步进式加热炉过程控制系统课程设计(编辑修改稿)

步进式加热炉过程控制系统课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 12 “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 CENTUMCS3000 软件，它 是一个结构真正开放的系统， CENTUMCS3000 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） 、 V /IP 控制总线。 CENTUMCS3000 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 13 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。 CENTUMCS3000 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 14 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。 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： 15 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 2F 1F 2——给 定 图 51 燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图 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 16 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 52。 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 52 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。