过程控制课程设计 加热炉炉温控制系统设计

过程控制课程设计说明书

题    目：加热炉炉温控制系统设计

学生姓名：

学    号：

专    业：测控技术与仪器

班    级：2012-1

指导教师：

                    2016年 9 月 8 日

引言

    目前在我国钢铁冶金行业中，能源问题日益严峻以及企业面临越来越激烈的市场竞争，节能增效就显得尤为重要。这就需要对钢铁冶金行业中的主要耗能设备——加热炉的运行状态进行及时和准确的分析并进行优化，以提高加热炉的运行效率，达到节能降耗的目的。近年来，随着自动化程度的不断提高，轧钢加热炉燃烧控制已实现串级控制。

    加热炉的主要技术经济指标为加热温度和能耗两项。轧钢加热炉控制质量的好坏直接关系到经济效益,特别是炉温控制对杜绝粘钢现象,提高加热炉寿命,降低钢坯烧损、提高成材率、节能降耗、减少环境污染等具有重要意义。

    因此，本设计先根据加热炉结构特点设计控制系统，并介绍和比较其它相关的控制系统，选定了加热炉燃料流量控制系统，并阐述了PID控制思想应用于加热炉燃烧过程控制的情况和特点。

    这次设计说明书是在老师的精心指导下，参阅大量相关资料完成的。由于我的知识不够，经验不足，设计中一定还存在许多缺点，乃至错误之处，请各位老师批评指正。

第一章 加热炉概述

1.1 加热炉工艺流程          

    对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。

加热炉是传统设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70%－80%，而在对流段获得的热量约占热负荷的20%－30%。

1.2加热炉自动控制发展与现状

加热炉是轧钢生产企业中的主要耗能设备，尽量提高燃料利用率，是节能降耗需解决的主要问题。国内外冶金行业的燃料主要为焦炉、高炉混合煤气及各单一煤气，部分使用天然气，个别小型轧钢厂使用重油。计算机控制燃烧过程，就是在各种燃烧工况条件下，找到合理的最佳空燃比，使燃烧处于较佳状态，从而提高炉温控制精度，保证钢锭以较快的速度达到出钢温度，节约能源，减少氧化烧损。

　　轧钢加热炉通常配备的是以模拟调节仪表为核心的控制系统。当燃料的热值与压力稳定时，这种控制系统的控制效果还比较好，而对于燃料的热值与压力频繁波动的情况，常规模拟仪表系统就难以达到预期目标，操作者必须经常通过“看火孔”去观察火焰，调节空燃比以改善燃烧效果。这不仅给操作者带来许多不便，而且靠人工随时调节空燃比，很难跟踪热值变化的速度，加之加热炉都需要按照加热工艺曲线进行周期性的加热，而炉子的特性是变化的，要使加热炉实现最有效的节能运行还应该考虑到进料状况（冷锭或热锭）以及轧机故障待轧的运行状态。对这些要求，模拟控制系统是难以实现的。

　　随着检测设备、仪表、计算机水平的提高，90年代我国轧钢企业配置计算机控制的连续加热炉逐渐增多，并进行了不同程度的控制，由于各自的控制内容和使用情况不同，所得到的效果也不尽相同。目前国内在控制理论和关键技术方面的开发与国外先进国家相比差距不是很大，但在真正的应用上与欧美、日本、前苏联等冶金技术较先进国家相比差距较大。从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的改造，计算机几乎全是选用进口的，检测设备、仪表部分采用国产的，新上项目大部分是整套设备进口。

第二章 控制方案论证

2.1加热炉控制影响因素及基本要求

对加热炉的出口温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动控制。早期加热炉的自动控制仅限控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。为了保证安全生产，在生产线中增加了安全联锁保护系统。

    出口温度控制  影响加热炉出口温度的干扰因素很多，炉子的动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不同，可组成多参数的串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器，还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。

    燃烧过程控制  这种控制的主要目的是在工艺允许的条件下尽量降低过剩空气量，保证加热炉高效率燃烧。简单的控制方案是通过测量烟道气中的含氧量，组成含氧量控制系统,或设计燃料量和空气量比值调节系统,再利用含氧量信号修正比值系数。含氧量控制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两部分。现代工业中都趋向于用氧化锆测氧技术检测烟道气中的含氧量。应用时需要注意测量点的选择、参比气体流量和锆管温度控制等问题。加热炉燃烧控制系统中的执行机构特性往往都较差，影响系统的稳定性。一般通过引入阻尼滞后或增加非线性环节来改善控制品质。

    联锁保护系统  在加热炉燃烧过程中，若工艺介质流量过低或中断烧嘴火焰熄灭和燃料管道压力过低,都会导致回火事故，而当燃料管道压力过高时又会造成脱火事故。为了防止事故，设计了联锁保护系统防止回火和温度压力选择性控制系统防止脱火。

 2.2  系统控制方案选择

随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。

    本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节, 可产生强大的稳定作用; 积分调节可消除静差; 微分调节可加速过滤过程, 克服因积分作用而引起的滞后。控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。

本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。

2.3系统控制参数确定

 2.3.1  被控参数选择

单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。

   2.3.2  控制参数选择

工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为：

选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；

在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；

在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；

综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。

第三章 加热炉控制基本原理及系统设计

3.1炉温控制基本原理

加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的串级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些。

串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。在串级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。

3.2加热温度控制系统总体结构图

图3.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。

图3.1 加热炉温度系统

    但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。

3.3加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图

加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图如图3.2所示。

图3.2 加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图

3.4加热炉串级控制系统

加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求。

 图3.3加热炉温度串级控制系统结构图

串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图3.4所示。

图3.4 加热炉温度串级控制系统结构方框图

3.5 控制仪表的选型及配置

3.5.1测温元件

本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻，工业用铂电阻作为温度测量变送器，通常用来和显示、记录、调节仪表配套，直接测量各种生产过程中从0 ～ 500℃ 范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体等表面温度。

3.5.2一体化温度变送器

型号：DBW-4230，环境温度:0~50℃,环境湿度:90%RH,供电电源:220AC、220VAC(开关电源)

功耗:≤6W,分度号：热电阻Pt100，测量范围：0~500℃，输入信号：1-5V，输出信号：4-20mA，精度等级：0.5级

3.5.3 DX2000型无纸记录仪:

DX2000系列新型无纸记录仪,为DX200系列无纸记录仪的升级产品,DX2000最多可达48通道.可以广泛应用于各种环境中。额定电源电压：220VAC +10-15 ％，使用电源电压范围：90 ～ 260 VAC，额定电源频率：50 ～ 60 Hz，功耗：< 15W环境温度 0 ～ 50 ℃环境湿度： 20 ～ 80% RH （ 5 ～ 40 ℃）

3.5.4 调节器

    DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示

 2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：

图3.5 DDZ-III型调节器调节器接线端子

3.5.5执行器选型

本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。

    1.执行器的结构形式：

    执行器在结构上分为执行机构和调节机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；

尽可能的降低原料、产品、动力损耗；

从介质的特点考虑。

    综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。

3.5.6 电/气阀门定位器ZPD-01

表3.2 ZPD-01参数表

图3.6 ZPD-01端子图

3.5.7安全栅

型号：DFA-3100，防爆等级：ia II CT6 ，最大允许电压VM：（防爆额定值）AC/DC、220V，额定工作电压VD：DC 24（+10～-5）%V，额定工作电流ID：DC4～20mA，内阻：（DC 20mA）DFA-3100≤190Ω，DFA-3300≤150Ω精度： 0.2%  

可行性：安全栅是本质安全防爆型仪表的关键设备。在正常状态时，安全栅不影响系统正常运行，当发生故障时（危险场所的连线短路或接地 ，非危险场异常电压混触）安全栅具有限压限流和断电等功能可以将危险场的电能量在点火界限以内，确保现场的安全。它广泛用于石油、化工、轻工等易爆易燃的场所。它具有：防爆等级高、精度高、体积小、价格便宜安装方便等优点。

采用双重化元件电路，可靠性高。

3.5.8 配电器

型号：DFP-2100 ，通道数:2，重量:1.5Kg，功耗：2.4W

     DFP-2100配电器属于控制室内仪表它通过DC-DC转换器向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源同时把从变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出.

5.8.1  功能与特征

向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源，本安防爆型仪表.其标志为(ib)ⅡCT，实行电源-输入-输出之间三隔离将变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出，采用高性能固定模块结构紧凑体积小重量轻，仪表系列化有架装和短架装二种结构形式.    

5.8.2 主要技术指标

输入信号::4～20mADC

温度漂移:≤0.1×基本误差1℃

输出信号:输出电流:4～20mADC 输出电压:1～5VDC

配电电压:18.5～28.5VDC

配电回路:1～5个

基本误差:±0.2%

绝缘电阻:电源 输入与输出端子间≥100MΩ

绝缘强度:电源/输入/输出端子间1500VAC/1分钟

工作条件:环境温度:0～50℃ 相对湿度≤90%(RH)

电源电压:24VDC(可订制220VAC)

功耗:＜2W

防爆等级:(ib)ⅡCT6

重量:＜2kg

外型尺寸:44(宽)×175(高)×360(深)或44(宽)×175(高)×2000(深)

3.5.9 薄膜气动调节阀ZMBS-16K

表3.3 ZMBS-16K参数表

图3.7 执行器接线端子图

第四章 设计总结

此次课程设计----加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。

在做这个设计之前，我一直以为自己的理论知识学的还是蛮可以的。但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。

设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我成功的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。

对生产过程进行自动化控制是我们以后专业学习以及工作中非常重要的一项任务，通过此次控制系统项目设计我比较清楚地明白了控制过程的设计让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，也检查了自己存在的不足之处。本次设计虽然设计思路大体上是正确的，但在细节处理方面多多少少存在一些问题，希望老师能够指教。

参考文献

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