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內蒙古科技大學課程設計論文內蒙古科技大學過程控制課程設計論文題目:鋼坯加熱爐溫度控制系統(tǒng)學生姓名:學號:專業(yè):班級:指導教師:目錄TOC\o"1-3"\h\u17025鋼坯加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計摘要 引言加熱爐是熱軋生成中的一個重要環(huán)節(jié),它直接影響設備穩(wěn)定、板坯加熱質量、燃料消耗、生產節(jié)奏等。鋼坯加熱是否滿足工藝要求將直接關系到鋼材產品的內在質量。然而在鋼坯加熱工程中,鋼坯溫度是不能在線連續(xù)測溫的,這也就意味著不能采用傳統(tǒng)的回路控制策略實現鋼坯溫度的控制。由于鋼坯加熱過程呈現非線性、強耦合、高階和時變等復雜特征,鋼坯出爐溫度與多項工藝參數有關,且存在著不可測擾動因素,因此鋼坯升溫過程與各個工藝參數之間關系的精確數學模型難以建立。實際中,由于爐內氣氛的溫度與鋼坯溫度具有一定的函數關系,因此常采用控制爐內氣氛溫度的方法來達到間接控制鋼坯溫度的目的。1.1加熱爐溫度控制技術的發(fā)展國內外早在五十年代,就開始對加熱爐的熱過程及板坯加熱過程進行了較為深入的研究,在以后的四十多年間,各國學者相繼做了大量的研究工作,并取得了一定的研究成果,但他們的工作著重于爐內輻射換熱與板坯加熱。在六十年代中期以前,工業(yè)爐的生產控制系統(tǒng)還停留在比較簡單的電器基礎自動化控制和人工調整的水平,往往是根據操作者的觀測和經驗來判斷是否接近目標值,然后通過人工操作進行修改和調整;隨著市場對產品質量的要求越來越高,對于工業(yè)爐的控制精度要求也越來越高,不論是均熱爐、加熱爐還是退火爐等,在各行各業(yè)都廣泛應用;并且隨著競爭越來越激烈,各行各業(yè)在不斷提高產品質量的同時,也通過提高技術裝備水平來實現大幅降低產品成本,因此工業(yè)爐的自動化技術得到了充分的發(fā)展。60年代末,英國一個鋼廠首先實現了用計算機控制加熱爐的生產過程,日本在加熱爐采用計算機控制方面的工作雖然起步在60年代中期,但發(fā)展速度很快,1971年新日本鋼鐵公司大分廠223smm帶鋼熱連軋機實現了從加熱爐到卷取機全部采用計算機自動控制;1980年,世界上第一個二級最佳化控制系統(tǒng)由法國斯坦因一霍特公司與法國所索拉克鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā),并在1982年所索拉克公司熱軋帶鋼廠的3座加熱爐上成功投入使用。從此以后,工業(yè)爐計算機控制系統(tǒng)經過不斷的實踐完善。國際上最佳化模型及自適應控制技術的發(fā)展開始于九十年代,并且在實際的生產運用中效果較好,不僅大大降低了生雨本,對于產品質量的提高起到了相當的作用,這以法國、德國和日本為代表。國內,近二十年來,隨著計算機技術和現代控制理論的迅猛發(fā)展,人們已不滿足爐內輻射換熱與板坯加熱過程的離線數值計算,而是把離線數學模型在線化,并應用于計算機控制系統(tǒng)中。最近幾年來,隨著現代控制理論的進一步發(fā)展,實現計算機隨機優(yōu)化自動控制、開發(fā)熱軋生產過程調度與管理系統(tǒng)等,是目前國內外比較關注的研究內容。1.2加熱爐一般結構與控制原理目前,鋼鐵企業(yè)軋鋼系統(tǒng)采用的加熱爐一般為兩段或三段式加熱爐,鋼坯在爐內的運動形式一般為步進式或推鋼式,下面就將這幾種形式簡要介紹一下
(1)兩段式加熱爐沿路長分為加熱段和預熱段兩部分,按加熱方式又可分為“單面加熱”和“雙面加熱”兩種爐型。一般當坯料厚度大于100mm是采用雙面加熱。在兩段式加熱爐的加熱過程中,為保證產量通常加大加熱段爐溫設定點,這就使出爐鋼坯表面和中心存在較大的溫差,嚴重時影響正常軋制。所以,兩段式加熱爐在實際使用中產量受到一定限制。
(2)三段式加熱爐目前鋼鐵企業(yè)各軋鋼廠加熱爐普遍使用的一種爐型。它分為預熱段、加熱段和均熱段,相對于兩段式加熱爐它增加了均熱段。該類型加熱爐加熱段爐溫一般比兩段式高出50——100℃,在進入均熱段式鋼坯表面溫度已達到或高出出鋼溫度,在均熱段鋼坯斷面溫度逐步均勻,并在一定程度上消除“黑印”。三段式加熱爐非常有利于軋機產量的提高。
(3)步進式加熱爐依靠步進梁的順序、往復運動使被加熱鋼坯從爐尾移動到出料端,中間經過各加熱段,最終是鋼坯達到規(guī)定的溫度后出爐。由于鋼坯在加熱爐內前、后、上、下均勻受熱,所以加熱效果良好。加熱后,鋼坯斷面受熱均勻,鋼坯表面不產生“黑印”、不“粘鋼”,工人操作方便,所以目前加熱爐內鋼坯的運動形式大部分采用“步進式”。
(4)推鋼式加熱爐將鋼坯用推鋼機從爐尾推入加熱爐內,靠推力使鋼坯在爐內移動的一種加熱爐。推鋼式加熱爐具有爐內鋼坯排列緊密、生產率高的特點,但他對加熱控制要求較嚴格,對操作工人的經驗要求較高,容易出現“過燒”、“粘鋼”等現象。目前在棒線材生產中已逐漸被“步進式”加熱爐取代。圖1.1四段步進式加熱爐結構圖1.3加熱爐生產工藝目前,一般熱軋的板坯加熱過程為:板坯由裝鋼機裝入進料端,通過爐內燒嘴進行加熱,板坯在加熱爐內由步進梁一步步的向加熱爐出料端移動。同時,’加熱爐計算機控制跟蹤板坯的溫度,根據時間預測、布料情況等合理的設定爐溫,使板坯在一定的時間內達到軋制的要求。高溫步進梁式加熱爐:加熱爐上部均熱段采用全輻射平爐頂結構,其它上部供熱段采用軸向供熱的曲線爐頂,即均熱段上部采用常規(guī)平焰燒嘴、其它供熱段上部全部采用軸向常規(guī)調焰燒嘴。均熱段和第二加熱段下部設有液態(tài)出渣的化渣燒嘴,采用天然氣為燃料。為適應硅鋼加熱,下部高溫段爐膛高度較高。爐底兩側分別設置化渣燒紫5個,出渣口4個,液態(tài)渣出來后,經粒化進入沖渣槽,最后被沖入出料輥道下的鐵皮溝內。低溫步進梁式加熱爐:加熱爐上部均熱段采用全輻射平爐頂結構,其它供熱段采用側向供熱,即均熱段上部采用常規(guī)平焰燒嘴、其它供熱段全部采用側向蓄熱式燒嘴。溫度控制段分均熱段上和下、二加熱段上和下、一加熱段上和下及預熱段上和下共8段供熱,其中均熱段左右爐溫可以分別進行調整。上均熱段采用爐頂平焰燒嘴,其余各供熱段采用側向蓄熱式燒嘴。加熱鋼種:碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、低合金結構鋼、高耐候性結構鋼、焊接結構用耐候鋼、橋梁用結構鋼、汽車大梁用鋼、高牌號無取向硅鋼、普通取向硅鋼、高磁感取向硅鋼、IF鋼、雙相鋼(DP)及多相鋼(MP)、相變誘導塑性鋼(TRIP)等。取向硅鋼采用分品種和集中批量軋制工藝,硅鋼鋼渣很堅硬,清渣困難,交替生產取向硅鋼和碳鋼,硅鋼鋼渣與碳鋼鋼渣相混合,就變得疏松且分層,容易清渣。因此,取向硅鋼與碳鋼要進行交替生產加熱,在不加熱硅鋼鋼坯或加熱硅鋼之后,加熱爐待出渣之前的時期內同其他現有加熱爐一樣加熱碳鋼鋼板。第二章加熱爐溫度控制系統(tǒng)對于四段步進式加熱爐,預熱段內不進行加熱,也不需要溫度控制。在加熱段和均熱端,在側面爐墻的上下部都設有一定數量的燒嘴,各段的爐內溫度都獨立的進行控制,調節(jié)器的輸出信號作為空燃比控制系統(tǒng)的設定值,據此來維持爐內溫度的穩(wěn)定。2.1串級系統(tǒng)控制概述本次設計采用串級控制系統(tǒng)對加熱爐溫度進行控制。過程控制系統(tǒng)由過程檢測、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置等組成,通過各種類型的儀表完成對過程變量的檢測、變送和控制,并經執(zhí)行裝置作用于生產過程。串級控制系統(tǒng)是兩只調節(jié)器串聯(lián)起來工作,其中一個調節(jié)器的輸出作為另一個調節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。此系統(tǒng)改善了過程的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)控制質量,能迅速克服進入副回路的二次擾動,提高了系統(tǒng)的工作頻率,對負荷變化的適應性較強。串級控制系統(tǒng)工程應用場合如下:(1)應用于容量滯后較大的過程。(2)應用于純時延較大的過程。(3)應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程。(4)應用于參數互相關聯(lián)的過程。(5)應用于非線性過程。2.2溫度控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)中,由于引入了副回路,不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾,也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調﹑粗調﹑快調的特點;主回路具有后調﹑細調﹑慢調的特點,對副回路沒有完全克服的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合﹑相互補充,使得控制質量顯著提高。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器,前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定,后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。中間被控變量:爐膛溫度;操縱變量:燃料流量。加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結構如圖2.1所示。圖2.1加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結構框圖2.3加熱爐爐溫基本控制方案2.3.1爐溫基本控制方案一爐溫調節(jié)器TC是串級控制系統(tǒng)的主調節(jié)器,其輸出同時作為煤氣流量調節(jié)器F1C和空氣流量調節(jié)器F2C的設定值,燃料流量調節(jié)回路和空氣流量調節(jié)回路用以克服自身的干擾,如煤氣壓力和空氣壓力的波動等。該系統(tǒng)中燃料量與空氣量是同步變化的,燃料量與空氣量的比值通過兩個副調節(jié)回路間接保證,空燃比由比值K設定。該方案如圖2.2所示圖2.2加熱爐爐溫控制方案一2.3.2爐溫基本控制方案二爐溫與煤氣流量構成串級控制系統(tǒng),空氣量隨煤氣量的變化而變化,該方案可以確保燃料量與空氣量的比例關系,但由于空氣量的變化始終滯后于燃料量,當負荷增加時,就會出現燃料燃燒不充分的現象。該方案如圖2.3所示圖2.2加熱爐爐溫控制方案一2.3.1爐溫控制改進方案將方案二改進,當爐溫偏高時,可通過低選器LS先減少煤氣量,后減少空氣量;而當爐溫偏低時,可通過高選器HS先加大空氣量,后加大煤氣量,這就確保了在提量和降量時煤氣都能充分燃燒。如圖2.3所示圖2.3燃燒改進方案2.4調節(jié)器正反作用的確定一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回路,主、副調節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。2.4.1副調節(jié)器作用方式的確定處于生產工藝安全的考慮,燃料調節(jié)閥選用氣開式,這樣保證當系統(tǒng)出現故障使調節(jié)閥損壞而處于全關狀態(tài),防止燃料進入加熱爐,確保設備安全,調節(jié)閥的Kv>0。然后確定副被控過程的K02,當調節(jié)閥開度增大,燃料量增大,爐膛溫度上升,所以K02>0。最后確定副調節(jié)器,為保證副回路是負反饋,各環(huán)節(jié)放大系數乘積必須為正,所以副調節(jié)器大于0,負調節(jié)器作用方式為反作用方式。2.4.2主調節(jié)器作用方式的確定爐膛溫度升高,鋼坯出口溫度也升高,主被控過程K01>0。為保證主回路為負反饋,各環(huán)節(jié)放大系數乘積必須為正,所以主調節(jié)器的放大系數K1>0,主調節(jié)器作用方式為反作用方式。第三章儀器選型3.1溫度傳感器的選擇熱電偶是在工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是:
①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量,某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻),最高可達+2800℃(如鎢-錸)。
③構造簡單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護套管,用起來非常方便。由工藝可知,加熱爐溫度一般在1150~1250℃之間。所以當溫度在1000℃至1300℃時應該選用鉑銠10—鉑熱電偶。3.2流量變送器的選擇氣體流量變送器是用來計量氣體流量的,它是安裝在一些管道中記錄流過的氣體總量的一類儀表。在化工、冶金等工業(yè)部門當中是屬于比較常見的一種測量儀表。本設計采用氣體流量計(智能氣體渦輪流量計)1.公稱通徑:15mm~300mm;2.精確度等級:±1%R、±1.5%R、±0.2%FS(4~20mA);被測介質:天然氣、煤制氣、空氣等;4.環(huán)境溫度:-20℃~+50℃;5.被測介質溫度:-20℃~+80℃;6.公稱壓力:1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、20MPa;7.防爆標志:ExibⅡBT4、ExdⅡBT6;8.輸出信號:電壓脈沖、4~20mA二線制;9.通信接口:選用RS-485通信接口。10.供電電源:傳感器:+5V~+24VDC(外接)特點:★下線流速低,范圍度寬,★采用特殊軸承性能可靠壽命長,★具有較強的抗震動性和抗電磁干擾能力,★現場型液晶屏顯示清晰直觀,★具有溫度壓力補償功能3.3執(zhí)行器選擇執(zhí)行器選擇氣開型電磁閥,通過控制閥的開度來實現流量控制。氣開型是當膜頭上空氣壓力增加時,閥門向增加開度方向動作,當達到輸入氣壓上限時,閥門處于全開狀態(tài)。反過來,當空氣壓力減小時,閥門向關閉方向動作,在沒有輸入空氣時,閥門全閉。故有時氣開型閥門又稱故障關閉型。氣關型動作方向正好與氣開型相反。當空氣壓力增加時,閥門向關閉方向動作,空氣壓力減小或沒有時,閥門向開啟方向或全開為止。故有時又稱為故障開啟型。氣動調節(jié)閥的氣開或氣關,通常是通過執(zhí)行機構的正反作用和閥態(tài)結構的不同組裝方式實現。氣開氣關的選擇是根據工藝生產的安全角度出發(fā)來考慮。當氣源切斷時,調節(jié)閥是處于關閉位置安全還是開啟位置安全。3.4調節(jié)器的選擇調節(jié)器選用智能PID調節(jié)器型號:XMPA-9000智能PID調節(jié)器技術參數:1、二十幾種輸入信號選擇。2、過程量、給定值、控制量三重顯示。3、PID調節(jié)器正反作用選擇。4、出現斷阻、斷偶、斷線故障時,控制量、過程量的模擬輸出可選擇0%、100%或上限限幅值、下限限幅值。5、跟蹤輸入信號的零點和滿度可進行標定。6、智能聲光報警、雙定時器或計數器功能。7、可進行開方及小信號切除。8、閥位反饋信號任意(各種模擬輸入)。9、可實現外給定值輸入(EM2功能)。10、可分別設定控制量上限、下限輸出控制范圍??蓪崿F分程PID控制,即保持第一控制量的基礎上另產生兩個分程控制量。11、測量值與設定值顯示可進行加減運算。12、PID參數自整定或P參數獨立自整定。13、8組設定值P、I、D參數存儲和調用。14、控制量跟蹤反饋量(EM1功能),可實現手/自動雙向無擾動切除。內給定值位移(SB功能)。15、可實現比值控制。比值控制公式:給定值SP=A×外給定+B(A為比值系數)。16、4個開關量控制輸出??蓪崿F重定位,關聯(lián)報警等方式。17、二個或三個模擬量輸出:0-10mA或4-20mA。18、50HZ同步雙向可控硅過零插補控制算法以實現對每一個正弦波的優(yōu)化控制,避免了大功率負載對電網的高次諧波污染。斷續(xù)PID調節(jié)器內置41A雙向可控硅直接控制交流2KW以下的單相阻性負載或輸出3組觸發(fā)500A以下雙向可控硅的同步信號。(注:應為阻性負載)19、可提供多主機,單主機,無主機方式的RS485異步串行通訊方式。通訊數據校驗遵照CRC-16美國數據通訊標準,高可靠性循環(huán),條碼校驗。第四章總結課程設計是對課程內容的應用性訓練環(huán)節(jié),是學生應用所學知識進行階段性的專業(yè)訓練過程,也是對理論教學效果的檢驗。經過兩周的課設,真真正正的檢驗了我專業(yè)知識的掌握程度以及在查閱資料、軟件運用方面的能力。在課設的第一周內,我對于過程控制系統(tǒng)的設計一點頭緒也沒有,在經過老師的指導和同學們的幫助后,逐漸掌握了課程設計的目的,同時我也慢慢找到了自己熟悉的系統(tǒng)——加熱爐溫度控制系統(tǒng)。加熱爐溫度控制目的是按軋機的軋制節(jié)奏將鋼材加熱到工藝要求的溫度水平和加熱質量,并在優(yōu)質高產的前提下,盡可能地降低燃料消耗,減少氧化燒損。因此,要想提高鋼材的質量和生產效率,必須嚴格控制加熱爐的溫度。我通過所學知識,設計串級控制系統(tǒng)來控制燃料的流量和空氣的流量,從而來控制爐溫。對于沒有實際工作經驗和很少接觸控制儀器的我來說,本次設計的難點在于儀器的選型。調節(jié)器、變送器和熱電偶的型號只有查詢資料來比較哪些型號較為適用,對于它們的性能和對工作環(huán)境的適用程度不得而知,總之設計還只停留在理論階段。雖然只停留在理論階段,但我卻在設計中加深了對過程控制系統(tǒng)的理解,同時也通過查詢資料知道了很多控制儀表的性能和參數。以前對于VISIO的使用還不怎么熟悉,通過這幾天的畫圖我又加深了對其的熟練程度,這對于不太熟練使用CAD的我來說,找到了彌補的途徑??傊?,通過這兩周的課程設計,我收獲了很多,
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