钒钛冶炼炉压力控制(编辑修改稿)

钒钛冶炼炉压力控制(编辑修改稿)内容摘要：

过高，炉门会发生喷火，并有可能会损坏炉体或设备；过低，炉内可能会吸进冷空气，进而对加热炉的燃烧质量和效果造成一定的影响 [6]，并增加钢坯的氧化烧损，影响经济效益。 加热炉控制系统构成 加热炉控制系统采用分级控制的结构，其构成如图 所示。 工 程 师 站工 业 以 太 网H M Is e r v e r 2H M Is e r v e r 1 以 太 网 层压 力模 块 图 加热炉控制系统 结构图 加热炉控制系统是用计算机通过以太网连接下位机 PLC， 上位机发出的命令首先给攀枝花学院毕业设计（论文） 加热炉压力控制系统的设计 7 下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。 下位机不时读取现场过程变量及 设备状态数据， 对生产过程进行实时控制。 上位机运行用组态软件设计的监控画面，对加热炉生产过程及控制系统进行监控，以保证加热炉正常运行。 加热炉压力控制系统设计 助燃空气压力控制系统 确保喷嘴正常工作的一个重要条件就是有效地控制燃烧空气压力的大小。 采用单回路控制系统，燃烧空气压力调节器选用 PID 调节器。 当设定值与反馈值出 现偏差时， PID调节起作用，并确保在最短的时间内使其达到最小。 若给定值大于反馈值，偏差信号经PID 运算后输出，阀门随之关小，接着压力开始下降；反之，当给定值小于反馈值时，偏差信号经 PID 运算后，阀门随之开大，接着压力开始升高。 煤气压力控制 从安全方面着手，煤气和空气发生低压现象，气体压力控制阀会有意外。 因此，从燃气和空气的主要管道上，都配备了两个低电压开关，热交换器前后，也分别配备了一个。 任何低电压开关发生动作，都将会使煤气主切断阀进行自动关闭动作，然后停炉，以保证加热炉的安全。 炉膛压力控制 影响炉膛压力的最主要的因素是高炉内气体的具体流动状况，但直接影响气体的具体流动状况的是烟道窗口的开度大小。 单回路控制系统是本设计方案的控制策略，改变烟道窗口的大小，进而控制烟囱的吸力和炉膛的压力，而炉压的检测点的具体位置是在均热段炉顶出料上方。 本设计的炉膛压力、煤气总管压力和空气总管压力均为单回路控制系统，其方框图如图 所示。 压 力 控 制 器 控 制 阀 压 力 对 象压 力 变 送 器给 定_ 图 炉膛压力控制系统方框图 压力检测元件的选择 压力检测的方法虽然有很多，但是按照转换 原理和敏感元件特性的不同，一般可将攀枝花学院毕业设计（论文） 加热炉压力控制系统的设计 8 其分为四类，包括：弹性式压力检测、液柱式压力检测、活塞式压力检测和电气式压力检测 [7]。 考虑到加热炉的工艺，检测炉膛压力时，用弹性式压力检测是不错的选择。 弹性式压力检测是指压力敏感元件的弹性元件将压力转换成弹性元件位移的原理而进行检测的一种检测方法。 弹性元件所受压力超过其弹性限度后，将会发生变形，而此变形的大小又与被测量的压力存在正比的关系。 波纹管、膜片和弹簧管是目前常用的压力检测弹性元件。 弹簧管不仅能用适当的转换器件将其自由端的位移转换成电信号后进行输出，而且可以使用传 动机构进行被测压力的直接指示。 在此设计中，压力变送器和弹簧管压力表的组合对炉膛压力进行检测，而弹簧管压力表属于指示型仪表的一种，不仅使用便捷、价格低廉、结构简单，而且其测量范围非常广，可对低压、微压、中压、高压和负压等进行测量，由此可见其测量范围之宽广。 弹簧管压力表的最高精度等级是 级，以满足制造要求。 因为炉膛压力必须满足 5～ 20KPa 的控制要求，而煤气总管压力范围为 30～ 150KPa 以及空气总管压力范围为 20～ 130KPa。 因此，本设计选用弹簧管压力表和压力变送器的组合。 执行器的选择 调节器的控制信号由执行器进行接收，再经执行机构把它转换为对应的直线位移或角位移，进而对调节阀进行操作，将控制变量改变后，使控制参数满足原先预想的要求。 执行机构和调节机构二者构成了执行器。 执行机构就是产生位移或推力的装置，调节机构就是可以对能量或物料输送量直接进行改变的装置。 执行机构包括电动执行机构、气动执行机构和液动执行机构，而执行机构的选择就是从以上三者中进行选择的。 执行机构的选择不仅需要考虑以下几点，包括经济效益、控制精度和现场状况，还需要满足介质和能源的工艺要求。 气动执行机构的优点是工作可靠、价格 低廉、结构简单、维护便捷，还可以预防火灾和爆炸。 本设计之所以使用气动执行器，是因为焦炉煤气极其容易燃烧、爆炸。 气动执行器不但使用便捷，成本降低，还能对煤气的燃烧和爆炸进行有效地预防，以减少意外事故发生的概率 [8]。 来自电 /气转换器的输出气压信号被气动执行机构接收，然后把它转换成对应的推杆直线位移，实现对调节机构的推动。 压缩空气是气动执行机构的动力源泉，来自调节器的输出信号被气动执行机构接收，由膜片或气缸对阀门连杆动作进行驱动，进而对被控介质的流量进行调节，最终把被控变量控制在此系统允许的范围里。 活塞式和 薄膜式是气动执行机构的两种形式，而薄膜式中最常见的就是气动执行机构，能够直接对阀杆进行驱动，价格低廉、结构简单、输出行程偏小是气动执行机构的特点 [9]。 活塞式因其行程长，所以只能用于有特殊需要的场合，但其缺点是价格昂贵。 本设计的执行机构是属于薄膜式的气动执行机构。 被控介质在生产过程中的特性存在很大区别，有的是高粘度的，有的是强腐蚀的，还有的是高压的；有的流量是合流，有的流量是分流，且流量大小各不相同，所以流体攀枝花学院毕业设计（论文） 加热炉压力控制系统的设计 9 的流动状态也都不一样。 所以其结构形式的选取不仅需要考虑流体的流动状态、被控介质的特点、过程控制的要 求和工艺要求，还需要考虑阀门的结构特点及其经济性和合理性。 调节机构又名调节阀，它无异于普通阀门，是一个可以改变局部阻力的节流元件。 随着阀芯在阀体内的位置发生变化，阀座和阀芯间的流通面积也发生了改变，也就是阀的阻力系数发生了变化，与此同时，被控介质的流量也发生了改变，最后实现对工艺变量进行调节的目标。 调节阀的结构形式因不同的使用要求而有很多种，下面介绍主要的几种 : 角形阀、直通单座阀、三通阀、直通双座阀、套筒阀、高压阀、偏心旋转阀、蝶阀。 角形阀因其阻力小，流路简单，且阀体呈现直角形，所以常被用于高粘度、高 差压、有颗粒或悬浮物物料流量控制的场合。 调节阀使用底进侧出的方式会获得很好的稳定性。 出于考虑阀芯使用寿命长久的考虑，高压场合时调节阀使用侧进底出的方式会获得良好的稳定性。 此设计的全部空气阀和煤气阀使用的都是角形阀。 烟道百叶窗挡板利用转轴的旋转达到控制流体流量的目的。 挡板轴、挡板、轴封和阀体共同构成烟道窗口的挡板。 因其成本微小、结构紧密，且流通能力大的特性被应用在大流量、大口径、低差压，且存在悬浮物流体的场合，但泄漏量偏大是其缺点。 因本设计的控制炉膛压力的烟道百叶窗压差小，口径大，流通量大，且存在一定的泄漏 量对炉压控制影响较小，所以选用烟道百叶窗。 控制系统的执行部件就是控制阀，控制器发出的命令被控制阀接收并执行。 直接影响控制作用好坏的因素是看控制阀的选择是否适当。 所以，就控制阀的选择，一定要慎重。 控制阀接收气压信号，随着输入压力的变大，控制阀的开度也变大，这就是气开阀；相反，控制阀接收气压信号，随着输入压力的减小，控制阀的开度也变小，就是气闭阀。 就一个相对完整、具体的控制系统而言，具体的生产工艺决定了气闭阀或者气开阀的选择。 对于一般情况，气闭阀或者气开阀的选择需要满足一下几点要求。 第一，要考虑生产安全。 如果发生信号中断，首先应该确保工作人员和生产设备的安全。 换言之，控制器因故障而没有输出，气源供气停止，控制网的膜片因破裂而导致气体外泄，若以上任一情况导致控制阀无法进行正常的工作，因而导致气闭阀变成全开，气开阀变成全闭，也要保障人员和设备的安全，将发生事故的概率降到最低。 第二，要确保产品的质量。 若控制阀因处于无能源状态（即气闭阀变成全开，气开阀变成全闭）变回其起始位置时，也要确保产品的质量。 第三，要考虑动力、成品和原料的低损耗。 要考虑介质的特性。 若控制阀处在失去能源的状态时，也能尽量把产品和原料浪费降到最低。 此外，当产品和原料发生结晶、易凝或聚合后，尽量防止控制阀因失去能源而造成严重的后果 [10]。 就生产安全而言，若控制器因故障没有信号输出，或煤气系统中断没有信号输出时，执行器的阀芯回到原始状态，防止事故的发生。 考虑到异常情况下的爆炸，压力调节阀攀枝花学院毕业设计（论文） 加热炉压力控制系统的设计 10 选择气闭式是合理的，倘若因压力过高而致使事故的发生，压力执行器全开，以防因压力过高而造成严重的不良后果 [11]。 控制器的选择 控制器是传统的仪表控制系统的核心部分。 负责整个控制系统的“命令”，控制器的正确选择，不仅可以对控制品质进行改善，而且能够提高系 统的控制品质。 压力控制器是此控制系统的控制器，因为控制器的选择一定要符合实际工艺要求，所以有必要选择合适的控制器。 控制规律的选择： 比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制是控制器的三种最基本的控制规律。 比例控制规律的特征是：控制器的输入信号和输出信号成比例，也就是阀门的变化和偏差变化有相应的关系。 它可以很好的避免扰动的影响，过渡时间快。 可是，单一的比例控制器在整个过程结束后仍有余差存在，并且负荷的变化大，余差也大。 三种控制规律中最基本的控制规律是比例控制规律，它可以独立使用，也可以和其它规律结合使用。 它的优点是结构简单、整定方便。 该控制器适合调节通道滞后很小、负荷变化小、控制要求低、被控量可以有一定余差的场合。 比如，可以使用比例控制器的场合有；冷凝器液面、一般的精馏塔塔底液面和次要的蒸汽压力控制系统。 比例积分控制规律的特征是：控制器的输出信号不但和偏差的大小成一定比例，还和偏差有着一定的数学关系。 同时具有比例和积分两种控制规律的控制器叫做比例积分控制器。 它的应用最为广泛。 适用于调节的场合为。 通道滞后很小、负荷变化小、被控的变量不能有余差。 采用该控制器的控制系统有：管道的压力控制系统和一些严格要求的 液位控制系统。 比例积分微分控制规律的特征是：较其它两种增加了微分作用，因此控制器的输出不但和偏差的存在时间和大小有关，并且还和偏差的变化快慢成比例，所以对于系统小的容量滞后可以起到提前补偿作用，而且可以改善积分作用引起的系统不稳定。 三种控制规律都具备的控制器叫做比例积分微分控制器，还称三作用控制器，其综合和三种控制规律的优点，所以是一种较理想的控制规律。 适用于调节的场合有：容量滞后大、负荷变化不小、控制效果要求高的场合。 根据控制规律的特征和工艺要求，单回路控制系统，选压力作为其参数，为了保证稳定，比例 较大，可以加入积分，采用比例积分控制器，因此可增强控制作用；控制器不需要微分作用，如果要加微分作用，只有当对象容量滞后大时才可以 [12]。 因此在单回路控制系统中控制器的控制规律采用 PI 控制规律。 即炉膛压力控制器、煤气压力控制器和空气压力控制器都是采用 PI控制规律。 控制器的正反作用的选择： 正作用和反作用一般是工业控制器都具备的两种工作方式。 当控制器的输出信号跟攀枝花学院毕业设计（论文） 加热炉压力控制系统的设计 11 着被控量的增大而增大时，此时控制器的工作方式为正作用；相反，当控制器输出信号跟着被控量的增大而降低时，控制器的工作方式为反作用。 为了适应不同 的被控对象，实现闭环负反馈的控制要求，控制器设定了正作用和反作用。 在一个闭环控制系统中，控制器、被控对象、变送器以及执行器等各个环节都有它们各自的作用。 如果各个部分的组合不妥，让系统构成正反馈，控制系统就起不到控制作用，并且生产过程的稳定也会被破坏。 由于不能随意选定变送器、被控变量和执行器的正反作用方向，所以要通过正确的选用控制器的作用方式来实现控制系统闭环负反馈特点。 假如规定控制系统中各环节作用方式如下： 1．控制器工作于正作用为“ — ”，工作于反作用为“十”； 2．执行器的阀门气开式为“十”；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．测量变送器肯定为 “十”。 判断规则：控制系统中如果各环节规定符号的乘积为正，则为负反馈系统。 首先考虑炉膛压力控制系统， 变送器的静态放大系数 Km 通常为正，所以只需要调节器放大系数 Kc，调节阀放大系数 Kv， 被控过程放大系数 KO相乘为正即可。 根据调节阀正反作用的控制规律，因调节阀为气闭形式，所以 Kv 为负， 由于烟道 百叶窗开度变大， 烟囱吸力变大， 其炉膛 负压 变 大 ，所以为反作用过程，即 KO 为负。 因为根据单回路系统的各部分增益乘积 应为正的原则，即 Kc*Kv*Ko*Km0,所以调节器的 Kc应为正，即反作用方式的调节器。 调节器设置正反作用的目的是使控制系统构成负反馈系统。 依据上面分析的判断规则，判断出炉膛压力控制系统的压力控制器为反作用控制器。 同理，可判断出 3个单回路控制系统的压力控制器均为反作用控制器。 PLC 选型 PLC(Programmable Logic Controller)是可编程序控制器的英文缩写 , 在我国的应用非常广泛，在冶金、化工、印刷生产线领域等都有应用 [13]。 西门子 S7系列 PLC体积小、 速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强。 它可以取代传统的继电器完成开关量的控制。