加热炉的过程控制系统的设计

学士学位论文加热炉的过程控制系统的设计姓名：江鹏学号：200806130160指导教师：付玲学校代码：10904学士学位论文加热炉的过程控制系统的设计院系(部所)：机电工程学院专业：过程装备与控制工程完成日期：2012年04月20日姓名：江鹏学号：200806130160指导教师：付玲院系(部所)：机电工程学院专业：过程装备与控制工程完成日期：2012年04月20日ⅰ摘要加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备，其过程控制水平直接影响到能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。随着现代化技术的迅猛发展，如何采用先进的过程控制技术与设备，提高基础过程控制效果与水平，确保钢坯的加热质量、实现高效节能、减少污染是本文研究的意义所在。本文对国内外加热炉控制技术的发展和现状进行了综述。介绍了串级控制系统的构成，实现了加热炉炉温控制、流量控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等。实践证明，本系统运行可靠稳定，操作方便，正确调整有关参数就能达到较好的控制效果，具有推广价值。关键词：加热炉;过程控制；节能ⅱAbstractHeatingfurnaceofsteelrollingproductionlineinironandsteelindustryasthekeyequipmentandenergyconsumptionofequipment,theprocesscontrolleveldirectlyaffectstheenergyconsumption,burningrate,scraprate,yield,qualityindex.Withthedevelopmentofmoderntechnology,howtheuseofadvancedprocesscontroltechnologyandequipment,improvethebasicprocesscontroleffectandlevel,toensurethatthebilletheatingquality,achievehighefficiencyandenergysaving,pollutionreductionisthesignificanceofthisstudy.Theheatingfurnacecontroltechnologydevelopmentandthepresentsituationarereviewed.Introducedthecascadecontrolsystem,realizestheheatingfurnacetemperaturecontrol,flowcontrol,furnacepressurecontrol,gasductandairmanifoldpressurecontrol.Provedbypractice,thissystemisstableandreliableoperation,convenientoperation,correctlyadjustrelevantparameterscanachievebettercontroleffect,havepromotionvalue.Keywords:heatingfurnace;processcontrol;energysaving.Ⅰ目录第1章绪论........................................................11.1加热炉的发展和现状......................................................................................11.2加热炉控制技术发展和应用现状..................................................................21.3课题的意义和本文的主要工作.....................................................................41.3.1课题的意义.............................................41.3.2本文的主要工作.........................................5第2章加热炉控制系统的设计........................................62.1串级控制系统................................................62.1.1串级控制简介...........................................62.1.2炉温一燃料量串级控制...................................72.2流量控制.....................................................92.2.1燃料量—空气流量双闭环控制系统........................112.2.2燃料量—空气流量双交叉限幅控制........................122.3炉压控制....................................................142.3.1加热一段和加热二段炉压自动控制........................142.3.2均热段炉压自动控制....................................152.4煤气总管和空气总管的压力控制以及汽包液位控制................................16本章小结..............................................................................................................................17第3章总结和展望.................................................18参考文献..........................................................19致谢..............................................................21加热炉的过程控制系统的设计作者：江鹏第1页共21页第1章绪论加热炉的耗能量在轧钢等生产中占据了很大的比例，大约占所有耗能总值的70%左右，是冶金行业中主要的耗能设备。此外，目前我国加热炉的热效率普遍较低，据统计，步进式加热炉的热效率只有35%。因此，如何实现加热炉的优化控制，提高加热炉的热效率，降低能耗是当前加热炉技术改造以及节能工作中具有深远意义的课题。1.1加热炉的发展和现状加热炉是轧钢行业中重要的生产设备之一。加热炉的生产过程是：钢坯由炉尾装入—加热并往前运送—达到所需温度—通过出钢口出炉—沿着辊道送向轧钢机。加热炉不仅要完成加热钢坯的任务，还要保证有安全的运行环境，同时还要考虑高效率和节省燃料。当前冶金业关注的课题是如何设计出一个合理有效的控制系统，该系统能在燃料质量、空气流量和控制系统负荷等因素变化时，仍能保证加热炉的炉膛压力、炉膛温度及排烟温度等参数稳定在控制范围中，并且能使加热炉处在最佳燃烧的工作状态下，以此来提高产品的质量同时节约能耗、减少加热钢坯的氧化程度、减少排出烟气对环境的污染等等。我国轧钢工业中加热炉主要有推钢式炉和步进式炉两种类型，推钢式炉有烧损大、产量低、长度短等缺陷，如果操作不当有时还会粘钢，出现各种各样的生产问题。同时板坯背面滑轨的摩擦痕迹较多，钢坯断面层的温差较大，这样的加热炉很难实现自动化管理。相比于这些，步进梁式炉所用的是专用的步进式结构，能使板坯在炉内按矩形移动，这样板坯之间可以留出空隙，同时步进梁和板坯之间也不存在摩擦板，出炉的时候板坯通过专门的托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢坯断面层的温差较小、炉长不受限制、可出空炉料、产量高、生产操作灵活等特点，其生产符合高质量、多产量、低能耗、无公害、节能环保以及生产自动化的工艺要求。自60年代起，人们就开始对加热炉进行改造，随之计算机应用的普及和高速发展，自动化技术也飞速发展着，人们把这两样技术用于加热炉控制技术改造加热炉的过程控制系统的设计作者：江鹏第2页共21页上，使其在高质量、多产量、多品种、低能耗和环保方面有了极大的提高。计算机控制系统在加热炉上面的使用，使节能率一般达到5%左右，减少氧化烧损0.2%左右。我国70—80年代的大部分轧钢生产线都存在着质量差、产量低、耗能高、自动化生产水平低之类的问题。1979年12月，我国召开了全国轧钢会议，本次会议对我国轧钢工业现在所存在的问题与其后的发展前进方向进行了全面深入的讨论，提出应用用步进式加替推钢式，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，用连铸逐步代替初轧，用连续式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机等改进措施[3]，并取得很大的成效。1.2加热炉控制技术发展和应用现状以前我国加热炉的大部分控制系统都是采用模拟控制系统,有关数据只在加热炉控制系统中单独贮存，人们只能通过加热炉自身的仪表进行观测、判断故障并解决故障。随着网络技术普及到人们生活和各个行业中，整个工厂逐步开始实现两级自动化管理,人们通过相应的终端计算机就可以了解任何一个位置的设备或装置的生产情况以及控制情况。这时加热炉基础自动化控制（一级控制）已经不能满足人们需求，实现加热炉的过程控制（二级控制）已经迫切的被提到日程上来。因此,过程控制系统开始在加热炉系统中得到广泛的应用,它开始成为加热炉控制系统的重要组成部分,它是对一级控制系统的一个总领和扩充。过程控制系统的使用将使加热炉的控制水平上升到一个崭新的台阶。目前在我国加热炉生产控制系统广泛应用的主要有以下技术:(1)计算机网络技术随着现代计算机互联网技术的飞速发展，计算机网络既可以用通信线路将几台计算机连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处理，也可以将数百台计算机系统，用数千公里的通信线路连成全国或全球通信网，以实现资源共享。(2)现场总线技术现场总线技术指的是应用于生产现场的、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也被人称为多点化、数字化、开放化通信技术。现场总线既是一个通信网络，又是一个自主控制系统。它作为一个通信网络，传送的不是人们平常用于传送声音、文字和图像等，它所传送的是有关接通或切断电源、加热炉的过程控制系统的设计作者：江鹏第3页共21页开启或关闭阀门的一些指令和数据，这些数据直接关系到处于生产操作过程中的装置和人身安全，这就要求信号在恶劣的环境比如噪声、电磁波、粉尘干扰很严重的环境下能做到及时、精确的传送，同时它还具有大量分散的节点、间断的报文等特点。而它作为一个自主控制系统，它的结构跟一般的控制系统不同，它能通过信号的传送，可由单个节点完成或多个节点共同完成所需求的控制功能。它是一种由网络集成的自主控制系统。(3)全数字式传动技术随着电子技术和计算机技术的发展，全数字直流调速技术已经逐步完善起来。近几年来，各个工业生产环节已广泛开始应用全数字直流调速装置。高智能化的数字系统使其具有常规模拟系统无法比拟的优点，全数字直流调速装置体积小、安全、易调试、易维护并且具有优良的静、动态特性。原先模拟控制系统的直/交流供电装置也被全数字化的交流逆变装置和全数字化的可控硅整流装置所替代。(4)PLC及DCS控制技术PLC控制系统和DCS控制系统已成为目前加热炉控制系统的主流。往往一些大规模的系统，其电控部分采用PLC控制系统，而回路部分采用DCS系统。DCS系统综合了控制(Control)技术、CRT技术、通信(Communication)技术、计算机技术(Computer)即4C技术