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过程控制课程设计报告步进式加热炉姓名:王敏班级:仪1042学号:101844081专业:测控技术与仪器日期:2014-1-6目录
一、设计目标
二、主要工作内容及要求
三、步进式加热炉工艺流程及控制简介
四、PLC系统硬件选型与系统连接
五、煤气/空气流量控制、加热炉的炉温控制、炉压控制技术方案
5.1煤气/空气流量控制系统设计
5.2炉温的控制系统设计
5.3炉膛压力的控制系统设计
六、步进式加热炉控制系统的软件设计
6.1软件系统介绍
6.2步进式加热炉控制系统的监控显示画面
6.3系统流程图
七、附录附录A附录B
八、设计总结
一、设计目标以钢铁企业常见的“步进梁式加热炉”为对象,采用PLC为控制系统硬件,围绕工艺要求,完成控制系统方案设计
二、主要工作内容及要求
(1)通过查阅文献,了解步进式加热炉工艺流程
(2)了解对步进式加热炉的炉温控制、煤气/空气流量控制、炉压控制等功能,完成控制方案设计
(3)了解常见的PLC系统的功能、系统软件及应用,完成加热炉自动控制系统架构设计、硬件选择设计及组态画面设计
3、加热炉工艺流程及控制简介
(1)步进梁式炉为两面供热步进式炉,活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管在钢坏的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴,因此炉底强度较高,适用于产量很高的板坏或带钢轧前加热在钢铁企业中,轧钢系统的各种加热炉是能源消耗大户,如何在满足轧机对钢坯温度性能要求的情况下,最大限度地提高加热炉的热效率,降低能源消耗,这是当前加热炉专业及加热炉控制专业的一个共同课题国内某钢铁公司的步进式加热炉主要用来给碳素结构钢加热,炉子全长56740mm,有效炉长为50000mm,炉宽12600mm,最大产量400t/h最长板坯、冷装料,步进梁的步距为200/500mm,步进周期为45s燃料为混合煤气,板坯加热温度可达1250℃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关于加热工艺,炉子被划分成“区”这些区如下1个换热区;7个顶部区顶部区(区135791113);7个底部区底部区(区2468101214)概观如图1图一图1回热式热交换器和空气温度如图2图2底部区如图3图3钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序其生产过程如下对于步进式加热炉,钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的钢坯位于固定梁上,移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动,移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉前进一步,而且保证钢坯没有任何滑动传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立的机构完成的步进梁的进后运动多采用油压传动方式,上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式钢坯被送到加热炉外的上料辊道上,经过测长后,从装料炉门进入炉内,然后在炉内悬臂辊道上进行对中定位,通过移动梁步进机械的周期运动,一步步地前进当钢坯被输送到出炉位置,且已达到所要求的出炉温度,当接到允许出钢信号时,钢坯加热结束,由出料悬臂辊道从出料炉门送出,送往轧机进行轧制
(2)加热炉控制系统结构加热炉自动化控制系统分为现场设备L
0、基础自动化系统L
1、过程控制计算机系统L2三部分,如图4图4
(3)加热炉燃烧控制系统由许多模块组成,实现了钢坯加热过程中有关参数测控和管理的集中化整个燃烧控制系统分为以下模块炉温选择控制、煤气/空气燃烧控制、炉压控制等
四、PLC系统硬件选型与系统连接
4.1控制器的选择控制器是常规仪表控制系统中的核心环节担负着整个控制系统的“指挥”工作,正确地选用控制器,可以大大改善和提高整个过程控制系统的控制品质该控制系统包含流量、温度和压力三种控制器,所以必须根据实际的工艺要求选择合适的控制器
4.
1.1控制规律的选择控制器主要有三种控制规律比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律,分别简写为P、PI和PID比例控制规律(P)的特点是控制器的输出信号与输入信号偏差成比例,即阀门的开度变化与偏差变化有对应关系它能较快地克服扰动的影响,过渡过程时间短但是,纯比例控制器在过渡过程结束后仍然存在余差,而且负荷变化越大,余差也越大只具有比例控制规律的控制器称为比例控制器比例控制规律是最基本的控制规律,它既可以单独采用,又可以与其他控制规律结合在一起用,具有结构简单,整定方便的优点比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量允许在一定范围内有余差的场合例如,一般的精馏塔塔底液面、贮槽液面、冷凝器液面和次要的蒸汽压力控制系统,均可采用比例控制器比例积分控制规律PI的特点是控制器的输出不仅与偏差的大小成比例,而且与偏差存在一定的函数关系具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器,比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合例如,流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器比例积分微分控制规律PID的特点是在增加了微分作用后,控制器的输出不仅与偏差的大小和存在的时间有关,而且还与偏差的变化速度成比例,这就可以对系统小的容量滞后起到超前补偿作用,并且对积分作用造成的系统不稳定性也有所改善把具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为PID控制器,又称三作用控制器,比例积分微分控制规律综合了多种控制规律的优点,是一种比较理想的控制规律适合于调节通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合目前用较多的是温度控制系统根据工艺的要求和控制规律的特点,从串级控制系统的结构看主环是一个定值系统,主控制器起着定值控制作用温度是主变量,为了主变量的稳定,主控制器必须具有积分作用,它的控制通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高,在这种情况下,为保证主变量的控制精度,故温度控制器应选用比例积分微分控制规律PID然而副环是一个随动系统,它的给定值随主控制器输出的变化而变化,为了能快速、精确地跟随主控制器的输出而变化,副控器最好不带积分作用,因为积分作用会使跟踪变得缓慢,当选流量作为副参数时,为保稳定,P较大,可引入积分,即采用PI,以增强控制作用;副控制器的微分作用也是不需要的,因为当副控制器有微分作用时,一旦主控制器的输出稍有变化,控制阀就将大幅度地变化,这对控制也是不利的只有当副对象容量滞后较大时,可适当加一点微分作用所以在串级控制系统中的流量控制器即副控制器需要采用比例积分控制规律(PI)在比值控制系统中流量的控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差,所以流量控制器应选用比例积分控制规律PI在炉膛压力单回路控制系统中压力调节通道滞后较小、负荷变化不大,控制要求不高,被控变量只要控制在微正压即可,允许它在一定范围内有余差,所以压力控制器应选用比例控制规律(P)
4.
1.2控制器的正反作用选择工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方式当控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时,控制器工作于正作用方式;当控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时,控制器工作于反作用方式控制器设置正、反作用的目的是为了适应不同被控对象,实现闭环负反馈控制的需要因为在一个控制系统中,除了控制器外,其它各个环节被控对象、测量变送据、执行器都有各自的作用方向如果各环节组合不当,使系统总的作用方向构成了正反馈,则控制系统不仅起不到控制作用,反而破坏了生产过程的稳定又因为被控对象、测量变送器和执行器的作用方向是不能随意选定的,所以,要想使控制系统具有闭环负反馈特征,只有通过正确地选择控制器的正、反作用来实现假设对控制系统中的各环节作如下规定1.控制器工作于正作用方式为“—”,工作于反作用方式为“十”;2.执行器的阀门开度随控制器输出信号的增加而增大气开式为“十”;随控制器输出信号的增加而减小气关式为“一”;3.被控变量随操纵变量的增加而增加为“十”,随操纵变量的增加而减小为“一”;4.测量变送器放大倍数的符号肯定为“十”判别准则只要控制系统中各环节规定符号的乘积为正,则该系统是一负反馈系统即负反馈系统要满足判别式控制器*执行器*被控对象*变送器=十串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定,而与主环无关考虑问题的出发点仍与单回路控制系统相同,即为了使副回路构成一个稳定的系统,副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“正”因此,只要知道了控制阀、副对象和副变送器的放大倍数符号,就可以很容易地确定副控制器的正、反作用,副控制器正、反作用确定之后,就可以确定主控制器的正、反作用主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器对于副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待因为副回路是一随动系统,对它的要求是副变量要能快捷地跟踪给定值即主控制器输出的变化而变化因此,整个副回路可视为一放大倍数为“正”的环节看待这样,只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“正”的要求,就可以确定主控制器的正、反作用实际上,主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的,再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节,因此,主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号当主对象放大倍数符号为“正”时,主控制器应选“反”作用;反之,当主对象放大倍数符号为“负”时,主控制器应选“正”作用根据以上判别准则,可以方便地确定温度控制器、流量控制器和压力控制器均为反作用控制器
4.2PLC选型PLCProgrammableLogicController是可编程序控制器的英文缩写它是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器是专为工业环境应用而设计的它可以取代传统的继电器完成开关量的控制比如将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器作为输入信号输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构它采用可编程的存储器在其内部存储执行逻辑运算顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化
[6]PLC及其有关的外围设备都应该以易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计它的主要功能有
①在线数据采集和输出;
②控制功能,包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等;
③数据处理功能,既能进行基本数学、逻辑运算,还可通过编程实现复杂的控制算法;
④输入/输出信号调制功能;
⑤通信、联网功能,可进行远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等;
⑥支持人机界面功能;
⑦编程、调试等在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集传统上,这些功能是通过电气控制系统来实现的PLC的特点是
①可靠性高,抗干扰能力强;
②配套齐全,功能完善,适用性强;
③操作简单,易学易用,深受工程技术人员欢迎;
④系统的设计、建造工作量小,维护方便、易于改造;
⑤体积小、质量轻、功耗低
4.
2.1S7-300简介S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器PLC系列产品之一其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好,使其在广泛的工业控制领域中,成为一种既经济又切合实际的解决方案S7-300系列出色表现在以下几个方面极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块S7-300包括集成的24V电源、高速脉冲输出、通信口、模拟电位器、EEPROM存储器模块、电池模块、高速计数器以及CPU模块等该系统中配置了模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、高速计数模块、监控模块所有输入/输出模块,全部采用光电隔离大大提高了系统抗干扰能力S7-300系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能,使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等如冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统
4.
2.2S7-300的模块选择本设计选用西门子公司S7-300系列PLC中的过程控制器CPU224作为整个加热炉控制系统的核心本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点I/O端子排可以很容易地整体拆卸13K字节程序和数据存储空间6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器CPU224具有1个RS-485通信口,支持PPI、MPI通信协议,有自由口通信能力若采用24VDC电源,则24VDC输入,24VDC输出;若采用100~230VAC电源,则24VDC输入,继电器输出它是具有较强控制能力的控制器,该产品具有标准化程度高、可靠性高、操作性强、可维护性好、可扩展性好等特点
4.
2.3PLC的I/O地址分配表3-1I/O地址分配表输入信号启动按钮I
0.0停止按钮I
0.1急停按钮I
0.2手动操作I
0.3自动操作I
0.4钢坯进入加热炉的信号I
0.5钢坯出加热炉的信号I
0.6输出信号手动方式运行Q
0.0自动方式运行Q
0.1燃料阀Q
0.2空气阀Q
0.3喷嘴接触器Q
0.4燃料机接触器Q
0.5鼓风机接触器Q
0.6预热段燃料阀Q
0.7预热段空气阀Q
1.0加热段燃料阀Q
1.1加热段空气阀Q
1.2均热段燃料阀Q
1.3均热段空气阀Q
1.4预热段报警Q
1.5加热段报警Q
1.6均热段报警Q
1.7烟道百叶窗Q
2.0炉膛压力报警Q
2.
14.3DCS选型DCS(DistributedControlSystem)是分散控制系统的简称,国内一般习惯称之为集散控制系统DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便“集”和“散”这两个字是集中管理和分散控制的简称,是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求从综合自动化的角度出发按功能分散、管理集中的原则构思,具有高可靠性指标不断以新的技术成果充实而研制开发出来的以微处理器、微型计算机技术为核心与数据通信技术、显示、人机接口技术、输入输出接口技术相结合的用于生产管理、数据采集和各种过程控制,它是一种处于新技术前沿的新型控制系统DCS具有以下特点
(1)高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高
(2)开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作DCS系统主要有现场控制站(I/O站)、数据通讯系统、人机接口单元、通用计算机接口、操作员站(OPS)、工程师站(ENS)、机柜、电源等组成系统具备开放的体系结构,可以提供多层开放数据接口它的硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进底层汉化的软件平台具备强大的处理功能,并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力,易于组态,易于使用支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要上位机采用的是横河集散控制系统CENTUM-CS3000软件,它是一个结构真正开放的系统,CENTUM-CS3000是将传统CENTUM系列产品的可靠性通用性以及PC机环境的开放性融为一体,在集散控制系统DCS领域意味着一个新纪元的到来它是由以下元件所组成的,包括操作站HIS、现场控制器FCS、工程师站EWS、ESB总线、ER总线、通讯网关ACG)、OPC系统集成网关(SIOS)、Vnet/IP控制总线CENTUM-CS3000是以Windows为操作平台,以开放式的结构、灵活性和与现存系统兼容为特性的,可以以开放的、可靠的方式简便的与信息系统相连,用于进行监视和控制工艺参数与工艺过程及信息交换的双重化实时控制网络,具有构造大型实时过程信息网的拓扑结构,可以构成多工段,多集控单元,全厂综合管理与控制的综合信息自动化系统CENTUM-CS3000与横河以往的系统可通过总线转换单元方便地连接在一起,实现对既有系统的监视和操作,保护用户投资利益横河提供了系统接口和网络接口,用于与不同厂家的系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通讯在HIS的监视器上,操作员可以观察到所有挂在通信总线的各个配备状况,甚至可以观察到控制站上的某一个I/O点的情况HIS可以显示各种画面;如流程图、控制组、趋势、历史曲线、实时曲线等它也可以监视设备,通过指令窗口发送指令,记录报警及其它事项和确认报警,以方便维护人员维修监控系统选用研华工控机、菲利普22寸纯平彩色显示器构成其工程师站和操作员站系统各操作站是联网、协调工作的操作站之间是全透明、全容错的可以实现相互代替采用这种方式使得本系统具有运转可靠、数据分布合理、操作速度快、人机界面友好、使用方便等优点
五、煤气/空气流量控制、加热炉的炉温控制、炉压控制技术方案控制方案步进式加热炉的热工制度主要包括:温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等根据影响加热炉钢坯质量的因素,其主要能控因素是温度和炉膛压力,而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响,为了充分燃烧,燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道,所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统,这样不仅实现了比较精确的流量比值,而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳,确保了两物料总量基本不变,为后续温度的控制提供了前提条件对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统,这样可以在炉温偏低时,先增加空气量,后增加煤气量;炉温偏高时,先减煤气量,后减空气量,实现空气、煤气交叉控制,保证了燃料的完全燃烧,最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的对于炉膛压力,采用单回路控制,它是通过调整烟道百叶窗的开度,从而调节烟囱的吸力,达到控制炉膛压力的目的
5.1煤气/空气流量控制系统设计双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控,生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的它是在单闭环比值控制的基础上,增设了主流量控制回路而构成
[2]双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在,实现了对燃料流量的定值控制,大大地克服了燃料流量干扰的影响,使燃料流量变得比较平稳通过比值控制副流量即空气流量也将比较平稳这不仅实现了比较精确的流量比值,而且也确保了两物料总量基本不变,这是它的一个主要特点另一个优点是提降负荷比较方便,只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值,就可以提降燃料流量,同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降,并保持两者比值不变这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合,实用性强
[2]设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下流量控制器1控制阀1燃料对象流量变送器1K流量控制器2控制阀2空气对象流量变送器2F1F2——给定图5-1燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图
5.2炉温的控制系统设计在步进式加热炉加热钢坯的过程中,空燃比过高,使钢坯表面氧化,热量损失增加;空燃比过低,使燃料不能完全燃烧,造成煤气外流,浪费了燃料并污染了环境所以为了控制温度,工艺上不但要求燃料量与空气量成一定的比例,而且要求在温度发生变化时,燃料与空气的提降量有一定的先后次序,以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性本设计采用单交叉限幅控制,即以炉内温度为主环,空、煤气为副环的串级炉温控制回路串级控制系统是由其结构上的特征而得名的它是由主、副两个控制器串接工作的主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制在这个设计中,主控制器是温度控制器,副控制器是燃料控制器或者是空气控制器,这要依据提降时的先后顺序而定一般来说,主控制器的给定值是由工艺规定的,它是一个定值,在该系统中主参数温度是一个定值,工业上要求步进式加热炉预热段温度为750℃~1100℃,加热时间15~30分钟;加热段的温度为1250℃~1300℃,加热时间40~60分钟;均热段的温度为1150℃~1250℃,保温时间20~30分钟;连铸冷坯料、模铸冷坯料的总加热时间为90~120分钟;因此,主环是一个定值控制系统而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的,它随主控制器输出变化而变化,因此,副回路是一个随动系统设计的炉温与流量的串级控制系统方框图如图5-2温度控制器流量控制器1流量对象温度对象流量变送器1温度变送器__图5-2炉温与流量串级控制系统方框图加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的温度控制器根据实测温度,按照PID控制策略,产生一个输出该输出作为煤气控制器和空气控制器的设定值,去控制煤气和空气流量温度控制器与煤气流量控制器或空气流量控制器构成一个串级控制系统其中,温度控制器是主控制器,实现温度的粗调,煤气流量控制器或空气流量控制器是平行的副控制器,完成精确控制在控制炉温的过程,当炉温偏低时,先增加空气量,后增加煤气量,当炉温偏高时,先减煤气量,后减空气量,实现空气煤气交叉控制,以保证燃料的完全燃烧而完成具有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炉温的单交叉限幅控制的检测流程图如下TCHSLS炉膛图5-3单交叉限幅控制的检测流程图图5-3所示为“串级和比值控制组合的系统,由炉膛温度与燃料、空气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在正常工况下,即系统处于稳定状态时,温度控制器的输出,等于燃料流量变送器的输出,也等于空气流量变送器的输出也就是说高、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中的炉膛温度降低时,温度控制器的输出增加根据串级控制系统的要求,温度控制器应选用反作用式控制器,这个增加了的信号不被低选器选中,而却被高选器选中,它直接改变空气流量控制器的给定值,命令空气量增加然后由于空气增加,使其变送器输出增加,也就使开始增加因此时<,被低选器选中,从而改变燃料流量控制器给定值,命令提量这一过程保证在增加燃料且前,先加大空气量,使燃烧完全整个提量过程直至==时,系统又恢复到正常工况时的稳定状态当系统中的炉膛温度升高时,温度控制器输出减少,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降量燃料量降低,经变送器的测量信号被高选器选中,作为空气流量控制器的给定值,命令空气降量降量过程直至==,系统又恢复到稳定状态这样就实现了提量时先提空气量,后提燃料量,降量时先降燃料量,后降空气量的逻辑要求
[2]单交叉限幅保证了焦炉煤气在正常工况条件和异常工况波动条件下都能稳定的与空气保持一定偏差范围内的比例并以焦炉煤气流量为主控变量以空气流量为从动变量实现了燃烧过程的经济性和合理性要求
[11]
5.3炉膛压力的控制系统设计单回路反馈控制系统简称单回路控制系统在所有反馈控制系统中,单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种,因此又称为简单控制系统单回路控制系统虽然简单,却能解决生产过程中的大量控制问题它是生产过程控制中应用最为广泛的一种控制系统
[2]单回路控制系统由四个基本环节组成,即被控对象(简称对象)或被控过程(简称过程)、测量变送装置、控制器和控制阀炉内气体流动状况是炉膛压力的主要影响因素,而气体流动状况又受到烟道百叶窗的开度的直接影响设计中对炉压的控制采用的是单回路控制策略,它是通过调整烟道百叶窗的开度,从而调节烟囱的吸力,进而控制炉膛压力,炉压检测点位于出料端设计的炉膛压力单回路控制系统方框图如下压力控制器控制阀压力对象压力变送器给定_图5-4炉膛压力控制系统方框图
六、步进式加热炉控制系统的软件设计PLC连接图见附录A步进式加热炉控制系统是采用西门子PLC系统和DCS系统来实现的整个系统包括了硬件系统和软件系统下面详细介绍软件系统本设计采用的是PLC控制器加DCS上位监控的控制系统,PLC控制器作为控制系统的控制中枢其内部存储着控制逻辑、梯形逻辑程序加热炉区PLC控制的最终目的是保证板坯在加热炉内顺利传输维持板坯对轧机的供应量这就需要各种电气设备密切配合严格按照时序动作而上位机则是利用DCS软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示实现监控、管理、分析和存储等功能通过PLC与DCS的通信,上位机对PLC数据的读写监控,可以实现向上级提供工艺流程图、动态数据画面、报表显示等多种窗口技术使整个控制系统具有良好的人机界面实现生产过程调度的自动化和信息化上位监控站主要承担控制系统的所有操作、监控即在上位监控站发出操作指令通过PLC控制层的逻辑运算将上位监控站发出的各种指令输出到现场的设备控制现场设备的工作同时将现场设备当前时刻的工作参数如水质参数、流量、压力、温度、液位及运行状态等信息由现场上传到上位监控站上进行显示并同时被送入系统创建的生产历史数据库利用数据库中的数据控制不同工艺参数的变化快慢和重要程度达到优化控制的目的在组态过程中,软件具有自动校正和修改功能用户在编辑过程中若对某个点进行修改,系统会自动对所有数据库中的相关点进行相应的校正,使用相当方便组态软件支持鼠标和键盘操作,人机界面美观,实时帮助功能丰富,是设计低成本DCS的理想平台
6.1软件系统介绍系统软件主要分为上位监控组态软件和下位机软件及通信软件控制器中存储的是在V
4.0STEP7MicroWINSP3软件环境中编写的梯形逻辑控制程序是过程控制的核心用于控制整个步进式加热炉的工艺流程上位组态采用的是横河集散控制系统CENTUM-CS3000软件,用于画面监视、记录报警等,保证系统的正常运行通过RS-485通信口,将下位机采集到的数据信号送到上位机,从而准确地控制整个系统下位机软件采用的是V
4.0STEP7MicroWINSP3,它是一个基于标准的Windows软件,类似于Winword,Outlook等标准应用软件STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件,简单、易学,能够解决复杂的自动化任务,适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程,支持IL、LAD、FBD三种编程语言,可以在三者之间随时切换,并且具有密码保护功能STEP7-Micro/WIN提供软件工具进行调试和测试程序,这些特征包括监视S7-200正在执行的用户程序状态,为S7-200指定运行程序的扫描次数,强制变量值等它的指令向导功能有PID自整定界面、PLC内置脉冲串输出PTO和脉宽调制PWM指令向导、数据记录向导、配方向导,并且支持TD200和TD200C文本显示界面TD200向导下位机软件设计是在监控级利用STEP7系列的编程软件STEP7-Micro/Win
4.0完成对下位机程序的编制与调试然后把调试好的程序通过Profibus网络下载到PLC中下位机软件主要实现PLC与监控级的通讯、PLC对升温/恒温过程的自动控制、故障诊断等子程序·上电初始化当系统开始运行时为了保证系统运行的安全性首先将系统的所有输出点置为安全状态初始化操作包括对RAM、ROM清零对控制参数的初始化例如将计数器清零当前模拟量采样值清零等参数进行预置·信号处理现场的模拟量如压力、温度、阀位等模拟电流信号采集和通讯的过程会受到现场工作环境里其他设备的干扰和影响电流变送器送入模拟量模块EM235的电流值可能存在波动和干扰等情况因此通过模拟量模块采集回来的数据最好不要直接使用而要经过滤波处理对于加热炉这样的大惯性的系统可以采用平均值的算法进行滤波具体实现是主程序在每个扫描周期内都调用1次子程序进行模拟量的采集和滤波处理本系统中每个扫描周期内调用子程序读取模拟量模块EM235采集值的A/D转换结果然后将其累加当采集次数达到预置的采集次数时将累加值除以采集次数得到平均值然后将这个平均值作为本次采集的最终结果送回主程序上位机监控软件采用的是MCGS组态软件,MCGSMonitorandControlGeneratedSystem是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于Windows平台,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分组态环境是生成应用系统的工作环境,用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作运行环境是用户应用系统的运行环境,进行各种处理,完成组态设计的目标和功能也就是,在组态环境中你可以根据你最终要达到的控制要求去设计,运行环境运行你设计好的组态工程MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成
(1)主控窗口:是工程的主要窗口或主框架在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭主要的组态操作包括定义工程名称,编制工程菜单,设计封面图形,确定自动启动的窗口,设定动画刷新周期,指定数据库存盘文件名称及存盘时间等
(2)设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境在本窗口内配置数据采集与控制输出设备,注册设备驱动程序,定义连接与驱动设备用的数据变量也就是,要在设备窗口中选择所有连接的控制器如PLC,变频器,仪表等的型号,并设定需要从设备中读取的变量如PLC中的寄存器D0
(3)用户窗口:本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面,诸如生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等也就是,设置所要显示的控制界面
(4)实时数据库:是工程各个部分的数据交换与处理中心在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象也就是,要在实时数据库里定义一些变量与所要控制的设备中的变量一一对应,以备建立的各个用户窗口调用
(5)运行策略:本窗口主要完成工程运行流程的控制包括编写控制程序脚本程序,选用各种功能构件比如,当做的监控界面有一段说明文字是根据PLC的两个输入点闭合的情况分别显示不同的内容,这就要在运行策略窗口做一个if....then判断MCGS软件的分类包括嵌入版组态软件、通用版组态软件、网络版组态软件本设计中选用的是通用版组态软件,通用版属于监控系统中层的组态软件,主要完成通用工作站的数据采集和加工、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等日常性监控事务,系统稳定可靠,能方便的代替大量的现场工作人员的劳动和完成对现场的自动监控和报警处理,随时或定时的打印各种报表
6.2步进式加热炉控制系统的监控显示画面(组态图见附录B
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2.1参数显示、报警画面包括预热段、加热段、均热段三段温度的上下线报警和压力上下线报警及报警描述温度报警及数据显示画面炉压报警及数据显示画面
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2.2实时趋势画面对加热炉的各段炉温以及炉膛压力进行实时监视温度和炉膛压力实时趋势画面
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2.3历史趋势画面加热炉各段炉温及炉膛压力是在运行的当前时刻存盘,对温度和压力的变化保持记忆随时可任选显示开始运行后任一时间段的温度和压力的变化趋势曲线温度和炉膛压力历史趋势画面
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2.4工艺流程监控画面包括炉内加热炉的工艺流程、燃料总管和空气总管的调节、炉膛三段温度调节及显示画面、炉膛压力调节及显示画面、温度和压力报警和数据显示及实时曲线与历史曲线显示画面等加热炉生产过程监视画面
6.3系统流程图
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3.1主程序流程图���开始�手动吗?�手动方式�置自动标志�步进式加热炉温度控制�炉膛压力控制�NY结束步进式加热炉控制主程序流程图
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3.2燃料与空气比值控制系统���采集燃料和空气数据�燃料和空气配比是否满足条件?�返回�燃料与空气经喷嘴混合后燃烧�是否调节燃料与空气管道控制阀至适当位置�开始燃料与空气比值控制子程序流程图在步进式加热炉的生产工艺中加热炉的空燃比值燃烧控制是一个相当重要的部分既要保证加热炉的各段温度达到一定数值以满足加热钢坯的需要又要考虑燃料的经济成本所以空燃比值燃烧控制中采用双闭环比值控制系统使燃烧更加完善燃烧质量大幅度提高大大降低了轧钢的生产成本减少了废气污染为生产高效奠定了可靠的基础
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3.3温度控制系统���开始�采集温度信号�燃烧控制�返回�采集到的温度信号与设定值是否相等?�燃料空气单交叉调整�是否温度控制系统子程序流程图温度控制是自动控制经常讨论的课题之一,它代表了一类自动控制的方法而且温度控制在我国电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛,可以说在生产生活中无处不在,例如加热炉、电冰箱等等由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,所以温度控制带来的时滞效应难题始终困扰着实际应用,使得它对控制调节器要求极高目前,仍有相当部分工业、企业在步进式加热炉加热钢坯过程中存在着控制精度不高,炉内各段温度均匀性差等问题,达不到工艺要求,造成装备运行成本费用高,产品品质低下,严重影响企业经济效益,急需进行技术改造随着科学技术的高速发展,温度控制技术得到了很大的进步,其应用的领域也不断的扩大步进式加热炉温度控制系统的设计是个传统的课题,温度控制在工业生产、科研活动中是个很重要的环节,能否将温度控制在所需要的范围内关系到整个步进式加热炉系统的成败由于控制对象不同,所控制的精度有所不同,为了达到所需要的精度,所以在本设计采用基于西门子的可编程控制器与集散控制系统来控制炉膛内的各段温度其中步进式加热炉为三段式加热炉,预热段温度为750℃~1100℃,加热段的温度为1250℃~1300℃,均热段的温度为1150℃~1250℃各加热段内置热电偶用于检测温度各段温度控制器采用可编程控制器,热电偶检测的温度与设定值比较,经PLC计算后输出4~20mA控制信号给执行器调节炉温PLC再将采集到的温度数据送到组态系统中,对加热炉内的三段温度进行显示及报警输出
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3.4炉膛压力控制系统���开始�判断炉膛压力是否等于设定值?�返回�调整烟道百叶窗至适当位置�是否采集炉膛压力信号�炉膛压力控制系统子程序流程图为防止冷风倒灌和火焰从炉内喷出,加热炉内应保持微正压调节器根据安装在均热段侧壁上的变送器测量的压力变化去控制烟道百叶窗的开度,以保证炉内维持微正压炉压控制器设自动A和手动M两种模式自动方式时在CRT上由人工给定炉压调节回路的设定值控制炉压;手动方式时在CRT上由人工对炉压调节器的输出值手动控制当炉压变送器处于故障状态时,炉压控制器被强制为手动状态,烟道百叶窗维持原来的开度炉膛压力要保持在一定范围内过高会使炉门喷火损伤炉体及设备过低则影响燃烧质量和效果附录A源程序附录B组态图
八、设计总结在本次课程设计中通过查阅大量的资料,使我的知识得以扩充,加深了对本专业的认识,这次课程设计通过老师的指导,同学的讨论,以及自己的努力,我圆满的完成了任务,达到了设计的目的我学会了过程控制设计的基本方法,对系统的整体分析真正感受到所学知识与实际的应用通过这次设计使我明白到有些东西看上去非常简单,当自己置身其中去做时,并不容易了在课程设计的这段时间里,我也发现了自己所应该改进或是较为缺乏的部分,其一是分析问题的能力可能是自己学习的不够扎实,实习中碰到了不少钉子,遇到问题时头脑很茫然;二是解决问题的成熟度这也许是个性使然,再加上缺少经验的累积和历练,所以在处理设计中的问题时,容易慌慌张张这次设计也让我再次体会到书本上学习到的专业知识和实际应用起来是两个完全不同的概念,所以在现阶段的学习中,我们主要是应该去学习专业理论知识,学习掌握分析问题和解决问题的能力在以后的工作中,把理论和实际相结合,努力实现大学所学习的理论知识对于我以后学习、找工作也真是受益菲浅我感性回到理性的重新认识,进一步对社会的认知,对于以后工作所应把握的方向也有所启发!。