基于PCS7的工业加热炉控制系统设计

基于PCS7的工业加热炉控制系统设计
目次（4号黑体，居中）
1引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） (1)
2××××××（正文第2章）……………………………………………………Y 2.1 ××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y 2.2 ××××××（正文第2章第2条）………………………………………… Y 2.X ××××××（正文第2章第X条）………………………………………… Y 3×××××（正文第3章）………………………………………………Y ………………………………………（略）
X ×××××（正文第X章）……………………………………………………… Y 结论…………………………………………………………………………………… Y 致谢…………………………………………………………………………………… Y 参考文献………………………………………………………………………………Y 附录 A ××××（必要时）………………………………………………………… Y 附录 B ××××（必要时）………………………………………………………… Y
图 1 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y 图2×××××（必要时）………………………………………………………… Y
表 1 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y 表 2 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y
注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“条”二级标题即可；
2．Y表示具体的阿拉伯数字；
3. 目录前的页码采用罗马数字。

列如：I、II……。

1 绪论
1．1 引言
1．2 课题背景
1．3本设计所做的工作
2 系统概述
2．1 被控对象简介
被控对象是基于计算机动态仿真技术构建的过程工业领域的加热炉单元。

通过加热炉对流传热和辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度，然后输送给下一单元。

图1 加热炉工艺过程图
具体设备包括：待加热物料进料单元，换热器，对流段及烟囱，加热炉，燃料泵及鼓风机。

2．2 工艺过程简介
加热炉操作包括炉子的点火升温过程和稳定运行过程。

2.2.1 点火升温过程
点火前准备：检查燃烧器的安装高度和角度，保证准确无误；检查烟道挡板的开﹑关和开启方向，保证满足设计要求；用空气清扫炉管和燃烧器；如果是第一次使用的炉子要对炉衬进行烘烤。

点火步骤：向炉管内泵入待加热物料A；开启烟道挡板DO1101；在冷态下启动鼓风机K1101，风量达到额定值的15%——30%以上，时间不少于10分钟，以便清扫炉膛和再试鼓风机；整备燃料泵P1102﹑压力调节系统；关闭鼓风机；点燃引火火嘴；手动稍稍开启燃料阀，点燃燃烧器，如果未点燃而使燃料喷入炉膛，立即关闭阀门重新吹扫炉膛；点火完成，逐渐开大燃料阀；开启鼓风机K1101，并调节烟道挡板。

2.2.2 稳定运行过程
待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃，经由上料泵P1101泵出。

流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。

待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。

两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。

正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。

燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。

空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。

燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。

燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。

对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。

烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。

烟道内设有挡板DO1101。

出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。

从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。

最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。

炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。

2.2.3系统测控条件及设备参数列表
根据课题要求，可了解到系统各个测控条件以及设备参数（表1，表2）：
表1 测控条件一览表
表2 系统设备参数一览表
2.2.4 控制要求
系统具体控制要求如下：
（1）热物料出口温度控制
在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A达到要求的温度并维持其在允许的范围内。

（2）节能控制
节能体现在满足工艺控制要求的前提下，达到最小燃料使用量。

一方面要求加热炉在正常工况时燃料的使用量最少，同时也体现在从冷态开车到加热炉达到正常工况所需的燃料用量达到最少。

（3）减排控制
排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳的排放量。

（4）安全控制
针对炉管爆裂（A物料为可燃物质）、炉膛灭火、进料中断这三种加热炉事故进行故障识别并设计相应的安全控制系统。

2．3 对象特性分析
加热炉是工业领域很重要的换热设备，加热炉单元是具有强耦合、大滞后、大惯性及慢时变等特点。

它的内部机理比较复杂，直接建模也相对比较困难，所以对加热炉的控制也有一定的难度。

针对本控制对象，分析其特性如下。

2.3.1 多级换热特性
加热炉对象主要包括对流室、辐射室、换热器三个主要部分，即有炉膛辐射段换热、对流段换热以及减温换热器换热。

根据工艺流程，多级换热系统是相互关联，具有强耦合特性。

被加热物料同时参与加热和冷却。

所以只有处理好各个换热单元之间的耦合关系，才能得到较好的控制效果。

2.3.2 上料系统特性
待加热物料A被分为两路，其中一路经换热器预热后与另一路汇合，然后进入对流段。

我们的控制目标是保证两支路调节阀的阀后压力平衡，防止调节阀开度变化后出现某一路滞留甚至倒流现象。

另外，待加热物料A的流量同时影响加热炉的换热过程，流量增加时，换热量增加，反之亦然。

待加热物料流量的变化将使燃料
流量、空气流量的变化。

流量越大，流体流速越高，从而在炉内换热时间越短，要达到工艺要求温度，就需要相应提高炉膛内温度，加大了加热炉系统的非线性特性。

2.3.3 加热炉的燃烧特性
燃料的燃烧是加热炉的热量来源，在满足工艺要求的同时，做到节能减排是本题目的要求。

在控制燃烧时必须使燃料量与空气量应保持在一个合适的比例。

这个比例随着燃料及空气物理化学特性的变化而变化。

同时燃料流量、燃料热值变化时，这个比例也随之变化。

在燃烧过程中，也应保证炉膛负压在工艺要求的范围内。

炉膛压力过高，会有冒火危险；负压过低，会增加冷空气的漏入量，增大热量损失。

炉膛负压与炉膛温度、空气流量也是相互联系的。

烟道挡板开度一定时，空气流量增大、炉膛温度升高都会使炉膛内压力升高。

烟道挡板的开度变化时，除了调节炉内负压外，还会改变空气通道的阻力，影响空气流量调节。

2.3.4 加热炉温度特性
工业加热炉是一个多容量过程，产品出口温度的纯滞后严重，升降温过程惯性也很大。

当燃料流量减小时，炉膛温度不会迅速降低，而是会继续维持原来的高温状态一段时间，反之亦然。

同时，加热炉还有慢时变特性，随着温度升高，被加热温度响应的时间常数及滞后都会有所减小。

在运行过程中，由于烟灰在炉膛内积聚炉管结垢等原因，加热炉的机构特性会发生变化。

对于节能减排的要求，排烟温度越低，能耗越小；烟气氧含量越小，排烟损失的热量越少；炉膛温度越低，燃料消耗越少，也就越节能。

因此应使被加热物料A 充分在对流段和辐射段换热，而尽量降低在减温换热器的换热负荷。

减温换热器的热负荷越小，进入对流段的冷流温度越低，从而使得冷流与风烟的温差加大，增大换热推动力，使冷流从烟气中吸收更多的热量，减少排烟的热损失。

正常工况时，只有少量被加热物料流向换热器也正体现了这一点。

对流段换热的影响因素主要有烟气入口温度和烟气流速，烟气流速越大换热越不充分。

通过对加热炉的特性分析可知加热炉具有强耦合﹑纯滞后﹑大惯性等特征。

3控制系统整体方案
3．1 系统被控变量选择
在实际生产过程中，影响正常生产的因素是多方面的，但并不是所有的因素都要加以控制。

而是要深入实际，了解工艺操作要求，找出那些对产品质量、产量、安全、能耗等起决定性作用的参数，将这些工艺上所期待要求的参数选作被控变量。

这些参数必须是直接可测的。

在本方案中，被控变量的选取主要遵循以下原则：
（1）根据对工艺过程以及题目要求的分析，被控变量的选取最好按照工艺操作的期望要求直接选定。

（2）当干扰进入系统时，该被控变量必须具有足够的灵敏度和变化数值。

（3）被控变量的选择必须考虑到工艺过程的合理性、经济性、以及仪表生产的现状。

结合系统控制要求和以上原则，本方案中选用进入加热炉辐射段的物料A温度、出加热炉辐射段的物料A温度、产品温度、炉膛中心火焰温度、烟气温度、烟气含氧量和炉膛压力等作为被控变量。

并且在具体的控制子系统中根据具体控制对象与要求具体选择。

3．2 系统操纵变量选择
被控变量确定以后，接着就是选择操纵变量的工作。

在工业过程中，由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在干扰，本系统也不例外。

因此，选择操纵变量要从分析干扰因素着手，考虑采取什么手段来克服干扰。

通常是通过改变某个参数，以克服干扰对被控变量的影响，使之恢复稳定，这个参数就是操纵变量。

选择操纵变量时，如果工艺上同时有几个参数可供操纵变量进行选择，则应熟悉工艺，认真分析，找出某一克服干扰能力强、工艺上合理、且动态响应快速的参数作为操纵变量。

在本方案中，操纵变量的选取主要遵循以下原则：
（1）操纵变量的选取，工艺上首先要合理，符合节能、安全、经济运行要求。

（2）从系统考虑，操纵变量对被控变量的影响比对其它任何干扰都更灵敏。

结合本控制系统的具体控制要求和以上原则，本方案中选用燃料流量、空气量、去换热器的待加热物料A流量等作为操纵变量。

并且在具体的控制子系统中根据具体控制对象与要求具体选择。

3．3系统整体方案
根据加热炉的工艺特性以及系统控制要求，需对控制系统的冷态启动、正常工况下加热炉出口物料温度、最终出口物料温度等进行控制，并且设计各种安全控制及报警装置。

在本方案中，总体流程图如图2所示。

图2 系统总体流程图
4子控制系统设计
4．1 加热炉冷态启动控制系统设计
在加热炉启动阶段，由冷态开车到加热炉达到正常工况所需的温度；启动时，物料流量为稍大于最小流量的一定值，当加热炉温度达到一定值时开始提升负荷（加大物料流量）直到达到要求流量为止。

在此阶段要求控制系统能够保证温度以一定的速率上升，这个速率应当均匀缓慢，以免加热炉升温过快使压力过快上升而发生安全事故，同时要求此期间所需的燃料达到最少，达到节能减排的目的。

4.1.1 设计思想
根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：
被控变量：加热炉出口物料温度TT1103、物料流量FT1101
操纵变量：燃料流量FT1103与空气流量FT1104、控制阀V1101开度
本方案采用自动控制方式，采集加热炉炉口温度，通过温度变送器送入主控制器控制升温速率。

同时，自动打开调节阀，使物料流量大于最小流量值，以免发生误报警。

当加热炉出口物料温度达到一定值（此值小于设定温度但又比较接近设定温度）时，通过调节阀提升物料流量，使其最终达到要求流量。

物料出口温度TT1103达到给定值，烟气氧含量在1%-3%之间，炉膛压力为负，并且将以上工况维持住，则可以认为加热炉的开车达到正常状态。

4.1.2 系统结构框图
根据以上设计思想，系统结构框图设计如图3所示。

图3
冷态启动控制系统框图
图4中，温度上升速率采用自适应模糊PID控制，并且空气流量采用变比控制，使物料燃烧充分。

4.1.3 模糊PID控制系统设计
PID 控制中一个关键的问题就是PID 参数的整定，传统的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一原则确定参数，这种方法在参数为非时变的系统中得到了广泛的应用，并且取得了良好的效果。

但是，当应用到时变系统时，它的缺点便会暴露出来，系统的性能很差，甚至不稳定。

另外，在对PID参数整定过程中，往往得不到全局性的最优值，也因此无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。

而模糊控制方法无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性、时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，鲁棒性较好，但模糊控制器本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，因此单纯采用模糊控制器不会得到较好的控制效果。

在本题目中，加热炉的升温过程是一个非线性、时变的纯延迟控制过程，难以建立精确的数学模型，并且控制对象特性复杂，单纯采用常规的PID控制和模糊控制都难以得到令人满意的控制效果。

而将这两种方法结合起来，采用自适应模糊PID 复合控制方式则既能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、超调小的特点，又具有
PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。

在本设计方案中，自适应模糊PID 控制器是在PID 算法的基础上，计算当前系统误差E和误差的变化率EC,以此作为输入量，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对K P、K I、K D三个参数分别进行调整的模糊规则表。

各模糊语言变量的隶属度根据实际情况取三角形函数。

（1）输入量模糊化
取输入E和EC的模糊集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，论域为{-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.8 0.1}，则其隶属函数如图4所示。

取输出KI论域为{-0.06,-0.05,-0.04,-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05
,0.06},则其隶属函数如图5所示。

取输出KD论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，则其隶属函数如图6所示。

取输出KP论域为{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3},则其隶属函数如图7所示。

NB NM NS ZE PS PM PB
0.5
-0.1-0.08-0.0400.040.080.1
图4 E和EC隶属函数
-0.02-0.0400.020.04-0.060.060
0.5
NB NM NS ZE PS PM PB
图5 KI 隶属函数 -1-2012-330
0.5
NB NM NS ZE PS PM PB
图6 KD 隶属函数 -0.1-0.200.10.2-0.30.30
0.5
NB NM NS ZE PS PM PB
图7 Kp 隶属函数
(2) 模糊控制规则及方法
模糊控制规则是对理论知识与实践经验的总结。

由于2个输入变量偏差E 及偏差
变化率EC各有7个语言值，因此共有49条规则。

采用十字交叉法并根据工艺控制经验可得输出量K P、K I、K D控制规则(分别如表3、表4、表5、表7所示)。

表3 KP模糊控制规则表
表4 KI模糊控制规则表
表5 KD模糊控制规则表
（3）反模糊化
反模糊化是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程,其主要方法有最大隶属度法、中位数法、重心法、二分法等。

本温度控制系统采用二分法，即取输出模糊集的隶属度( 经过模糊规则推理后得出的是控制量隶属于论域上不同模糊子集的隶属度)函数曲线与横坐标轴围成区域的面积均分点对应的元素值为输出值。

4．2 加热炉恒温控制系统设计
由系统控制要求可知，在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A达到要求的温度并维持其在允许的范围内。

因此当加热炉达到正常工况所需要的温度时，便开始对物料进行加热，并且要控制加热炉维持一定的温度，使物料A从加热炉出来时达到设定温度（即测量点TT1103的温度，并且该温度要稍高于工艺要求的加热温度）。

在次过程中，并要使燃料使用量最小、一氧化碳和二氧化碳排放量最小，达到节能减排的的目的。

4.2.1 设计思想
根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：
被控变量：温度TT1103与烟气氧气含量AI1101
操纵变量：燃料流量V1104与空气流量
本方案采用自动控制，首先采集温度TT1102，通过温度变送器送入主控制器计
算出加热到温度TT1103所需燃料流量，同时通过比值控制器控制空气流量，在加热炉中加热物料A。

并且检测温度TT1103，返送到主控制器调节燃料流量使加热炉出口物料A达到要求温度。

在此系统中，比值控制系统应该设计为变比控制系统，通过其调节燃料A与空气比值，使得燃料充分燃烧，达到节能减排的目的。

4.2.2 系统框图
根据以上设计思想，系统结构框图设计如图8所示。

图8 恒温控制系统结构框图
在图8中，由于温度具有惯性大、时间滞后效应强等特性；另外在此系统中温度控制是对传热过程的控制，并且要求有较高的控制精度，因此主控制器采用模糊PID控制器。

4.2.3 模糊PID控制器设计
在加热炉中，温度控制系统具有实时监控功能。

模糊PID控制器是控制系统的核心，其将加热炉出口物料A的温度与温度设定值相比较得到偏差，模糊控制器对该偏差及偏差变化率进行判断，而PID控制器同时对偏差进行判断，两者由一个转换开关进行切换控制。

当偏差大于或等于转换设定值时，由模糊控制器进行控制(粗调)，当偏差小于转换设定值时，由PID控制器进行控制(细调)。

由于考虑到加热材料的频繁更换，加热的温度各不相同，温度控制系统采用自适应模型跟随控制，这样可以根据不同温度的要求改变模糊控制器的参数。

（1）输入量的模糊化
首先确定输入及输出控制量△I的模糊集及其论域。

论域分为基本论域和模糊论
域，基本论域就是变量的精确值变化范围。

二维模糊控制器的输人为加热温度的偏差E及偏差变化率EC。

模糊论域均为{一6，+6)，对稳态精度而言，可以适当增大范围。

模糊集表示各模糊状态，取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)。

根据比例因子k=na/emax和k=nb/emax以及具体控制要求可求出E和EC的量化因子。

考虑对论域的覆盖程度和灵敏度及原鲁棒性则，将隶属函数选择为三角形隶属函数(图9所示)。

图9 隶属函数
（2）模糊控制规则及方法
模糊控制规则是对理论知识与实践经验的总结。

由于2个输入变量偏差E及偏差变化率EC各有7个语言值，因此共有49条规则。

采用十字交叉法并根据工艺控制经验可得控制规则(表6所示)。

表6 控制规则表
表8中一般按照从左到右，从上到下的顺序输入模糊规则。

规则1可以解释为如果E为NB且EC为NB，则△I为NB。

总的模糊关系为R=R1UR2U…UR49(R1、R2…R49代表
每条规则中△I对应值)，输出控制量模糊集为△I=( E×EC )·R。

(3) 反模糊化
反模糊化是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程,
其主要方法有最大隶属度法、中位数法、重心法、二分法等。

本温度控制系统采用二分法，即取输出模糊集的隶属度(经过模糊规则推理后得出的是控制量隶属于论域上不同模糊子集的隶属度)函数曲线与横坐标轴围成区域的面积均分点对应的元素
值为输出值。

（4）模糊控制器的设计
为了达到更好的控制效果，采用模糊控制与PID控制切换的方法。

PID控制器采用一个积分作用，I（k）=I(k-1)+K I*E(I(k)为k时刻电流输出值、I( k-1 )为k-1时刻电流输出值、k I为积分参数)。

这样,补偿了模糊控制的积分环节,其控制的特点是在大偏差范围内利用模糊控制器推理的方法调节输出控制量△I,而在小偏差范围内转换为PID控制器输出控制量△I,两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。

4．3 安全控制方案以及报警机制
该工艺过程中，如果发生炉管爆裂，由于A物料是可燃物质，因此就可能发生爆炸事故；如果由于燃料流量中断或其他原因引起炉膛突然灭火，则就会使物料出口温度迅速下降，严重达不到工艺要求；如果物料进料中断，则是加热炉温度迅速升高，可能会对设备和人身造成危害，并且造成燃料的浪费。

为了能够保障工艺过程的安全，控制系统要求能够针对上述三种加热炉事故进行故障的识别并设计相应的安全控制系统以及报警机制，对其进行监视和控制。

4.3.1 设计思想
根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：
被控变量：产品流量FT1105、炉膛中心火焰温度TI1101和待加热物料A流量FT1101
操纵变量：燃料流量FT1103、空气流量
本系统采用自动控制，在工艺的全过程中，对产品（热物料A）流量FT1105、炉膛中心火焰温度TI1101和待加热物料A流量FT1101进行实时检测，然后与设定值相比较，如果出现下面情况：（1）如果检测到产品（热物料A）流量急剧下降（2）
如果检测到炉膛中心火焰温度急速下降到零（3）如果检测到待加热物料A流量快速下降到规定的最小流量则说明工艺过程可能出项事故，该控制系统就会发出报警信号，并且采取相应措施使加热炉紧急停车，来实现对工艺全过程的安全控制。

系统结构框图
根据以上设计思想，系统结构框图设计如图10所示。

图10 安全控制系统
加热炉紧急停车的步骤如下：
1.在紧急事故状态出现后，应立即关闭燃料管流量调节阀V1104，首先切断全
部燃料气的供应。

2.然后停止鼓风机转动，停止向加热炉供应空气。

3.把烟道挡板DO1101全打开。

4.手动关闭物料A管线流量调节阀旁路阀，停止向加热炉加入物料。

5.检查分析事故原因，排除事故。

6.确认事故已排除，重新启动。

4．4 物料A出口温度微调控制系统
由本系统控制要求可知，物料A出加热炉时的温度要稍高于物料A的工艺要求温度，通过换热器的减温作用来对物料A进行温度微调，使物料A的最终温度能更加精准，达到工艺要求的温度。

4.4.1 设计思想
根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：
被控变量：产品（热物料A）温度TT1105
操纵变量：去换热器的待加热物料A流量
本方案采用自动控制，首先采集产品（热物料A）温度，与工艺要求的温度相比较，如果不满足要求，通过主控制器控制比值控制回路，来改变去换热器的待加热物料A流量和产品（热物料A）流量比值，从而是该系统的主参数产品（热物料A）温度达到工艺要求的水平。

4.4.2 系统结构框图
根据以上设计思想和系统控制要求，系统结构框图设计如图11所示。

图11 温度微调控制系统框图
4．5 炉膛负压以及热效率控制系统
由本系统控制要求可知，加热炉在正常工作下，炉膛的压力应为微负压，一般为-20Pa —-30Pa，这个负压对炉子的热效率有较大的影响，所以在正常工况下要对炉膛压力进行控制，同时也可使加热炉在最佳热效率情况下运行，达到节能减排的目的。

4.5.1设计思想
根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：
被控变量：炉膛压力PT1102
操纵变量：烟道挡板DO1101的开度
本方案采用自动控制，首先采集炉膛压力，与设定值相比较，如果不满足要求，就调节烟道挡板的开度，从而使炉膛内压力维持在一个合理的负压，在这个负压下，能够使加热炉的热效率达到最佳，即此时要求烟气温度较低，烟气含氧量在1.0%-3.0%左右。