基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统设计

基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统设计 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统 摘 要 步进式加热炉是轧钢生产线上的关键设备之一，与轧制机组构成了轧制生产线的主体生产环节。为了提高步进式加热炉产品的质量，本文研究主要是从工业控制的角度出发，对步进式加热炉加热的过程控制系统作了研究和探讨。 本文通过了解整个步进式加热炉的生产工艺及影响因素，确定了燃料燃烧控制系统、温度控制系统和炉膛压力控制系统的控制，并对其控制规律及参数进行选择。下位机采用PLC进行软件编程，上位机采用DCS软件进行画面监控显示，实现了加热炉温度和炉膛压力的自动控制功能。最终可达到加热炉安全、经济、高效的运行。 关键词:步进式加热炉;自动控制系统;PID控制;PLC;DCS I 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) The Step-type Of The Heating Furnace Control System Based On PLC And DCS Abstract Step-type of the heating furnace is one of the key equipment in the production line of rolling steel, it constitutes the main production processes of the rolling production line with the rolling unit. In order to improve the quality of products in the step-type of the heating furnace, in this paper, the research is mainly from the perspective of industrial control, it designs and explores the control system of the heating process about step-type of the heating furnace. This article designs the control plan of the fuel burning control system, the temperature control system and the chamber pressure control the system through understanding the entire step-type heating furnace's technique of production and influencing factors，and choses its control rule and the parameter. Next-bit machine uses the software of PLC to program the software，the host computer uses the software of MCGS to monitor and display screen，which realizes the automatic control function of the temperature and pressure of the furnace. Finally it achieves the heating furnace movement safely, economically, the highly effective. Key words: step-type of the heating furnace;automatic control system;PID control algorithm;PLC;DCS II 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 目 录 摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................... II 第一章 引言............................................................................................................. 1 第二章 步进式加热炉工艺 ..................................................................................... 3 2.1 步进式加热炉简介 ..................................................................................... 3 2.1.1 步进式加热炉的概念 ........................................................................ 3 2.1.2 步进式炉的几种类型 ........................................................................ 3 2.1.3 步进式炉的优缺点 ............................................................................ 3 2.2 步进式加热炉的工艺简介 .......................................................................... 4 2.2.1 步进式加热炉的生产工艺流程 ......................................................... 4 2.2.2 影响钢坯质量的若干因素 ................................................................ 7 第三章 步进式加热炉控制系统硬件设计 .............................................................. 9 3.1 控制方案 ..................................................................................................... 9 3.1.1 燃料燃烧的控制系统设计 ................................................................ 9 3.1.2 炉温的控制系统设计 ...................................................................... 10 3.1.3 炉膛压力的控制系统设计 .............................................................. 13 3.2 元件的选择 ....................................................................................... 13 3.2.1 温度检测元件.................................................................................. 13 3.2.2 流量检测元件.................................................................................. 14 3.2.3 压力检测元件.................................................................................. 14 3.3 执行器的选择 ........................................................................................... 15 3.3.1 执行机构的选择 .............................................................................. 15 3.3.2 调节机构的选择 .............................................................................. 16 3.4 控制器的选择 ........................................................................................... 17 3.4.1 控制规律的选择 .............................................................................. 17 3.4.2 控制器的正反作用选择 .................................................................. 18 3.5 PLC选型 ..................................................................................................... 20 3.5.1 S7-200简介 ...................................................................................... 20 III 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 3.5.2 S7-200的模块选择 .......................................................................... 21 3.5.3 PLC的I/O地址分配 ....................................................................... 21 3.6 DCS选型 ................................................................................................... 22 第四章 步进式加热炉控制系统的软件设计......................................................... 25 4.1 软件系统介绍 ........................................................................................... 25 4.2 系统流程图 ............................................................................................... 32 4.2.1 主程序流程图.................................................................................. 32 4.2.2 燃料与空气比值控制系统 .............................................................. 34 4.2.3 温度控制系统.................................................................................. 34 4.2.4 炉膛压力控制系统 .......................................................................... 36 4.3 程序编制 ................................................................................................... 36 4.4 系统调试 ................................................................................................... 37 4.4.1 系统软件调试.................................................................................. 37 4.4.2 系统硬件调试.................................................................................. 37 第五章 总结........................................................................................................... 38 参考文献 ................................................................................................................ 39 附录A 源程序 ........................................................................................................ 41 附录B 组态图 ........................................................................................................ 56 致 谢 .................................................................................................................... 57 IV 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 第一章 引言 钢铁行业作为关系国计民生的基础性行业，具有较高的产业关联度。钢铁工业是一个原材料的生产和加工部门，处于产业链的中间位置，它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。 钢铁企业轧钢领域蓄热式换热技术的应用，从炉型上分:有推钢式加热炉、步进梁式加热炉、车底式炉、均热炉、罩式炉、带材连续式热处理炉及冶炼连铸领域的烘烤设备。加热炉是轧线的龙头，加热炉运行状况对钢铁企业的产品质量、效益有很大的影响。目前步进式加热炉是各种机械化炉中使用最广、发展最火的炉型，是取代推钢式加热炉的主要炉型。七十年代以来，世界各国新建的热连轧机等大型轧机，几乎都采用了步进式炉。 连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位。它的任务是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，并且在保证优质、高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗、减少氧化烧损。随着轧钢生产的大型化、连续化和对加热炉高产、优质和低消耗的要求不断提高，采用计算机控制加热炉生产已成为实现上述目标的发展方向和必然趋势。加热炉中钢坯加热过程优化控制的目的不外乎优质、高产和低消耗，其优化控制目标主要包括:燃耗最低、氧化烧损最小、产量最高和目标出炉温度最准等。此外，还可计入炉子运行折旧、加热和轧制的总能耗等指标。 加热炉的主要任务是加热钢坯，使其在出炉时达到轧制所要求的温度分布。由于加热炉只是轧钢工序的组成部分，许多不可预见的因素都将影响到加热炉的稳定生产，而待轧是炉子操作中一个典型的动态过程，也是不可避免的。一般将加热炉的待轧状态分为性和非计划性待轧，其中计划待轧指计划检修或换班引起的停顿，其时间一般能准确确定;而非计划待轧只由事故等随机因素造成的，其时间一般不易预知。待轧一旦发生，钢坯在炉内不再运动，如果供热制度不做适当调整，钢坯温度将不断上升，这不仅导致燃料浪费，而且还可能导致更多的氧化和脱碳，严重地影响到钢坯的加热质量。因此，必须对生产过程中出现的待轧情况进行动态的决策，使加热炉在此不稳定工况下仍能实现优化操作，满足加热炉优质、高产和低消耗的要求。 现代化的高产量热轧带钢轧机，由于对轧制带钢的厚度尺寸公差、带钢表面质量和板型控制的要求日益严格，因而对板坯加热温度均匀性和热板坯表面的质量要求也不断 1 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 提高，如何提高其质量一直是冶金行业密切关注的问。加热炉是热轧带钢轧机必须配备的热处理设备。提高板坯质量的方法多种多样，在生产过程中运用自动控制即是其中之一。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的热连轧机应该配置大型化的、高度自动化的步进式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自 [1]动化的工艺要求，以提高其产品的质量,增强产品的市场竞争力。 2 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 第二章 步进式加热炉工艺 2.1 步进式加热炉简介 2.1.1 步进式加热炉的概念 借助于炉底的升降和进退，使钢坯在炉内做走步一样，从装料端一步一步地“走”到出料端。以这种方式运送炉内钢坯的炉子叫做步进式炉。 2.1.2 步进式炉的几种类型 步进式炉从炉子构造上分目前有:单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。 单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。 两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坯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坯或带钢轧前加热。 钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。 交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好。 炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。例如预热段每走一步，加热段可以走两步或两步以上。这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。 2.1.3 步进式炉的优缺点 步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着， 3 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 其间距可根据需要加以改变。 原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。 步进式炉具有以下特点:(1)炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60米长，一个步进式炉可以代替1.5—2个推钢式炉。(2)操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。(3)炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。(4)钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。(5)水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。(6)两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。(7)没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。(8)钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。(9)生产能耗大幅度降低, 4从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。(10)产量大幅度提高,在100*t/a以上。(11)10生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。 2.2 步进式加热炉的工艺简介 2.2.1 步进式加热炉的生产工艺流程 加热炉生产时，根据轧制计划，将板坯送至加热炉上料运输辊道，钢坯经称重、测长、测温后送至区域管理计算机指定的炉门装料口，按布料图进行定位，在确定炉内有足够空间后，装料炉门打开，装钢机将板坯送入炉内，板坯间隔50mm，完毕后装料炉门关闭。 4 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 炉内板坯通过步进梁的运动，经过炉子的预热段、加热段、均热段充分加热，达到轧制要求温度后，运行至出料端激光检测处并完成最后一次步进运动，经激光检测器检测及步进梁行程控制系统和炉内坯料跟踪系统计算，钢坯在炉内准确位置的信号被送往出钢机，出钢机托起钢坯出炉，准确将钢坯放在出炉辊道中心线上，再由出炉辊道输送 [10] 到粗轧机轧制。 从初轧厂或连铸车间来的板坯，一般经火焰清理后送入热轧厂加热炉，钢坯从炉尾装入炉内，不断前进，经预热段、加热段和均热段，最后被加热到所需轧制温度。加热炉的特点是热负荷不随时间变化，炉内各段温度要求比较稳定，且分布均匀。加热炉自装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热段及均热段，如图2-1。预热段长度较长，可以充分利用烟气来预热装入炉内的钢坯，从而提高燃料的利用率。钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。均热段主要将钢坯均匀热到规定的出钢温度。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，不能出钢。三段的温度互相融合，互相影响。本设计中加热炉为三段式加热炉，分为预热段，加热段，均热段，其中预热段、加热段、均热段采用上端煤气燃烧控制，加热后的热风送向各烧嘴，供燃烧时使用。 为了便于灵活调节各段炉温，在预热段与加热段，加热段与均热段之间设有无水冷隔墙。用无水冷隔墙隔开，可以精确控制各段炉温以及炉膛压力，减少各段之间的辐射干扰。各段均为上加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。通过每对蓄热式烧嘴的切换燃烧，加强了炉气在炉内的扰动，增强了炉气对钢坯的传热。空气预热温度1000?以上，排烟温度150?以下。 预热段均热段加热段 图2-1 步进式加热炉工艺图 步进式加热炉与推钢式加热炉相比，其基本的特征是钢坯的移动是通过固定梁和载 5 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 有钢坯的移动梁进行的，在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升、前进、下降、后退的矩形运动，一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。炉内钢坯通过步进梁的步进动作，自装料端一步一步经过预热段、加热段和均热段传送到炉子的出料端。在接到轧机要钢信号后，步进梁就将固定梁上最终料位处的钢坯托放在出料悬臂辊上面，然后送出进入轧线轧制。传动机构的上下运动和前后运动分别是独立机构构成的，支撑在辊子上的步进梁的前进、后退用油压传动方式，上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动，炉子装钢要保持规定的间隔，用推钢机或输送机装入炉内，加热好的钢坯出钢采用出钢送入下一步工序。 固定梁 移动梁 23前进 上固定梁水平面下升降 14 后退 图2-2 步进式炉内钢坯运动轨迹的示意图 炉底由固定梁和移动梁(步进梁)两部分所组成。最初料坯放置在固定梁上，这时移动梁位于料坯下面的最低点1。开始动作时，移动梁由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁平面时把料坯托起;接着移动梁载着料坯沿水平方向移动一段距离从2点到3点;然后移动梁再垂直下降到4点的位置，当经过固定梁水平面时又把料坯放到固定梁上。这时料坯实际已经前进到一个新的位置，相当于在固定梁上移动了从2点到3点这样一段距离;最后移动梁再由4点退回到l点的位置。这样移动梁经过上升—前进—下降—后退四个动作，完成了一个周期，料坯便前进(也可以后退)一步。然后又开始第二个周期，不断循环使炉料一步步前进。移动梁往复—个周期所需要的时间和升降进退的距离，是按设计或操作规程的要求确定的。可以根据不同金属和断面尺寸确定物料在炉内的加热时间，并按加热时间的需要，调整步进周期的时间和进退的行程。 移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要将物料退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把料坯由装料端退出炉外。移动梁还可以只作升降运动而 6 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 没有前进或后退的动作，即在原地踏步，以此来延长物料的加热时间。 全炉采用32台蓄热式烧嘴，每套烧嘴配备一套独立的换向系统，最大限度的保证了生产的连续稳定运行。通过控制烧嘴的开闭，可以适应多品种、小批量生产的需要。在加热特殊钢种时，可以根据实际情况关闭加热段靠近炉尾的部分烧嘴，延长预热段长度，方便的实现低温入炉。在不需要低温入炉同时又有较大产量要求时，可以将全部烧嘴打开，延长加热段长度，提高产量，最大限度的实现操作灵活性。 加热炉采用端进料、端出料，这样由炉尾推料机直接推送出料，不需要单独设出料机，而且适合较宽的料坯，可以几个炉子共用一个辊道，占用车间面积小，操作也比较方便。 2.2.2 影响钢坯质量的若干因素 影响钢坯质量的因素较多，如加热温度、断面温差、长度方向的温差、水印温差、加热速度、加热时间、气氛待性、钢坯间距、钢坯尺寸、燃料燃烧、冷却方法、炉子的密封程度、炉壁炉顶的散热、步进梁速度、废气带走热量等，都会对钢坯质量产生显著影响。其中加热温度和炉膛压力对钢坯质量影响较大，而且可控。 钢坯的加热制度应保证在加热装置最大生产率和最适宜的气(液)体燃料耗量的前提下达到尽可能高的加热效果，最终得到断面均一、温度均匀的优质产品。 在实际生产中，钢坯的加热时间往往是变化的。这是因为加热炉必须很好地与轧机配合。在生产某些产品的过程中，炉子生产率小于轧机的产量时，常常为了赶上轧机的产量而造成加热不均，内外温差大，甚至有时为了提高出炉温度而将钢表面烧化，而其中间温度尚很低，造成加热质量很差。若炉子生产率大于轧机的产量时，则钢在炉内的停留时间大于所需要的加热时间，造成较大的氧化烧损量，这些情况均不符合加热要求。如遇到上述情况，应对炉子结构及操作方式作合理的改造或调整，使炉子产量和轧机产量相适应。 钢坯温度对钢坯质量的影响较大，钢坯加热温度是产品质量保证的关键。若温度偏低则不能很好的进行轧制，以致难以达到所需固定成型效果。随温度逐渐升高，烙蜕固结的效果亦逐渐显著。 加热温度对钢坯的影响特性显示: (1)从提高质量和产量的角度出发，应尽可能选择较高温度。因为，在较高温度下 7 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 能够提高钢坯的强度，缩短加热时间，增加设备的生产能力。但若超过最适宜值，则会使钢坯抗压强度迅速下降，严重时有可能造成钢坯熔融粘结。 (2)从设备条件、设备使用寿命、燃料与电力消耗角度出发，应尽可能选择较低的加热温度。因为，高温加热设备的投资与能耗巨大，所以尽可能的降低加热温度以提高设备使用年限和降低燃料、电力消耗是十分重要的。但是，加热的最低温度应足以使钢坯进行有效的轧制为限制。实际选择加热温度，通常应兼顾上述两个方面。 炉膛压力的分布对连续加热炉热工的影响比较大，直接关系炉膛温度分布、料的加热速度和加热质量。 综合考虑影响加热过程的各个因素，加热温度和炉膛压力对于钢坯质量的影响颇大，而且是一个可以控制的量，所以选择温度和炉膛压力作为被控参数。 8 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 第三章 步进式加热炉控制系统硬件设计 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,整个系统包括硬件系统和软件系统,下面详细介绍硬件系统。 3.1 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。 3.1.1 燃料燃烧的控制系统设计 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 [2]路而构成。 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 [2]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。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: 9 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 给定F1流量控制器1控制阀1燃料对象 — 流量变送器1 K F2流量控制器2控制阀2空气对象 — 流量变送器2 图3-1 燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图 3.1.2 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， 10 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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3-2。 温度控制器流量控制器1温度对象流量对象 __ 流量变送器1 温度变送器 图3-2 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: 11 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 炉膛 TC IT II12HSLS F1CF2C K 空气燃料 图3-3 单交叉限幅控制的检测流程图 图3-3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 II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1T I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2 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I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T 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 I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2 III,，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2T2 III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1T2 12 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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 III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1T2 [2]燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。 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 [11]量,实现了燃烧过程的经济性和合理性要求。 3.1.3 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 [2]控制系统。 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: 给定压力控制器控制阀压力对象 _ 压力变送器 图3-4 炉膛压力控制系统方框图 3.2 检测元件的选择 3.2.1 温度检测元件 炉膛测温热电偶是系统的主要检测元件。考虑测温的准确可靠和反应灵敏，而且预 13 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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?，所以采用镍铬—镍硅热电偶(K型) ，这是一种使用面十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.2—2.5mm，它的测温范围为-270?,1372?。由于钢坯在加热炉设备上干燥，加热炉的三段温度都在其测温范围之内，所以使用K型热电偶。它的热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可以满足加热炉的温度要求，并且可在氧化性或中性介质中长时间地测量900?以下的温度。K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且线性好，价格便宜等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测 [3]量要求。 3.2.2 流量检测元件 作为流量检测用的节流件有的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管，空气流量测量采用标准孔板配电容式差压变送器。电容式差压变送器是没有杠杆的变送器，它采用差压电容为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，而且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。因此，仪表结构简单，性能稳定、可靠，具有较高的温度。考虑到使用的燃料即焦炉煤气中含有焦油、萘、氨、硫化物和氰化物等杂质，若使用流量孔板，则取压孔易堵塞，杂质附着在孔板上，影响测量的准确性。 漩涡式流量计是按流体振荡原理，应用强迫振荡的漩涡旋进原理进行流量检测的。这种检测方法的特点是管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小，测量精度高(约,为5,,1,)，量程比可达100:1，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定，尤其适用于大口径管道的流量测量。因此，设计选用漩涡式 [3]流量计测量煤气流量。 3.2.3 压力检测元件 压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为四类:液柱式压力检测、弹性式压力检测、电气式压力检测、活塞式压力检测。根据步进式加热炉的工艺，选用弹性式压力检测的方法来检测炉膛压力比较适合。弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。弹性元件在弹性限 14 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。目前，用作压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。本设计选用弹簧管压力表配压力变送器来检测炉膛压力，弹簧管压力表是一种指示型仪表，结构简单、使用方便、价格低廉，它的使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表的精度等级最高为0.15级。由于步进 [3]式加热炉炉膛压力需控制在5,20Pa，属于微正压，所以选用弹簧管压力表。 3.3 执行器的选择 执行器接受来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构(调节阀)，改变控制量。使被控参数符合预期要求。 执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构系指产生推力或位移的装置，调节机 [22]构系指直接改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。 3.3.1 执行机构的选择 执行机构的选择主要是对气动执行机构、电动执行机构和液动执行机构的选择，根据能源、介质的工艺要求、安全、控制系统的精度、经济效益及现场情况等多种因素，综合考虑选用哪一种执行机构。气动执行机构具有结构简单、工作可靠、价格便宜，维护方便和防火防爆等优点。由于所使用的燃料即焦炉煤气具有易燃、易爆的性质，所以设计中的执行器都选用气动执行器，不仅可以降低生产成本，使用方便，而且能够有效地防火防爆，降低发生意外事故的概率。 气动执行机构接受电/气转换器(或电/气阀门定位器)输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。气动执行器是以压缩空气为动力能源的，它接受调节器的输出控制信号，通过气缸或膜片带动阀门连杆动作，以调节被控介质(如液体、气体和蒸汽等)的流量，将被控变量控制在系统要求的范围内。 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行机构均属薄膜式，它的特点是结构简单、价廉，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。活塞式的持点是行程长，但价格昂贵，只用于特殊需要的场合。设计中选用薄膜式气动执行机构。 15 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 3.3.2 调节机构的选择 生产过程中，被控介质的特性千差万别，有高压的，高粘度的，强腐蚀的;流体的流动状态也各不相同，有的流量小，有的流量大;有的是分流，有的是合流。因此，必须根据流体性质、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性来最终确定合适的结构形式。 调节机构又称控制阀(或调节阀)。它和普通阀门一样，是一个局部阻力可以变化的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变，从而达到调节工艺变量的目的。 根据不同的使用要求，调节阀的结构型式很多，主要有以下几钟:直通单座阀、直通双座阀、角形阀、三通阀、蝶阀、套筒阀、偏心旋转阀、高压阀。角形阀的阀体为直角形，其流路简单，阻力小，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物料流量的控制。一般使用于底进侧出，此种调节阀稳定性较好。在高压场合，为了延长阀芯使用寿命，可采用侧进底出。设计中所有的燃料阀和空气阀都选用角形阀。 烟道百叶窗的挡板以转轴的旋转来控制流体的流量。它由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部件组成。其结构紧凑、成本低、流通能力大、特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合，但泄漏量较大。由于设计中控制炉膛压力的烟道百叶窗的流通量大，压差比较低，大口径，而且一定的泄漏量对炉膛压力的控制没有多大影响，所以设计中控制炉膛压力选烟道百叶窗。 控制阀是控制系统的执行部件，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀选择得合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀。 [2]反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小，则称之为气闭阀。 对于一个具体的控制系统来说，究竞选气开阀还是选气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。(1)首先要从生产安全出发。信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制网膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态(气开阀回复到全闭，气闭阀回复到全开)，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。(2)从保证产品质量出发。当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时要保证产品的质量。(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。(4)从介质的特点 16 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 考虑，以保证在控制阀失去能源时能所处的状态能够避免原料或产品的浪费。而且要注意原料或产品是否易凝、易结晶、易聚合的物料时，以防控制阀失去能源时，会造成不 [2]良的后果。 考虑到生产的安全，当煤气系统中断或控制器发生故障无信号输出，致使执行器的阀芯回复到无能源的初始状态时，不致于发生事故，而且焦炉煤气具有易燃、易爆的性质时，为防止在异常情况下产生爆炸，燃料和空气流量执行器都应选气开式，一旦发生事故，则立即处于关闭状态，不再提供燃料，以免造成浪费，从而有利于降低原料成本和节能。为防止在异常情况下炉膛压力过高会产生爆炸，压力调节阀(或烟道百叶窗)应选气闭式，一旦压力过高发生故障时，则压力执行器立即处于全开状态，从而避免了压力过高时产生不良后果。 3.4 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。 3.4.1 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 17 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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)。 3.4.2 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 18 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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 19 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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。 3.5 PLC选型 PLC(Programmable Logic Controller)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 [6]各种类型的机械和生产过程实现自动化。 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:?在线数据采集和输出;?控制功能，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等;?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;?输入/输出信号调制功能;?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;?支持人机界面功能;?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:?可靠性高，抗干扰能力强;?配套齐全，功能完善，适用性强;?操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎;?系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造;?体积小、质量轻、功耗低。 3.5.1 S7-200简介 S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 20 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) S7-200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。 S7-200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。 S7-200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。 3.5.2 S7-200的模块选择 本设计选用西门子公司S7-200系列PLC中的过程控制器CPU 224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。CPU 224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24V DC电源，则24V DC输入，24V DC输出;若采用100,230V AC电源，则24V DC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。 3.5.3 PLC的I/O地址分配 表3-1 I/O地址分配表 I0.0 启动按钮 输 I0.1 入 停止按钮 信 I0.2 急停按钮 21 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) I0.3 号 手动操作 I0.4 自动操作 I0.5 钢坯进入加热炉的信号 I0.6 钢坯出加热炉的信号 Q0.0 手动方式运行 Q0.1 自动方式运行 Q0.2 燃料阀 Q0.3 空气阀 Q0.4 喷嘴接触器 Q0.5 燃料机接触器 Q0.6 鼓风机接触器 Q0.7 预热段燃料阀 输 Q1.0 预热段空气阀 出 Q1.1 信 加热段燃料阀 Q1.2 号 加热段空气阀 Q1.3 均热段燃料阀 Q1.4 均热段空气阀 Q1.5 预热段报警 Q1.6 加热段报警 Q1.7 均热段报警 Q2.0 烟道百叶窗 Q2.1 炉膛压力报警 3.6 DCS选型 DCS(Distributed Control System)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 22 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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)、V net/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 23 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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 方便维护人员维修。 事项和确认报警，以 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。 24 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 第四章 步进式加热炉控制系统的软件设计 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。 4.1 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V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3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V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3，它是一个基于标准的Windows 25 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 软件，类似于Winword，Outlook等标准应用软件。STEP 7-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。STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC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SIMATIC S7-200 PLC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。STEP 7-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TD 200和TD 200C文本显示界面(TD 200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/ Win4.0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，MCGS(Monitor and Control Generated System)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、 26 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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。 27 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 步进式加热炉控制系统的监控显示画面如下: 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。 图4-1 温度报警及数据显示画面 28 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 图4-2 炉压报警及数据显示画面 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。 29 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 图4-3 温度和炉膛压力实时趋势画面 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。 30 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 图4-4 温度和炉膛压力历史趋势画面 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。 31 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 图4-5 加热炉生产过程监视画面 4.2 系统流程图 4.2.1 主程序流程图 32 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 开始 Y手动吗,手动方式 N 置自动标志 步进式加热炉 温度控制 炉膛压力控制 结束 图4-6 步进式加热炉控制主程序流程图 33 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 4.2.2 燃料与空气比值控制系统 开始 采集燃料和空气数据 调节燃料与空气管道控制燃料和空气配比是否否 阀至适当位置满足条件, 是 燃料与空气经喷嘴混 合后燃烧 返回 图4-7 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大幅度提高, 础。 4.2.3 温度控制系统 34 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 开始 采集温度信号 否采集到的温度信号与燃料空气单交叉 设定值是否相等,调整 是 燃烧控制 返回 图4-8 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, 35 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 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。 4.2.4 炉膛压力控制系统 开始 采集炉膛压力信号 否调整烟道百叶窗至适当判断炉膛压力是否 位置等于设定值, 是 返回 图4-9 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。 4.3 程序编制 系统下位机采用STEP7-Micro/ Win4.0编制软件。STEP7-Micro/ Win4.0是用于西门子S7-200系列PLC创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用多种编程语言:(1)梯形 36 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 图(LAD);(2)功能块图(FBD);(3)语句表(STL)。它具有以下特点:(1)有很多通用的控制模块,包括系统本身控制、处理数据通信、传统的设备控制等几类,这些模块使得编程简单易懂且效率高;(2)对自动化工程各方面具有良好的用户功能，如硬件的配置、参数设置、通讯的定义、诊断功能等;(3)可以方便地定义经MPI、Profibus连接的自动化组件之间的周期性数据传送;(4)能快速浏览CPU数据和用户所写程序在运行中的故 [1]障原因。 电气控制主要完成对输入开关信号的逻辑运算,然后发出逻辑控制指令,指挥继电器的通断,再去控制交流接触器等电气设备。程序编制就是一些典型的控制环节的组合:(1)“与”关系控制;(2)“或”关系控制;(3)互锁控制;(4)自锁控制。根据前面 介绍的系统功能流程图,利用这些基本的环节,就可以对加热炉控制系统进行描述。4.4 系统调试 系统调试分为两大步骤,一是系统软件调试;二是系统硬件调试。 4.4.1 系统软件调试 系统软件调试是在PC机上进行,我们将PLC控制程序输入PC机后,根据运行要求,设定若干数字开关量、模拟量,对系统的每一个功能进行测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。 4.4.2 系统硬件调试 相应的系统硬件也是在实验室里进行,用一个设备来模拟控制对象。首先检查设备的各个单元是否合乎要求,其次将软件和硬件结合起来进行测试，并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。 37 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 第五章 总结 步进式加热炉是近年来加热炉设计中一种热门的新型炉子，其自动控制水平的高低对钢坯的出钢温度、加热炉设备的寿命、加热炉的能耗等因素都有直接的决定作用。 为了提高钢坯的质量，保证轧钢生产能够安全进行，本文结合轧钢生产状况，根据生产工艺，分析了影响轧钢生产的各个因素，设计了钢坯加热过程中炉膛温度控制系统 深入分析了PLC和DCS技术及网络通信技术基础上，设计采用和炉膛压力控制系统。在 西门子PLC系统和DCS系统来实现的, 下位机采用的是PLC控制，用STEP 7-Micro/WIN 进行程序的编制与调试，上位机监控软件采用的是MCGS组态软件，完成了现场数据采集、实时和历史数据处理、报警及数据显示、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。工业控制采用PLC与DCS控制, 显示了突出的优越性, 因它可以对用户提出生产控制要求和意见, 能方便地在现场进行程序修改和调试, 并能通过画面直接显示当前的运行状况，使系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用, 增加了系统的可靠性, 简化设备, 维修方便。 本文针对步进式加热炉的生产工艺和控制要求设计了加热炉控制系统，不仅使我们加深了对PLC、DCS等一系列控制方法的了解和实际运用，而且从实际运行的效果来看，总体方案设计合理，系统稳定可靠，出钢温度符合要求，能源消耗降低，各方面均达到控制要求。它是一个可行的、高效率的系统，该控制系统充分考虑了大中型企业的现状和控制要求,可以应用于大量类似的工况环境和场合。由于PLC和DCS构建的控制系统可靠、灵活、具有较强适应性,它在类似的控制系统领域具有很强的生命力。 38 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 参考文献 1. 周沛，何为，张占龙.步进式加热炉控制系统设计与实现[J]，重庆科技学院学报(自然科学版)，2008年10月第5期 2. 翁维勤主编.过程控制系统及工程[M],北京:化学工业出版社，2002 3. 杜维，张宏建，乐嘉华编.过程检测技术及仪表[M],北京:化学工业出版社，1998 4. 孟海龙.步进式加热炉控制系统的设计[D], 山东科技大学工程硕士论文,2004年6月 5. 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内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 45 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 46 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 47 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 48 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 49 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 50 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 51 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 52 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 53 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 54 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 55 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 附录B 组态图 56 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文) 致 谢 本设计能顺利完成，首先真诚感谢我的指导老师杨立清副教授和实验室的所有老师以及自始至终关心我的亲人、同学们。 通过这个毕业设计，拓展了自己的知识面，巩固了所学的专业知识，提高了独立思考和独立工作的能力。在我的学业和毕业设计的研究中无不倾注着心血和辛劳。我也从指导老师身上学到了许多可贵的东西，包括认真的求学精神、严谨治学态度、踏实的工作作风、对科学孜孜不倦的追求以及无私的奉献精神等等，这将使我在今后的学习、工作、生活中受益匪浅。 在此特向我的指导老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意，感谢指导老师对我的培养、关怀和教导。 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师! 并祝愿所有老师身体健康，工作顺利～ 再一次衷心感谢所有帮助和关心我的人们! 57