。本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模

23、擬量I/O 點。I/O端子排可以很容易地整體拆卸。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU 224具有1個RS-485通信口，支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。若采用24V DC電源，則24V DC輸入，24V DC輸出；若采用100230V AC電源，則24V DC輸入，繼電器輸出。它是具有較強控制能力的控制器，該產(chǎn)品具有標準化程度高、可靠性高、操作性強、可維護性好、可擴展性好等特點。2.2.3 PLC的I/O地址分配表3-1 I/O地址分配表輸入信號啟動按鈕I0.0停止按鈕I0.1急停按鈕I0.2手

24、動操作I0.3自動操作I0.4鋼坯進入加熱爐的信號I0.5鋼坯出加熱爐的信號I0.6 輸出信號手動方式運行Q0.0自動方式運行Q0.1燃料閥Q0.2空氣閥Q0.3噴嘴接觸器Q0.4燃料機接觸器Q0.5鼓風機接觸器Q0.6預熱段燃料閥Q0.7預熱段空氣閥Q1.0加熱段燃料閥Q1.1加熱段空氣閥Q1.2均熱段燃料閥Q1.3均熱段空氣閥Q1.4預熱段報警Q1.5加熱段報警Q1.6均熱段報警Q1.7煙道百葉窗Q2.0爐膛壓力報警Q2.12.3 DCS選型DCS（Distributed Control System）是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習慣稱之為集散控制系統(tǒng)。DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控

25、級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。“集”和“散”這兩個字是集中管理和分散控制的簡稱，是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復雜的過程控制要求, 從綜合自動化的角度出發(fā), 按功能分散、管理集中的原則構思，具有高可靠性指標, 不斷以新的技術成果充實而研制開發(fā)出來的, 以微處理器、微型計算機技術為核心, 與數(shù)據(jù)通信技術、顯示、人機接口技術、輸入輸出接口技術相結合的, 用于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制，它是一種處于新技術前沿的新型控制系統(tǒng)。DCS具有以下特點：（1）高可靠性。由于DCS將系統(tǒng)控

26、制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。（2）開放性。DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡或從網(wǎng)絡中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。DCS系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機接口單元、通用計算機接口、操作員站（OPS）、工程師站（ENS）、機

27、柜、電源等組成。系統(tǒng)具備開放的體系結構，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。它的硬件系統(tǒng)在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。底層漢化的軟件平臺具備強大的處理功能，并提供方便的組態(tài)復雜控制系統(tǒng)的能力與用戶自主開發(fā)專用高級控制算法的支持能力，易于組態(tài)，易于使用。支持多種現(xiàn)場總線標準以便適應未來的擴充需要。上位機采用的是橫河集散控制系統(tǒng)CENTUM-CS3000軟件，它是一個結構真正開放的系統(tǒng)，CENTUM-CS3000是將傳統(tǒng)CENTUM系列產(chǎn)品的可靠性,通用性,以及PC機環(huán)境的開放性融為一體，在集散控制系統(tǒng)(DCS)領域意味著一個新紀元的到來。它是由以下元件所組成的，包括：操作站(HIS

28、)、現(xiàn)場控制器(FCS)、工程師站( EWS)、ESB總線、ER總線、通訊網(wǎng)關(ACG）、OPC系統(tǒng)集成網(wǎng)關（SIOS）、V net/IP 控制總線。CENTUM-CS3000是以Windows為操作平臺，以開放式的結構、靈活性和與現(xiàn)存系統(tǒng)兼容為特性的，可以以開放的、可靠的方式簡便的與信息系統(tǒng)相連，用于進行監(jiān)視和控制工藝參數(shù)與工藝過程及信息交換的雙重化實時控制網(wǎng)絡，具有構造大型實時過程信息網(wǎng)的拓撲結構，可以構成多工段，多集控單元，全廠綜合管理與控制的綜合信息自動化系統(tǒng)。CENTUM-CS3000與橫河以往的系統(tǒng)可通過總線轉(zhuǎn)換單元,方便地連接在一起，實現(xiàn)對既有系統(tǒng)的監(jiān)視和操作，保護用戶投資利益。

29、橫河提供了系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡接口，用于與不同廠家的系統(tǒng)、產(chǎn)品管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)進行通訊。在HIS的監(jiān)視器上，操作員可以觀察到所有掛在通信總線的各個配備狀況，甚至可以觀察到控制站上的某一個I/O點的情況。HIS可以顯示各種畫面；如流程圖、控制組、趨勢、歷史曲線、實時曲線等。它也可以監(jiān)視設備，通過指令窗口發(fā)送指令，記錄報警及其它事項和確認報警，以方便維護人員維修。監(jiān)控系統(tǒng)選用研華工控機、菲利普22寸純平彩色顯示器構成其工程師站和操作員站。系統(tǒng)各操作站是聯(lián)網(wǎng)、協(xié)調(diào)工作的,操作站之間是全透明、全容錯的,可以實現(xiàn)相互代替。采用這種方式使得本系統(tǒng)具有運轉(zhuǎn)可靠、數(shù)據(jù)分布合理、操作速度快、人機界

30、面友好、使用方便等優(yōu)點。三、煤氣/空氣流量控制、加熱爐的爐溫控制、爐壓控制技術方案控制方案步進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。 根據(jù)影響加熱爐鋼坯質(zhì)量的因素，其主要能控因素是溫度和爐膛壓力，而溫度的變化主要受燃料流量和空氣流量的影響，為了充分燃燒，燃料流量和空氣流量必須按一定的比例送入管道，所以將燃料和空氣構成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，這樣不僅實現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且使燃料流量和空氣流量變得比較平穩(wěn)，確保了兩物料總量基本不變，為后續(xù)溫度的控制提供了前提條件。對于溫度的控制采用雙交叉限幅方式的串級控制系統(tǒng)，這樣可以在爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量；爐溫偏高

31、時，先減煤氣量，后減空氣量，實現(xiàn)空氣、煤氣交叉控制，保證了燃料的完全燃燒，最終通過控制燃料和空氣流量以達到控制爐溫的目的。對于爐膛壓力，采用單回路控制，它是通過調(diào)整煙道百葉窗的開度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，達到控制爐膛壓力的目的。3.1煤氣/空氣流量控制系統(tǒng)設計雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產(chǎn)負荷在較大范圍內(nèi)波動的不足而設計的。它是在單閉環(huán)比值控制的基礎上，增設了主流量控制回路而構成2。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主流量控制回路的存在，實現(xiàn)了對燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干擾的影響，使燃料流量變得比較平穩(wěn)。通過比值控制副流量即空氣流量也將比較平穩(wěn)。這不僅實現(xiàn)了

32、比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個主要特點。另一個優(yōu)點是提降負荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器即燃料控制器的給定值，就可以提降燃料流量，同時副流量即空氣流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。這種方案能夠適用于主流量干擾頻繁及工藝上不允許負荷有較大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負荷的場合，實用性強2。設計的燃料流量與空氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下：圖5-1 燃料流量和空氣流量構成的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖3.2 爐溫的控制系統(tǒng)設計在步進式加熱爐加熱鋼坯的過程中，空燃比過高，使鋼坯表面氧化，熱量損失增加；空燃比過低，使燃料不能完全燃燒，造成煤氣外流，浪費了燃

33、料并污染了環(huán)境。所以為了控制溫度，工藝上不但要求燃料量與空氣量成一定的比例，而且要求在溫度發(fā)生變化時，燃料與空氣的提降量有一定的先后次序，以保證空燃比的合理性及供熱區(qū)段溫度的可控性。本設計采用雙交叉限幅控制，即以爐內(nèi)溫度為主環(huán)，空、煤氣為副環(huán)的串級爐溫控制回路。串級控制系統(tǒng)是由其結構上的特征而得名的。它是由主、副兩個控制器串接工作的。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現(xiàn)對變量的定值控制。在這個設計中，主控制器是溫度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空氣控制器，這要依據(jù)提降時的先后順序而定。一般來說，主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，它是一個定值，在該系統(tǒng)中主參數(shù)

34、溫度是一個定值，工業(yè)上要求步進式加熱爐預熱段溫度為7501100，加熱時間1530分鐘；加熱段的溫度為12501300，加熱時間4060分鐘；均熱段的溫度為1150 1250，保溫時間2030分鐘；連鑄冷坯料、模鑄冷坯料的總加熱時間為90120分鐘；因此，主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)。而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副回路是一個隨動系統(tǒng)。設計的爐溫與流量的串級控制系統(tǒng)方框圖如圖5-2。圖5-2 爐溫與流量串級控制系統(tǒng)方框圖加熱爐溫度控制是通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣流量來實現(xiàn)的。溫度控制器根據(jù)實測溫度，按照PID控制策略，產(chǎn)生一個輸出。該輸出作為煤氣控制器和空氣控

35、制器的設定值，去控制煤氣和空氣流量。溫度控制器與煤氣流量控制器或空氣流量控制器構成一個串級控制系統(tǒng)。其中，溫度控制器是主控制器，實現(xiàn)溫度的粗調(diào)，煤氣流量控制器或空氣流量控制器是平行的副控制器，完成精確控制。在控制爐溫的過程，當爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量，當爐溫偏高時，先減煤氣量，后減空氣量，實現(xiàn)空氣煤氣交叉控制，以保證燃料的完全燃燒。而完成具有邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設置的兩個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。爐溫的雙交叉限幅控制的檢測流程圖如下： 圖5-3 雙交叉限幅控制的檢測流程圖圖5-3所示為“串級和比值控制組合的系統(tǒng)，由爐膛溫度與燃料、空氣流量的串級控制系統(tǒng)和燃料與空氣

36、的流量比值控制系統(tǒng)相組合。完成邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設置的兩個選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。在正常工況下，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，溫度控制器的輸出，等于燃料流量變送器的輸出，也等于空氣流量變送器的輸出。也就是說高、低選擇器的兩個輸入端信號是相等的，整個系統(tǒng)猶如不加選擇器時的串級和比值控制組合的系統(tǒng)進行工作。當系統(tǒng)中的爐膛溫度降低時，溫度控制器的輸出增加(根據(jù)串級控制系統(tǒng)的要求，溫度控制器應選用反作用式控制器)，這個增加了的信號不被低選器選中，而卻被高選器選中，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加。然后由于空氣增加，使其變送器輸出增加，也就使開始增加。因此時，被低選器選中，從

37、而改變?nèi)剂狭髁靠刂破鹘o定值，命令提量。這一過程保證在增加燃料且前，先加大空氣量，使燃燒完全。整個提量過程直至=時，系統(tǒng)又恢復到正常工況時的穩(wěn)定狀態(tài)。當系統(tǒng)中的爐膛溫度升高時，溫度控制器輸出減少，因而它被低選器選中，作為燃料流量控制器的給定值而命令燃料降量。燃料量降低，經(jīng)變送器的測量信號被高選器選中，作為空氣流量控制器的給定值，命令空氣降量。降量過程直至=，系統(tǒng)又恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。這樣就實現(xiàn)了提量時先提空氣量，后提燃料量，降量時先降燃料量，后降空氣量的邏輯要求2。單交叉限幅保證了焦爐煤氣在正常工況條件和異常工況波動條件下,都能穩(wěn)定的與空氣保持一定偏差范圍內(nèi)的比例,并以焦爐煤氣流量為主控變量,以空氣

38、流量為從動變量,實現(xiàn)了燃燒過程的經(jīng)濟性和合理性要求11。3.3 爐膛壓力的控制系統(tǒng)設計單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結構最簡單的一種，因此又稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，卻能解決生產(chǎn)過程中的大量控制問題。它是生產(chǎn)過程控制中應用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)2。單回路控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。爐內(nèi)氣體流動狀況是爐膛壓力的主要影響因素，而氣體流動狀況又受到煙道百葉窗的開度的直接影響。設計中對爐壓的控制采用的是單回路控制策略，它是通過調(diào)整煙道百葉窗的開度，從而調(diào)

39、節(jié)煙囪的吸力，進而控制爐膛壓力，爐壓檢測點位于出料端。設計的爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)方框圖如下：圖5-4 爐膛壓力控制系統(tǒng)方框圖四、步進式加熱爐控制系統(tǒng)的軟件設計(PLC連接圖見附錄A)步進式加熱爐控制系統(tǒng)是采用西門子PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)的,整個系統(tǒng)包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),下面詳細介紹軟件系統(tǒng)。本設計采用的是PLC控制器加DCS上位監(jiān)控的控制系統(tǒng)，PLC控制器作為控制系統(tǒng)的控制中樞,其內(nèi)部存儲著控制邏輯、梯形邏輯程序。加熱爐區(qū)PLC控制的最終目的是保證板坯在加熱爐內(nèi)順利傳輸,維持板坯對軋機的供應量。這就需要各種電氣設備密切配合,嚴格按照時序動作。而上位機則是利用DCS軟件來完成工業(yè)控制

40、狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能。通過PLC與DCS的通信，上位機對PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控，可以實現(xiàn)向上級提供工藝流程圖、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報表顯示等多種窗口技術,使整個控制系統(tǒng)具有良好的人機界面,實現(xiàn)生產(chǎn)過程調(diào)度的自動化和信息化。上位監(jiān)控站主要承擔控制系統(tǒng)的所有操作、監(jiān)控。即在上位監(jiān)控站發(fā)出操作指令,通過PLC控制層的邏輯運算,將上位監(jiān)控站發(fā)出的各種指令輸出到現(xiàn)場的設備,控制現(xiàn)場設備的工作,同時將現(xiàn)場設備當前時刻的工作參數(shù),如水質(zhì)參數(shù)、流量、壓力、溫度、液位及運行狀態(tài)等信息由現(xiàn)場上傳到上位監(jiān)控站上進行顯示,并同時被送入系統(tǒng)創(chuàng)建的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫,利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),控制不同工

41、藝參數(shù)的變化快慢和重要程度,達到優(yōu)化控制的目的。在組態(tài)過程中，軟件具有自動校正和修改功能。用戶在編輯過程中若對某個點進行修改，系統(tǒng)會自動對所有數(shù)據(jù)庫中的相關點進行相應的校正，使用相當方便。組態(tài)軟件支持鼠標和鍵盤操作，人機界面美觀，實時幫助功能豐富，是設計低成本DCS的理想平臺。4.1 軟件系統(tǒng)介紹系統(tǒng)軟件主要分為上位監(jiān)控組態(tài)軟件和下位機軟件及通信軟件?？刂破髦写鎯Φ氖窃赩4.0 STEP 7 MicroWIN SP3軟件環(huán)境中編寫的梯形邏輯控制程序,是過程控制的核心,用于控制整個步進式加熱爐的工藝流程。上位組態(tài)采用的是橫河集散控制系統(tǒng)CENTUM-CS3000軟件，用于畫面監(jiān)視、記錄報警等，保

42、證系統(tǒng)的正常運行。通過RS-485通信口，將下位機采集到的數(shù)據(jù)信號送到上位機，從而準確地控制整個系統(tǒng)。下位機軟件采用的是V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3，它是一個基于標準的Windows軟件，類似于Winword，Outlook等標準應用軟件。STEP 7-Micro/WIN編程軟件為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應用程序提供了良好的編程環(huán)境。STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的SIMATIC S7-200 PLC編程軟件，簡單、易學，能夠解決復雜的自動化任務，適用于所有SIMATIC S7-200 PLC機型軟件編程，支持IL、LAD、FBD三種編程語言

43、，可以在三者之間隨時切換，并且具有密碼保護功能。STEP 7-Micro/WIN提供軟件工具進行調(diào)試和測試程序，這些特征包括：監(jiān)視S7-200正在執(zhí)行的用戶程序狀態(tài)，為S7-200指定運行程序的掃描次數(shù)，強制變量值等。它的指令向?qū)Чδ苡蠵ID自整定界面、PLC內(nèi)置脈沖串輸出(PTO)和脈寬調(diào)制(PWM)指令向?qū)?、?shù)據(jù)記錄向?qū)?、配方向?qū)В⑶抑С諸D 200和TD 200C文本顯示界面(TD 200向?qū)?。下位機軟件設計是在監(jiān)控級利用STEP7系列的編程軟件STEP7-Micro/ Win4.0完成對下位機程序的編制與調(diào)試, 然后把調(diào)試好的程序通過Profibus 網(wǎng)絡下載到PLC中。下位機軟件

44、主要實現(xiàn)PLC與監(jiān)控級的通訊、PLC對升溫/恒溫過程的自動控制、故障診斷等子程序。·上電初始化當系統(tǒng)開始運行時,為了保證系統(tǒng)運行的安全性,首先將系統(tǒng)的所有輸出點置為安全狀態(tài)。初始化操作包括對RAM、ROM清零,對控制參數(shù)的初始化,例如將計數(shù)器清零,當前模擬量采樣值清零等參數(shù)進行預置。·信號處理現(xiàn)場的模擬量(如壓力、溫度、閥位等模擬電流信號)采集和通訊的過程會受到現(xiàn)場工作環(huán)境里其他設備的干擾和影響,電流變送器送入模擬量模塊EM235的電流值可能存在波動和干擾等情況,因此通過模擬量模塊采集回來的數(shù)據(jù)最好不要直接使用,而要經(jīng)過濾波處理。對于加熱爐這樣的大慣性的系統(tǒng)可以采用平均值的

45、算法進行濾波。具體實現(xiàn)是主程序在每個掃描周期內(nèi),都調(diào)用1次子程序進行模擬量的采集和濾波處理。本系統(tǒng)中每個掃描周期內(nèi)調(diào)用子程序讀取模擬量模塊EM235采集值的A/D轉(zhuǎn)換結果,然后將其累加,當采集次數(shù)達到預置的采集次數(shù)時,將累加值除以采集次數(shù)得到平均值,然后將這個平均值作為本次采集的最終結果送回主程序。上位機監(jiān)控軟件采用的是組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。組態(tài)王能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能。組態(tài)王軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)環(huán)境是生成應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，用戶在組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作。運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，進行各種處理，完成組態(tài)設計的目標和功能。也就是，在組態(tài)環(huán)境中你可以根據(jù)你最終要達到的控制要求去設計，運行環(huán)境運行你設計好的組態(tài)工程。在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序過程中要考慮以下三個方面:1. 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應