1、過程控制系統課程設計任務書1. 設計目標 以鋼鐵企業常見的“步進梁式加熱爐”為對象，采用PLC為控制系統硬件，圍繞工藝要求，完成控制系統方案設計。2. 主要工作內容及要求（1）通過查閱文獻，了解步進式加熱爐工藝流程。（2）了解對步進式加熱爐的爐溫控制、煤氣/空氣流量控制、爐壓控制等功能，完成控制方案設計。（3）了解常見的PLC系統的功能、系統軟件及應用，完成加熱爐自動控制系統架構設計、硬件選擇設計及組態畫面設計。3. 加熱爐工藝流程及控制簡介（1）在鋼鐵企業中，軋鋼系統的各種加熱爐是能源消耗大戶，如何在滿足軋機對鋼坯溫度性能要求的情況下，最大限度地提高加熱爐的熱效率，降低能源消耗，這是當前加熱

2、爐專業及加熱爐控制專業的一個共同課題。國內某鋼鐵公司的步進式加熱爐主要用來給碳素結構鋼加熱，爐子全長56740mm，有效爐長為50000mm，爐寬12600mm，最大產量400t/h(最長板坯、冷裝料)，步進梁的步距為200/500mm，步進周期為45s。燃料為混合煤氣，板坯加熱溫度可達1250。一般情況下，加熱爐沿爐膛長度方向分為預熱段、加熱段和均熱段。進料端為預熱段，爐氣溫度較低，其作用在于充分利用爐氣熱量，給進爐板坯預熱到一定溫度，以提高爐子的熱效率。加熱段為主要供熱段，爐氣溫度較高，以利于實現板坯的快速加熱，保證板坯加熱到要求的目標溫度。均熱段位于出料端，爐氣溫度與金屬料溫度差別很小，

3、保證出爐料坯的斷面溫度均勻。一般用于加熱小斷面料坯的爐子只有預熱段和加熱段。關于加熱工藝，爐子被劃分成“區”。這些區如下：1個換熱區7個頂部區：頂部區（區 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13）7個底部區：底部區（區 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14）概觀如圖1。圖1回熱式熱交換器和空氣溫度如圖2圖2底部區如圖3圖3鋼坯加熱是熱軋生產工藝過程中的重要工序。其生產過程如下：對于步進式加熱爐，鋼坯的移動是通過固定梁和移動梁的周期運動來實現的。鋼坯位于固定梁上，移動梁反復地進行上升、前進、下降、后退的矩形運動，移動梁的每一個循環運動帶動鋼坯在爐前進一步，而且保證鋼坯沒有任何滑動。傳

4、動機構的上下運動和前后運動分別是由獨立的機構完成的。步進梁的進后運動多采用油壓傳動方式，上下運動可以采用油壓傳動也可以采用電動方式。鋼坯被送到加熱爐外的上料輥道上，經過測長后，從裝料爐門進入爐內，然后在爐內懸臂輥道上進行對中定位，通過移動梁步進機械的周期運動，一步步地前進。當鋼坯被輸送到出爐位置，且已達到所要求的出爐溫度，當接到允許出鋼信號時，鋼坯加熱結束，由出料懸臂輥道從出料爐門送出，送往軋機進行軋制。（2）加熱爐控制系統結構加熱爐自動化控制系統分為現場設備(L0)、基礎自動化系統(L1)、過程控制計算機系統(L2)三部分，如圖4圖4（3）加熱爐燃燒控制系統由許多模塊組成，實現了鋼坯加熱過程

5、中有關參數測控和管理的集中化。整個燃燒控制系統分為以下模塊：爐溫選擇控制、煤氣/空氣燃燒控制、爐壓控制等。爐溫控制加熱爐各段爐溫控制采用PID控制，過程值來自于選定的熱電偶的測量值。2根熱電偶檢測的溫度偏差回路實時監視偏差值，溫度偏差高時將報警提示操作工。爐溫控制器有自動、手動兩種控制方式。當煤氣/空氣調節閥輸出達到60%以上而煤氣/空氣的流量過程值低于20%時，煤氣/空氣顯示故障并停段。雙交叉限幅控制在燃燒負荷發生急劇變化的情況下，由于空氣流動管道與煤氣流動管道特性間的差異，各閥門的響應速度和系統的響應速度不同，會帶來缺氧燃燒現象和過氧燃燒現象的發生。當負荷增加時，燃料系統所需的煤氣流量和空

6、氣流量理論上同時上升，但由于空氣流量通常滯后，燃燒空氣過少，此時燃料不能得到充分燃燒，致使熱效率降低，同時造成煙囪冒黑煙，污染環境。相反負荷減少時，燃燒空氣過多，多余的空氣被加熱后隨廢氣一同帶走，造成熱效率降低，因此在燃燒控制中采用雙交叉限幅控制。其結構是以出爐溫度為一個主控回路，煤氣流量和空氣流量構成兩個并聯串級控制系統。其中，溫度控制器是主控制器，實現溫度的粗調，煤氣流量控制器和空氣流量控制器是平行的副控制器，完成精確控制。通過雙交叉限幅，副回路控制器會在主回路的輸出以及防止燃燒系統出現過氧和缺氧燃燒的上下限中選擇一個合適的值給副回路控制器作為設定值，這樣，煤氣流量和空氣流量會嚴格地按照一

7、個合理的比值交替地上升，使實際的空燃比保持在合理的范圍之內，從而克服了傳統的串級控制系統存在的不足。爐壓控制爐膛壓力是實現加熱爐自動控制的一個重要參數。當爐膛壓力過高時，火煙就會從入(出)料口處大量冒出。這不僅使大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也容易燒壞爐子的鋼結構和爐墻鋼板，降低爐子的使用壽命。同時，爐壓過大引起的冒火還會導致勞動環境的惡化。當爐膛壓力過低時，會吸入大量的冷風，不但增加爐子的熱耗還會增加鋼坯的氧化燒損，甚至引起燒鋼。因此，必須對爐膛壓力進行有效控制。在加熱爐最佳燃燒控制系統的基礎上，爐膛壓力控制可以通過控制煙道閘門的開啟度或引風機調速來實現。加熱爐I/O點數檢測區域

8、AI點數AO點數DI點數DO點數熱電偶熱電阻420mA420mA預熱段上11334226預熱段下11335842一加上13335232一加下13337252二加上13335232二加下13337252均熱上22222均熱中22222均熱下11335840公共部分7171264220汽化冷卻部分28425104. 課程設計說明書的編寫規范寫出不少于5000字的課程設計說明書。說明書中除了在封面應有題目、班級、姓名、學號和課程設計日期、地點以外，其正文一般有如下幾個方面的內容：（1） 步進式加熱爐工藝流程；（2） PLC系統硬件選型與系統連接；（3） 加熱爐的爐溫控制、煤氣/空氣流量控制、爐壓控制

9、技術方案；（4） 依據選用的PLC說明監控系統軟件的使用（網絡管理軟件、通信軟件、組態軟件等）；（5） 選用任一組態軟件，給出實時監控操作畫面的設計方案（系統總貌、報警一覽、趨勢圖、流程圖等）。5. 主要參考資料（1） 組態軟件應用指南:組態王Kingview和西門子WinCC 王善斌主編北京:化學工業出版社,2011（2） 自動化儀表與過程控制 施仁, 劉文江，鄭輯光編第3版北京:電子工業出版社,2003（3） 分布式控制系統(DCS)設計與應用實例/王常力, 羅安主編北京:電子工業出版社,2004（4） 電子文獻：中國優秀碩士學位論文（加熱爐控制）附錄1.監控畫面參考 （1）為全面掌握整個

10、系統的運行工況，監控系統將實時監測并采集加熱爐有關的工藝參數、電氣參數、以及設備的運行狀態等。系統具有豐富的圖形庫，通過組態可將加熱爐的設備圖形連同相關的運行參數顯示在畫面上；除此之外，還能將參數以列表或分組等形式顯示出來。綜合分析及時發出控制指令：監控系統根據監測到的加熱爐運行數據，按照設定好的控制策略，發出控制指令，調節加熱爐系統設備的運行，從而保證加熱爐高效、可運行。（2）診斷故障與報警管理：主控中心可以顯示、管理、傳送加熱爐運行的各種報警信號，從而使加熱爐的安全防爆、安全運行等級大大的提高。同時，對報警的檔案管理可使業主對于加熱爐運行的各種問題、弱點等了如指掌。為保證加熱爐系統安全、可

11、連續地運行，監控系統將根據所監測的參數進行故障診斷，一旦發生故障，監控系統將及時在操作員屏幕上顯示報警點。報警相關的顯示功能使用戶定義的顯示畫面與每個點聯系起來，這樣，當報警發生時，操作員可立即訪問該報警點的詳細信息和按照所推薦采取的應急措施進行處理。 (3) 歷史記錄運行參數：監控系統的實時數據庫將維護加熱爐運行參數的歷史記錄，另外監控系統還。設有專門的報警事件日志，用以記錄報警事件信息和操作員的變化等。歷史記錄的數據根據操作人員的要求，系統可以顯示為瞬時值，也可以為某一段時間內的平均值。歷史記錄的數據可有多種顯示方式，例如曲線、特定圖形、報表等顯示方式；此外歷史記錄的數據還可以由以網絡為基

12、礎的多種應用軟件所應用。 2.助燃空氣壓力控制2. 1 概述 無論流量如何變動（從0至100%）,為了在各個區具有良好的助燃空氣流量分配，在分配至各個區前，一個空氣壓力回路在主要供給裝置中維持一個恒定的空氣壓力。2. 2 助燃空氣壓力控制描述 在主要的熱空氣供給裝置中測量空氣壓力（PT1904），首先通過第一級過濾器過濾，然后送至壓力控制器(PIRC1904)。 經過一次分段后，各區等價空氣流量相加（FY1909A輸出），作為前置信號發送到入口通風孔（PCV1904A和B）。 由當前的助燃空氣壓力控制器來校正前置信號。 控制器根據當前壓力和設置點調節入口通風孔。1) 助燃空氣風機壓力 2) 分

13、段 3) 主風機4) 入口葉片開口 5) 輔助風機6) 入口葉片開口 7) 輸出 根據所應用的模式，使用兩個設定值點：l 一個是用于吹洗爐子的固定設定值l 一個是以兩種模式加熱的設定值（從主氣體壓力設定值計算而來）：生產：設定值1加熱：設定值2 安裝在主要空氣供給裝置里的兩個壓力開關允許一般控制加熱（HGC） 到通風孔的信號根據入口通風孔類型（PY1904 I & J）而線性化 只要用戶登錄“工程師”訪問級，使用HMI即可修改在“爐子吹洗”期間所用的壓力設定值。 當啟動了第一臺電動機，30秒后可進行控制器操作。 當操作工停下兩臺電動機，通過控制自動關閉入口通風孔，停止控制器計算，輸出強

14、制為50%.(LL = HL = 50%) 一個抗湍振功能允許保持一最小流量，避免助燃空氣風機因爐壓風門前的冷空氣噴射閥引起的湍振。 各區等價空氣流量、熱空氣排放等價流量（FY1909B）冷空氣噴射閥相加（FY1909A），送至一流量控制回路，其設定值可改變，保持風機制造商給出的最小抗湍振流量。控制器輸出作用于冷空氣噴射閥來保持該流量。有兩個設定值，用于一個或兩個風機運行。2. 3助燃空氣設定值計算 為了在空氣、氣體之間保持一恒定比率，從各區（PY1904A）空氣/氣體比率最小值計算助燃空氣壓力設定值，根據氣體壓力設定值和測量的（TE1904）空氣溫度，計算出燃燒壓力設定值（PY1901D）。 當應用加熱模式時，一個極低壓開關（PSLL1904）探測壓力故障，產生一報警并停止加熱爐子。 當應用生產模式時，一個低壓開關（PSL1904）探測壓力故障，產生一報警并停止加熱爐子。控制圖符號表：2. 4符號圖例現場安裝儀表區域在MMI上PLC功能顯示PLC內部功能不在MMI上顯示計算機（L2）接口2. 5助燃空氣壓力控制圖：1. 風機軸承溫度2. 助燃空氣風機3. 開/關4. 測試/正常5