步進式加熱爐控制系統(tǒng)設計說明

1、 . 步進式加熱爐控制系統(tǒng)設計 班級：測控技術與儀器083班 設計日期:2011年12月22至2012年1月2號 設計地點：工業(yè)大學東校區(qū)目 錄第一部分：步進式加熱爐 1. 步進式加熱爐簡介3 2. 步進式加熱爐結構4 3. 步進式加熱爐工藝流程5第二部分：DCS系統(tǒng)的選型 DCS選型注意事項7 本設計DCS選型7 DCS系統(tǒng)硬件選型8 組態(tài)設計8 設備安裝9 調(diào)試9第三部分：步進式加熱爐控制系統(tǒng)設計方案 步進式加熱爐的主要性能參數(shù)9 步進式加熱爐具體控制方案設計9第四部分：DCS組態(tài)圖 JX-300組態(tài)13 加熱爐控制系統(tǒng)演示工程14 溫度報警顯示15 溫度和爐膛壓力監(jiān)控16第五部分：心得體

2、會第六部分：參考資料一、步進式加熱爐工藝流程步進式加熱爐簡介步進式加熱爐步進式加熱爐是一種靠爐底或水冷金屬梁的上升、前進、下降、后退的動作把料坯一步一步地移送前進的連續(xù)加熱爐。爐子有固定爐底和步進爐底，或者有固定梁和步進梁。前者叫做步進底式爐，后者叫做步進梁式爐。軋鋼用加熱爐的步進梁通常由水冷管組成。步進梁式爐可對料坯實現(xiàn)上下雙面加熱。步進式加熱爐特點和推送式連續(xù)加熱爐相比，步進式加熱爐具有以下優(yōu)點：1. 可以加熱各種形狀相比的料坯，特別適合推送式爐不便加熱的大板坯和異型坯。2. 生產(chǎn)能力大，爐底強度可以達到800-100kg/m2 h,與推送式爐相比，加熱等量的料坯，爐子長度可以縮短10%-

3、15%。3. 爐子長度不受推送比的限制，不會產(chǎn)生拱料、粘連現(xiàn)象。4. 爐子的靈活性大，在爐長不變的情況下，通過改變料坯之間的距離，就可以改變爐料塊的數(shù)目，適應產(chǎn)量變化的需要。而且步進周期也是可調(diào)的，如果加大每一周期前進的步距，就意味著料坯在爐的時間縮短，從而可以適應不同金屬加熱要求。5. 單面加熱的步進式爐沒有水管黑印，不需要均熱床。兩面加熱的情況比較復雜，對黑印的影響要看水管絕熱良好與否而定。6. 由于坯料不在爐底滑道上滑動，料坯的下面不會有劃痕。推送式爐由于推力震動，使滑道與絕熱材料經(jīng)常損壞，而步進式爐不需要這些維修費用。7. 軋機故障或停軋時，能踏步或將物料退出爐膛，以免料坯長期停留爐造

4、成氧化和脫碳。8. 可以準確計算和控制加熱時間，便于實現(xiàn)過程自動化。步進式加熱爐存在的缺點：和同樣生產(chǎn)能力的推送式爐相比，造價高15%-20%；其次步進式爐（兩面加熱的）爐底支撐水管較多，水耗量和熱耗量超過同樣生產(chǎn)能力的推送式爐。經(jīng)數(shù)據(jù)表明，在同樣小時產(chǎn)量下，步進式爐的熱耗量比推送式爐高160KJ。步進式加熱爐的結構圖（1）步進式加熱爐結構圖(2)爐底結構：從爐子結構看，步進式加熱爐分為上加熱步進式爐、上下加熱步進式爐、雙步進梁步進式爐等。上加熱爐只有上部有加熱裝置，固定梁和移動梁是耐熱金屬制作的，固定爐底是耐或材料砌筑的。這種爐子幾乎沒有水冷結構，所以熱耗較低，只能單面加熱，用于較薄鋼坯的加

5、熱。與推進式加熱爐一樣，為了滿足加大鋼坯的需要，步進式加熱爐也發(fā)展了以下的加熱方式，出現(xiàn)了上下加熱的步進式加熱爐。結構圖如圖（2）圖(2) 步進式加熱爐爐底結構. 此爐底是架空的，可以實現(xiàn)雙面加熱，鋼坯沒有緊靠在一起，也可以看成是四面受熱。下加熱一般只能用側燒，上加熱可以用軸向端燒嘴，也可以用側燒嘴或爐頂端燒嘴供熱?？紤]到軸向燒嘴火焰沿長度方向的溫度分布和各段溫度的控制，某些大型步進式爐有明顯的爐頂壓下，而下加熱段設有端墻，以免各段溫度之間相互干擾。因此這樣的步進式爐子長度溫度調(diào)節(jié)有更大的靈活性。如果爐子寬度較大，火焰長度又較短時，可以在爐頂上安裝平焰燒嘴。(3)傳動機構：步進式加熱爐的傳動機

6、構分為機械傳動和液壓傳動，目前廣泛應用的是液壓傳動方式。此種傳動方式運行穩(wěn)定、結構簡單、運行速度的控制比較準確，占地面積小、設備質量小、比機械傳動有明顯的優(yōu)點。由于步進式爐很長，上下兩面溫度差過大，線膨脹的不同會造成大量的彎曲和隆起。為解決這個問題，目前一些爐子將大梁分成若干段，各段間留有一定的膨脹間隙，變形雖不能避免，但彎曲的程度大為減輕，不致影響爐子正常工作。(4)密封結構：為了保證步進梁正常無阻礙的運動，在活動梁和移動梁之間要有一定的間隙，對步進梁來說則在梁支撐穿過爐底部分有保證它運動的足夠大的開孔。這些縫隙或開孔的存在雖然是必要的，但也容易吸入冷風，影響加熱質量和降低燃料利用率，也可能

7、造成爐氣外逸，危害爐底下部設備，對軋鋼用步進爐則必須考慮密封問題。目前有滑板式密封和水封兩種密封形式，前者密封較差，水封密封較好。步進式加熱爐工藝流程一般情況下，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(xiàn)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，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。鋼坯加熱是熱軋生產(chǎn)工藝過程中的重要工序。其生產(chǎn)過程如下：對于步進式加熱爐

8、，鋼坯的移動是通過固定梁和移動梁的周期運動來實現(xiàn)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(huán)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(jīng)過測長后，從裝料爐門進入爐，然后在爐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。固定

9、梁水平面3214下降上升固定梁移動梁圖（3）步進結構步進行程如圖（3）連鑄出坯焜道裝料焜道裝料機口爐內(nèi)固定梁預熱段加熱段均熱段出料焜道圖(4) 工藝過程如圖（4）18 / 182、 DCS系統(tǒng)選型DCS選型注意事項DCS可以用于不同的工藝過程，它是通用的控制設備。 經(jīng)濟性，應該從DCS本身價格和預計所創(chuàng)效益角度考慮。 承包方的技術力量，也就是承包方對哪一工藝過程和DCS本身比較熟悉。 售后服務問題，國外廠商通常情況下存在配品、備件供應價格高，且不能與時供應問題。國的DCS廠家配品、備件供應比較與時，售后服務方面做的也比較好。也可選用。 DCS的技術先進性，指系統(tǒng)采用了經(jīng)過驗證的最新技術，并有發(fā)

10、展前途和生命力。選型不但要考慮項目規(guī)模和投資預算，還要考慮到一系列其它的因素，選型是否恰當往往從一開始就決定了該系統(tǒng)今后的命運，應慎重考慮。本設計DCS的選型一般的工程項目，需要進行可行性研究和項目的基礎設計，以確定工藝基本要求、系統(tǒng)的規(guī)模、測點的數(shù)目與特性（如量程、單位、閥特性、觸點的常開和常閉等）、控制要求（如聯(lián)鎖、常規(guī)控制、特殊控制等）、需監(jiān)控的流程畫面（如帶測點的工藝流程圖樣式、操作界面的樣式）、報表樣式與要求、控制室的布置設計等等。明確這些要求，為下一步的選型、組態(tài)、安裝、調(diào)試等工作做了準備。選擇浙大中控JX-300X組態(tài)系統(tǒng)。 JX-300X系統(tǒng)硬件結構DCS系統(tǒng)硬件選型根據(jù)系統(tǒng)實

11、際測點和控制情況，選擇系統(tǒng)需要的硬件設備（機柜、機籠、卡件、操作站等），使硬件配置可以滿足設計中的數(shù)據(jù)監(jiān)控、畫面瀏覽等要求，并為將來的系統(tǒng)擴展升級留有一定的余量。加熱爐I/O點數(shù)檢測區(qū)域AI點數(shù)AO點數(shù)DI點數(shù)DO點數(shù)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2842510組態(tài)設計根據(jù)前期設計和硬件選型的結論，用 JX-300X 系統(tǒng)組態(tài)軟件包中的相關軟件實現(xiàn)控制站、操作站等硬

12、件設備在軟件中的配置，操作畫面設計，流程圖繪制、控制方案編寫，報表制作等等。一般的，組態(tài)設計按照以下的步驟進行：以系統(tǒng)整體構架為基礎，進行總體信息的組態(tài)I/O 組態(tài)（I/O 設備、信號參數(shù)的設置）控制組態(tài)（控制方案的實現(xiàn)）操作組態(tài)（監(jiān)控畫面，如流程圖等） 對于一個項目的組態(tài)設計，主要是指利用 JX-300X DCS 系統(tǒng)組態(tài)軟件包，在工程師站上完成的設計、配置工作，這樣的組態(tài)設計基本上是按照下面的步驟進行的：1. 整理硬件與 I/O 信息，分配測點2. 建立組態(tài)文件3. 主機設置4. 控制站 I/O 組態(tài)5. 控制方案組態(tài)6. 操作站組態(tài)7. 編譯、修正設備安裝設備安裝之前，需要確定的是指控制

13、室的環(huán)境布置是否符合 DCS 工作要求，是否具備供電條件，接地系統(tǒng)是否完成，機柜、操作臺等是否就位，電纜的鋪設是否符合標準，現(xiàn)場儀表的就位是否正常。確認安裝的準備工作就緒以后，可以進行設備接線、卡件安裝等工作。調(diào)試在設備就位的基礎上，可以進行組態(tài)的下載以與控制系統(tǒng)的調(diào)試和聯(lián)調(diào)。這些工作的進行測試了系統(tǒng)的各設備的通訊是否暢通，硬件工作是否正常，現(xiàn)場設備能否按照配置正確的工作，控制方案是否滿足控制要求。3、 步進式加熱爐控制方案設計步進梁式加熱爐主要性能參數(shù)爐子額定能力：90t/h有銷爐底強度：500Kg/(m2*h)鋼坯加熱溫度：10501080攝氏度，最高1150攝氏度燃料： 高焦爐混合煤氣

14、設計發(fā)熱值：7531KJ/m3 煤氣接點壓力：8000pa 爐膛控制溫度：均熱段11001200攝氏度， 加熱段11501250攝氏度，預熱段700850攝氏度，爐膛最高溫度1350度 燒嘴數(shù)量： 均熱段：共28個，加熱段34個燒嘴型號： BMT-3.34煤氣調(diào)焰燒嘴爐膛控制壓力： 020Pa空燃比： 1.24.5（隨熱值調(diào)整）控制系統(tǒng)具體方案設計加熱爐燃燒控制系統(tǒng)對加熱爐控制來說，占有很重要的地位。它對于坯料加熱溫度的均勻，溫度控制的準確，合理的進行燃燒，節(jié)約燃料，防止冒黑煙，減少有害氣體對環(huán)境的污染，都有重要的意義。傳統(tǒng)的加熱爐爐溫控制通常采用并行串級控制方法或雙交叉限幅控制燃燒方法。并行

15、串級控制方法比較簡單、實用，而且負荷跟蹤速度較快，但是在動態(tài)特性變化比較頻繁的生產(chǎn)過程只能中，不能保持空氣、燃料的較好跟隨關系，難以實現(xiàn)最佳空燃配比。而雙交叉限幅控制方法則能保證最佳空燃配比的實現(xiàn)，但同時也導致了整體上負荷跟蹤速度的降低。爐溫控制采用具有快速補償響應與抗積分飽和功能的雙交叉限幅燃燒控制方法.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(jiān)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(diào)節(jié)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。在燃燒負荷發(fā)生

16、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(tǒng)的響應速度不同，會帶來缺氧燃燒現(xiàn)象和過氧燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。當負荷增加時，燃料系統(tǒng)所需的煤氣流量和空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(huán)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(lián)串級控制系統(tǒng)。其中，溫度控制器是主控制器，實現(xiàn)溫度的粗調(diào)，煤氣流量控制器和空氣流量控制器是平行的副控制器，完

17、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與防止燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)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個合理的比值交替地上升，使實際的空燃比保持在合理的圍之，從而克服了傳統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)存在的不足。具有快速補償響應功能的交叉限幅控制方法,雙交叉限幅燃燒控制的響應速度受燃料流量控制和空氣流量控制,響應速度的制約取決于其應較慢一方,通常是空氣流量.控制的響應速度在爐溫設定值動態(tài)優(yōu)化設定的燃燒系統(tǒng)中,這一問題顯得尤為突出通常的解決方法,是當爐溫設定值的變化率較大時,取消雙交叉限幅功能代之以串級并行控制.本文采用的方法是在現(xiàn)

18、有的雙交叉限幅燃燒控制的基礎上增加一快速響應功能,以改善空氣流量控制系統(tǒng)的響應速度.這種控制方法主要思想是在正常狀態(tài)下采用雙交叉限幅燃燒控制方法,當負荷大幅度升降其變化超過響應速度,較快的燃料系統(tǒng)限制的能力時,燃料系統(tǒng)限制環(huán)節(jié)的輸入輸出之差,經(jīng)動特性補償方向性增益補償和補償量限制環(huán)節(jié)后,與空氣系統(tǒng)限制環(huán)節(jié)的輸出相加,此信號作為空氣流量控制系統(tǒng)的設定值.實行強制性前饋作用以此來加快空氣系統(tǒng)的響應速度,迅速解除對燃料系統(tǒng)的限制作用。 圖中A 為爐溫調(diào)節(jié)器的輸出,B和 D分別為根據(jù)空氣流量測量值求得的黑煙界限和空氣過剩界限，C 和 E分別為根據(jù)燃料流量測量求得的黑煙界限和空氣過剩界限，K1-K4 為

19、偏置數(shù) ,為量程修正系數(shù) ,為空氣過剩率設定。煤氣/空氣流量控制當空氣和煤氣管道壓力過小的時候會造成回火事故，使加熱爐既不能正常工作。為了保證不發(fā)生這樣的事故，煤氣管道壓力不能太小，因此需要在煤氣和空氣管道壓力持續(xù)減小，而溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法發(fā)揮作用的時候需要完全切斷煤氣供應，對燃燒系統(tǒng)進行保護，以防止回火，造成不必要的損失。煤氣空氣管道壓力控制系統(tǒng)框圖如圖(5)所示：氣體管道壓力控制器電動調(diào)節(jié)閥壓力檢測變送圖（5）管道壓力控制框圖圖壓力設定PTPC流量壓力給定壓力圖（6）管道壓力控制流程圖其控制流程圖如圖(6)所示：爐膛壓力控制 爐膛壓力是實現(xiàn)加熱爐自動控制的一個重要參數(shù)。當爐膛壓力過高時，火煙

20、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(huán)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(tǒng)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(diào)速來實現(xiàn)。 爐膛壓力主要通過設于排煙管道上調(diào)節(jié)閥的開度進行調(diào)節(jié)，正常時應保持爐膛微正壓1020Pa，以防止外部冷空氣侵入和火焰外逸。以均熱段爐壓測點為被控參數(shù)，蓄熱系統(tǒng)的排煙管道上的調(diào)節(jié)閥為操縱量。以爐氣平衡出發(fā)，煙道排煙量應該以供風量相平衡，故采用簡單的單回路控制系統(tǒng)對爐膛壓力進行控制，有壓力檢測變送裝置反饋回來的信號與給定值進行比較，當爐膛壓力增大時，增大煙道閥門的開度；當爐膛壓力減小時，減小煙道閥門的開度；爐子待軋熄火時，煙道閘門應完全關閉，以保證爐溫不會很快降低。爐壓控制系統(tǒng)方框圖如圖(7)所示：壓力控制器煙道閘門爐膛壓力檢測變送煙道管道壓力設定圖（7）爐內(nèi)壓力控制框圖爐膛壓力其控制流程圖如圖(8)所示：出口壓力PTPCPr+煙道圖（8）爐內(nèi)壓力控制流程圖4、 DCS組態(tài)圖JX-300組態(tài)圖加熱爐控制系統(tǒng)演示工程溫度報警顯示溫度和爐膛壓力監(jiān)控5、 心得體會通過這次的過程控