过程控制系统课程设计

过程控制系统课程设计（步进梁式加热炉）

姓名：任思员

班级：仪0842

学号：081844088

专业：测控技术与仪器

日期：2011、12、25 组员：倪飞跃、年栋栋、秦富、任思员、阮培

一、加热炉工艺流程及控制简介

● 1.1 设计目标

以钢铁企业常见的“步进梁式加热炉”为对象，采用DCS 为控制系统硬件，围绕工艺要求，完成控制系统方案设计。

● 1.2加热炉工业流程及要求

（1）步进梁式炉为两面供热步进式炉，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。

在钢铁企业中，轧钢系统的各种加热炉是能源消耗大户，如何满足轧机对钢坯温度性能要求的情况下，最大限度地提高加热炉的热效率，降低能源消耗，这是当前加热炉专业及加热炉控制专业的一个共同课题。

国内某钢铁公司的步进式加热炉主要用来给碳素结构钢加热，炉子全厂56740mm，有效炉长为50000mm，炉宽12600mm，最大产量400t/h（最长板坯、冷装料），步进梁的步距为200/500mm，步进周期为45s。燃料为混合煤气，板坯加热温度可达1250度。

一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段。进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。

钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。其生产过程如下：对于步进式加热炉，钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的。钢坯位于固定梁上，移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉内前进一步，而且保证钢坯没有任何滑动。传动机构的上下运动和前后运动分别有独立的机构完成。步进梁的进后运动多采用油压传动方式，上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式。钢坯被送到加热炉外的上料辊道上，经过测长后，从装料炉门进入炉内，然后在悬臂辊道上进行对中定位，通过移动梁步进机械的周期运动，一步步的前进。当钢坯被输送到出炉位置，且已达到所要求的出炉温度，当接到允许出钢信号时，钢坯加热结束，由出料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机经行轧制。

（2）加热炉控制系统结构

加热炉自动化控制系统分为现场设备（L0）、基础自动化系统（L1）、过程控制计算机系统（L2），如下图：

（3）加热炉燃烧控制系统由许多模块组成，实现了钢坯加热过程中有关参数测控和管理的集中化。整个燃烧控制系统分为以下模块：炉温选择控制、煤气/空气燃烧控制、炉压控制等。

二、控制模块

2.1 炉温控制

加热炉各段炉温控制采用PID控制，过程值来自于选定的热电偶的测量值。2根热电偶检测的温度偏差回路实时监视偏差值，温度偏差高时将报警提示操作工。炉温控制器有自动、手动两种控制方式。当煤气/空气调节阀输出达到60%以上而煤气/空气的流量过程值低于20%时，煤气/空气显示故障并停段。

加热炉分三段实现炉温自动控制，包括预热段、加热段和均热段。每段炉温各自独立控制，每段取炉顶和炉侧2点温度为测量值，正常情况以炉顶测量温度为控制目标值，当炉项处热电偶出现故障时，以炉侧测量温度为控制目标值。加热一段炉温控制范围：1 1 00-1 200℃，加热二段温度控制范围： 1200-1300℃，均热段温度控制范围：1240-1260℃。三段炉温采用相同的温度控制方案，炉温自动控制是以炉温控制为主环，煤气流量调节为副环的串级回路控制，下面以均热段为例说明炉温是如何实现自动控制的。

2．1．1串级控制简介

所谓串级控制系统就是由两台控制器串联在一起，控制一个控制阀的控制系统。串级控制系统原理图如图3．1所示。

串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点：

(1)改善了被控过程的动态特性，可以使系统的响应加快，控制更为及时；

(2)提高了系统的工作频率，可使振荡周期缩短；

(3)具有较强的抗扰动能力；

(4)具有一定的自适应能力。

综上所述，串级控制系统与单回路控制系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，调节器参数整定较复杂。所以在工业应用中，串级控制并不是任何场合都适用，往往应用于以下场合：

(1)用于克服被控过程较大的容量滞后：

(2)用于克服被控过程的纯滞后：

(3)用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；

(4)用于克服被控过程的非线性。

2．1．2炉温一煤气流量串级控制

由于加热炉炉温过程是一个具有大惯性、非线性和多扰动等特点的过程，根据串级控制系统的特性，本文采用炉温一煤气流量串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。在此串级控制系统中，将变化较剧烈的煤气流量等扰动包含在副环回路中，利用副环回路的优良特性来抑制这些扰动对被控量即炉膛温度的影响。同时，利用串级控制系统可以改善被控过程动态特性和具有较强自适应能力的特点，来克服加热炉炉温过程的较大的容量滞后以及非线性等问题。

在图3．2中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即煤气流量控制器的设定值，而由煤气流量控制器的输出去控制煤气的调节阀，调节阀采用气开式，炉温控制器和煤气控制器均采用反作用方式。在稳定状态下，炉温控制器和煤气控制器的输出都处于相对稳定值，煤气调节阀也相应地处于某一开度上。如果稳定状态被破坏，炉温控制器和煤气控制器的串级控制开始作用。

第一种情况：煤气流量发生变化。当煤气流量变送器检测出流量值与

设定值进行比较，当实际流量值高于设定值4000 Nm3／h时，煤气流量控制器输出减小，通过执行器调整煤气流量，直至达到设定值。所以对于煤气流量的小变化，经过煤气流量控制器这一控制的结果，将不会引起炉温的变化；对于煤气流量的大变化，也将会大大削弱它对炉温的影响。随着时间的增长，煤气流量变化对炉温的影响将显示出来。炉温发生变化，炉温控制器开始工作，不断改变控制输出，直到炉温重新回到设定值为止。

第二种情况：炉温发生变化。假定当实测炉温高于1280℃，根据炉温控制器的反作用，控制输出减小，即煤气流量的设定值减小。由于此时煤气流量并没有变，即测量值暂时没有变化，又根据煤气流量控制器的反作用，其控制输出减小，调节阀应减小开度，煤气流量减小，炉温逐渐下降，直到炉温回到1200℃～l 280℃为止。炉温降低时，其调节过程相反。

第三种情况：假定炉温和煤气流量同时发生变化。这时分为两种情形：一种情形是温度、煤气流量同向发生变化；另一种情形是温度、煤气流量反向发生变化。对于第一种情形，以炉温升高、煤气流量增大为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测量值增大，两方面作用一综合，这样流量控制器的输出应大幅度的减小，调节阀将大幅度关小开度，煤气流量大幅度减小，炉温很快回到设定值。对于第二种情形，以炉温升高、煤气流量减小为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测量值减小，两方面的作用结果，比较煤气