蓄熱式加熱爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

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1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第40頁(yè)蓄熱式加熱爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要能源危機(jī)日益加深，因此對(duì)節(jié)能的研究便成為世界各國(guó)關(guān)注的主要課題。蓄熱式加熱爐是應(yīng)運(yùn)而生的一種新型加熱爐，它采用高溫空氣燃燒技術(shù)，大大提高了熱回收率，節(jié)能環(huán)保。加熱爐是冶金企業(yè)最主要的耗能設(shè)備，其自動(dòng)控制策略是過(guò)程控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要研究方向。現(xiàn)在我國(guó)許多鋼鐵企業(yè)中的加熱爐還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，存在著大量的人工操作，而蓄熱式加熱爐必須采用高頻換向閥，頻繁換向控制，人工手動(dòng)操作顯然是不切合實(shí)際的，所以對(duì)自動(dòng)控制的要求也相應(yīng)提高。如何按照工藝的要求并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制且達(dá)到良好的控制效果也是十分關(guān)鍵的。PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，已經(jīng)在電氣控制

2、系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序和定時(shí)的功能，并且可靠性高。本文根據(jù)蓄熱式均熱爐的工藝流程和工藝要求，詳細(xì)闡述了對(duì)蓄熱式均熱爐爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)合PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制且達(dá)到良好的控制效果。關(guān)鍵詞：蓄熱爐；PLC控制；ProTool監(jiān)控Regenerative furnace PLC control system design AbstractThe energy crisis deepening, therefore the research of energy conservation and become the world attention

3、 the main issue. Regenerative furnace is made of a new type of heating furnace, it use the high temperature air combustion technology, greatly improving the heat recovery, energy conservation and environmental protection. Heating furnace is the main metallurgical enterprise energy equipment, the aut

4、omatic control strategy is the process control in the area of an important research direction. Now Chinas many steel enterprises in the heating furnace is not implemented automatic control, there is a lot of manual operation, and regenerative furnace must adopt high-frequency, frequent commutation o

5、f the directional control valve control, manual operation apparently is not practical, so for automatic control requirements also increase. How to process requirements and the realization of automatic control and achieve good control effect also is very important. PLC as a new generation of industri

6、al control device, in electric control system has been used widely. It can not only realize complex logic control, still can perform a variety of order and the timing of the function, and high reliability. In this paper, according to the equal-heating stove regenerative process and technology, this

7、paper expounds the requirements of regenerative furnace temperature control system of the equal-heating stove, the design process of PLC control technology, combined with the realization of automatic control and achieve good control effectKey words： regenerative furnace；PLC control；ProTool monitorin

8、g目錄1 緒論11.1 均熱爐簡(jiǎn)介11.2 蓄熱式均熱爐工藝21.2.1 高溫空氣燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介21.2.2 蓄熱式均熱爐工作原理41.3 國(guó)內(nèi)外對(duì)加熱爐控制研究現(xiàn)狀51.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀51.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀61.4 蓄熱式均熱爐控制的關(guān)鍵問(wèn)題82可編程控制器的原理及應(yīng)用92.1 PLC的基本構(gòu)成92.2 PLC的工作原理92.3 西門(mén)子PLC和S7-300簡(jiǎn)介102.3.1 西門(mén)子PLC簡(jiǎn)介102.3.2 S7-300簡(jiǎn)介113 控制方案制定133.1 壓力控制系統(tǒng)方案確立133.2 換向控制系統(tǒng)方案確立143.2.1 換向系統(tǒng)概述143.2.2 換向控制功能153.2.3 換向裝置

9、空轉(zhuǎn)狀態(tài)153.3 本章小結(jié)164 蓄熱式均熱爐控制系統(tǒng)軟硬件配置174.1 控制系統(tǒng)硬件配置174.2 人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)184.2.1 監(jiān)控軟件ProTool簡(jiǎn)介184.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能194.3 下位PLC系統(tǒng)214.4 本章小結(jié)225 PLC控制系統(tǒng)235.1 PLC的編程語(yǔ)言235.1.1 PLC的編程方法235.2 人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)245.2.1 爐膛溫度控制運(yùn)行結(jié)果及分析24結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄291 緒論 隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)日益加深。在1973年發(fā)生一次石油危機(jī)以后，開(kāi)發(fā)新能源和節(jié)能的研究便成為世界各國(guó)關(guān)注的主要課題。冶金

10、工業(yè)是耗能大戶(hù)，其中鋼坯加熱爐就占鋼鐵工業(yè)總能耗的25%。因此，提高加熱爐熱效率、降低能耗，對(duì)整個(gè)鋼鐵工業(yè)節(jié)能有重要意義，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的重視?，F(xiàn)代的軋機(jī)正向連續(xù)、大型、高速、高精度和多品種方向發(fā)展，對(duì)鋼坯加熱質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，從而也對(duì)加熱過(guò)程的控制提出了更高的要求。自70年代中期以來(lái)，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)開(kāi)始對(duì)各種燃燒設(shè)備的自動(dòng)控制進(jìn)行了廣泛深入的研究。 加熱爐是軋鋼生產(chǎn)能源消耗的主要設(shè)備，在保證軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，如何降低加熱爐的燃料消耗和減少環(huán)境污染，是鋼鐵企業(yè)研究的重要課題之一。加熱爐燃燒過(guò)程控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的重視。蓄熱式加熱爐采用20世紀(jì)80年代新興的節(jié)能環(huán)保燃燒技術(shù)高

11、溫空氣燃燒技術(shù)，是加熱爐發(fā)展的趨勢(shì)。 目前加熱爐燃燒過(guò)程普遍存在的能耗高、溫度控制精度差、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。本論文以蓄熱式均熱爐為例，對(duì)蓄熱式均熱爐按照溫度設(shè)定曲線烘烤控制、爐膛壓力控制、換向過(guò)程控制等方面進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)了所有燃燒過(guò)程的全自動(dòng)化控制。1.1 均熱爐簡(jiǎn)介 初軋是鋼鐵工業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。煉鋼澆注的鋼錠大部分經(jīng)初軋、開(kāi)坯后才能軋制成材，而鋼錠必須經(jīng)過(guò)均熱爐按照特定的工藝曲線加熱后才能送往初軋機(jī)進(jìn)行軋制，它在間歇性的煉鋼生產(chǎn)變?yōu)檫B續(xù)性初軋生產(chǎn)之間起緩沖、平衡作用。均熱爐是初軋廠中鋼錠加熱用的設(shè)備，它將冷、熱鋼錠加熱到軋制要求的溫度，并使其溫度均勻。均熱爐操作直接影響到鋼坯的產(chǎn)量、

12、質(zhì)量和成本。為了充分發(fā)揮初軋機(jī)的生產(chǎn)能力，有必要增強(qiáng)對(duì)均熱爐的控制。 均熱爐屬室狀爐類(lèi)型，即爐溫是隨時(shí)間而變的。均熱爐要根據(jù)鋼錠的材質(zhì)、尺寸規(guī)格、裝爐溫度、出爐溫度等，確定爐子的加熱制度，即確定加熱升溫曲線，包括各階段的加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速度、保溫時(shí)間。 均熱爐在保證安全運(yùn)行及完成加熱鋼坯任務(wù)的同時(shí)，還要考慮高效及經(jīng)濟(jì)地燃燒。當(dāng)均熱爐控制系統(tǒng)的負(fù)荷及煤氣的質(zhì)量等因素發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采用何種合理有效的控制手段，仍然能使加熱爐內(nèi)的爐膛溫度、爐膛壓力、排煙溫度等參數(shù)穩(wěn)定在控制范圍之內(nèi)，并且能夠使加熱爐工作在最佳燃燒區(qū)內(nèi)。1.2 蓄熱式均熱爐工藝 眾所周知，用蓄熱室來(lái)預(yù)熱空氣和燃料是一項(xiàng)較早的技術(shù)，

13、但由于其換向閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、控制系統(tǒng)不可靠、換向時(shí)間長(zhǎng)、效率比較低，因此沒(méi)有得到重視。20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)后，節(jié)能工作開(kāi)始得到各個(gè)國(guó)家的重視，加之科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性強(qiáng)的換向系統(tǒng)。因此近十年來(lái)蓄熱式燃燒技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，各個(gè)國(guó)家都在研究各種蓄熱式燒嘴和高溫燃燒技術(shù)。由此，蓄熱式加熱爐應(yīng)運(yùn)而生。 蓄熱式均熱爐采用現(xiàn)代燃燒技術(shù)，即高溫空氣燃燒技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、降耗、提高鋼坯質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是均熱爐發(fā)展的趨勢(shì)。1.2.1 高溫空氣燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介 高溫空氣燃燒技術(shù)(High Temperature Air Combustion，簡(jiǎn)稱(chēng)HTAC) 是20世紀(jì)90年

14、代以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始普遍推廣應(yīng)用的一種全新燃燒技術(shù)。它是將高溫空氣噴入爐膛，維持低氧狀態(tài)，同時(shí)將燃料輸送到氣流中產(chǎn)生燃燒?？諝鉁囟阮A(yù)熱到8001000以上，燃燒區(qū)空氣含氧量在2%4%，與傳統(tǒng)燃燒過(guò)程相比，高溫空氣燃燒的最大特點(diǎn)是節(jié)省燃料，減少CO2和NOx的排放，降低燃燒噪音，被譽(yù)為21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)所產(chǎn)生的節(jié)能和環(huán)保的效果是劃時(shí)代的，被國(guó)際權(quán)威專(zhuān)家譽(yù)為今后五十年內(nèi)沒(méi)有超越它的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。 工業(yè)爐窯是熱加工生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，也是能源消耗大戶(hù)。多年來(lái)，工程技術(shù)人員一直在爐體結(jié)構(gòu)、燃燒器、回收煙氣余熱、優(yōu)化加熱工藝、控制技術(shù)和管理及采用新型保溫材料等方面尋求各種節(jié)能措施，以提高爐子的

15、熱效率。從爐窯熱平衡分析可以得知：高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃空几鞣N燃料爐供給總熱量的30%50%。因此，如何利用好這部分熱量是工業(yè)爐節(jié)能降耗的關(guān)鍵技術(shù)之一。在工業(yè)爐中最可行的有效降低燃料消耗量的方法是利用爐子廢棄的熱量預(yù)熱燃燒所需要的空氣。 1858年，William Siemens發(fā)明了蓄熱室。由于蓄熱室可以將空氣預(yù)熱至較高溫度，所以許多爐子都改用了蓄熱室，如高爐、平爐和均熱爐等。蓄熱室的發(fā)展經(jīng)歷了“傳統(tǒng)蓄熱室-填充球蓄熱室-蜂窩體蓄熱室”的過(guò)程。到目前為止，根據(jù)蓄熱體的形狀劃分，蓄熱室主要有三種形式，如圖1.1所示。(1)格子磚蓄熱室 格子磚蓄熱室(圖1.1a)雖然能將氣體預(yù)熱到很高的溫度，并且余

16、熱回收率甚至可達(dá)到60%80，但由于采用的格子磚蓄熱體的單位體積換熱面積比較小，同時(shí)需要的換向時(shí)間也很長(zhǎng)。除此之外被預(yù)熱氣體的溫度波動(dòng)較大，建造這樣的蓄熱室需要的費(fèi)用也較大，因此這種蓄熱室一般只用于大型的高爐上，對(duì)較小的設(shè)備顯然是很不經(jīng)濟(jì)的。由于上述諸多原因，該種蓄熱室技術(shù)沒(méi)有得到大面積的推廣應(yīng)用。（a）格子磚蓄熱室 （b）陶瓷球蓄熱室 （c）蜂窩體蓄熱室圖1.1 三種蓄熱形式 (2)陶瓷球蓄熱室 1982年英國(guó)的British Gas公司和Hot Work公司開(kāi)發(fā)出了世界上第一套蓄熱式陶瓷燃燒器(Regenerative Ceramic Burner，簡(jiǎn)稱(chēng)RCB)，并將其成功地用于玻璃窯爐上

17、，取得了顯著的節(jié)能、增產(chǎn)效果。隨后，美國(guó)的北美制造公司(North American Manufacturing Company)購(gòu)買(mǎi)了RCB的生產(chǎn)專(zhuān)利，并迅速將其用于軋鋼加熱爐、熱處理爐、鍛造爐、鋁熔化爐及鋼包加熱等場(chǎng)合。這一時(shí)期，用于煙氣余熱回收的蓄熱室使用的蓄熱體是直徑為15mm左右的氧化鋁陶瓷球(圖1.1b)。這種蓄熱式燃燒器總是成對(duì)出現(xiàn)，燒嘴的換向時(shí)間為40秒90秒。氧化鋁陶瓷球在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、換熱面積等方面有了重大的技術(shù)性的進(jìn)步，增加了單位體積的換熱面積，助燃空氣預(yù)熱溫度一般可達(dá)1000以上，燃料節(jié)約率達(dá)到40%50%。事物總是相對(duì)的，有利必有弊，由于空氣預(yù)熱溫度提高了燃燒空間的溫度

18、，燃燒產(chǎn)物中NO的濃度提高達(dá)到300ppm500ppm。后來(lái)人們也把這一時(shí)期的蓄熱式燃燒技術(shù)稱(chēng)為“第一代蓄熱式燃燒技術(shù)”。(3)蜂窩體蓄熱室20世紀(jì)90年代初日本政府出資150億日元，組織科研院所和生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展“高效工業(yè)爐開(kāi)發(fā)”的研究。日本學(xué)者田中良一等人提出高溫空氣燃燒HTAC的概念。高溫空氣燃燒技術(shù)，在歐洲稱(chēng)為無(wú)焰燃燒(Flameless Combustion)技術(shù)，是一種新型燃料工業(yè)規(guī)模應(yīng)用技術(shù)，其基礎(chǔ)是在高溫和稀薄氧氣氣氛下燃燒。其核心是用陶瓷蜂窩體(圖1.1c)代替陶瓷球作為蓄熱體，縮短換向時(shí)間至25秒50秒，采用爐內(nèi)煙氣再循環(huán)或兩段燃燒方式，降低燃燒空間中氧氣的濃度，創(chuàng)造低氧條件，

19、以降低煙氣中NOx的含量，高溫空氣燃燒技術(shù)也被稱(chēng)為“第二代蓄熱式燃燒技術(shù)”。與第一代蓄熱式燃燒技術(shù)相比，HTAC技術(shù)可最大限度地回收高溫?zé)煔獾臒崃浚錈煔獾挠酂峄厥章蔬_(dá)到85%以上，熱效率大大提高。同時(shí)通過(guò)將燃燒區(qū)的空氣中氧含量由21%降到2%4%,避免了高溫空氣燃燒中NOx的大量生成。交替換向時(shí)間的縮短使?fàn)t內(nèi)溫度分布更加均勻，提高了產(chǎn)品的加熱質(zhì)量。陶瓷蜂窩體比陶瓷球有更大的單位體積換熱面積、更有效流通截面積，使得蓄熱式燃燒器體積大大縮小，便于安裝應(yīng)用。1.2.2 蓄熱式均熱爐工作原理蓄熱式燃燒器是一對(duì)帶蓄熱體的燒嘴（蓄熱體可與燒嘴布置為一體，也可置于蓄熱室內(nèi)與燒嘴分開(kāi)），該燒嘴在自動(dòng)換向系統(tǒng)

20、的控制下，可實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)定溫?fù)Q向工作。燒嘴必須成對(duì)出現(xiàn)，并排安裝在爐窯上。工作時(shí)，一個(gè)燒嘴燃燒，另一個(gè)燒嘴充當(dāng)煙氣的回收裝置，其工作原理如圖1.2。如圖中模式a，現(xiàn)在是A側(cè)鼓風(fēng)進(jìn)空氣，B側(cè)引風(fēng)排煙的工作狀態(tài)。爐膛內(nèi)熱煙氣由引風(fēng)機(jī)抽出，通過(guò)B側(cè)蓄熱體時(shí)將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱體內(nèi)，然后以低于150的低溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)換向閥由排煙管道排出；同時(shí)，來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的常溫助燃空氣由換向閥進(jìn)入A側(cè)通道，通過(guò)蓄熱體時(shí)迅速被加熱，在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到接近爐膛溫度（一般為爐膛溫度的80%90%）；煤氣由通斷閥向稀薄高溫空氣附近注入，在貧氧狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒。當(dāng)B側(cè)的蓄熱體儲(chǔ)存一定熱量后，通過(guò)程序控制換向閥自動(dòng)換向變?yōu)槟Ｊ絙，常溫助燃空

21、氣變?yōu)橛葿側(cè)通道經(jīng)蓄熱體進(jìn)入，熱煙氣從A側(cè)通道排出，如此循環(huán)，兩個(gè)蓄熱體自動(dòng)進(jìn)行蓄熱與放熱狀態(tài)的切換，從而達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。(a) 模式a(b) 模式b圖1.2 高溫低氧空氣燃燒的工作原理1.3 國(guó)內(nèi)外對(duì)加熱爐控制研究現(xiàn)狀加熱爐自動(dòng)控制主要集中在常規(guī)燃燒控制上，其直接的目標(biāo)是獲得較為穩(wěn)定的爐子工況及追求最佳燃燒，其基本任務(wù)是：提高加熱爐各段爐溫的控制精度，獲得滿(mǎn)足開(kāi)軋所要求的鋼壞溫度，同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)地燃燒和安全地運(yùn)行。1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上，在70年代以前，關(guān)于加熱爐自動(dòng)控制的研究工作主要集中在燃燒過(guò)程控制上。如加熱爐各主要過(guò)程變量的定值控制，爐溫與燃料流量的串級(jí)控制，燃料與助燃空氣

22、的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等，也就是處在控制過(guò)程基礎(chǔ)自動(dòng)化控制層次上。70年代以后，國(guó)際上對(duì)加熱爐的最優(yōu)控制進(jìn)行了廣泛的研究，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加熱爐的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，控制研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到以追求某種性能指標(biāo)的優(yōu)化控制方面，爐內(nèi)加熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型被廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制上。歐美、日本、俄羅斯等國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了鋼坯位置跟蹤、鋼坯溫度跟蹤、裝出爐自動(dòng)化控制、終軋溫度控制等功能的優(yōu)化控制系統(tǒng)。近年來(lái)，一些帶有整個(gè)生產(chǎn)物料跟蹤的高度自動(dòng)化的連續(xù)加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和實(shí)踐也逐漸深入和提高，標(biāo)志著加熱爐的控制己經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)控制的第三層次水平。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 與工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家

23、相比，我國(guó)國(guó)內(nèi)的加熱爐計(jì)算機(jī)控制起步較晚，從80年代初才開(kāi)始這方面的研究工作，并且發(fā)展并不平衡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)擁有的加熱爐中，很多 表1.1 加熱爐控制在國(guó)外應(yīng)用的現(xiàn)狀國(guó)家及廠名所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀美 國(guó)Dofasco公司1級(jí)：PLC 控制器Honeywell TDC 230002級(jí)：DEC VAX 8350空燃比控制、爐溫控制、坯料跟蹤、鋼溫預(yù)報(bào)、爐溫設(shè)定值調(diào)節(jié)、待軋策略、加熱爐步進(jìn)速率控制、設(shè)備診斷、加熱爐各區(qū)段熱量平衡、系統(tǒng)報(bào)警、記錄和報(bào)告新西蘭Hoogovens公司PDP 11-40 計(jì)算機(jī)采用熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行鋼溫預(yù)報(bào)、爐溫優(yōu)化控制、空燃比控制、推鋼速率控制、直接燃料控制美國(guó)Yamat

24、ake Honeywell公司TDC 3000 BASIC系統(tǒng)步進(jìn)輻射式加熱爐全自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)，具有過(guò)程控制、作業(yè)順序管理、鋼坯跟蹤及生產(chǎn)管理功能美國(guó)Conshohochen廠DEC MICRO VAXII空燃比控制、爐壓控制、空氣壓力控制、熱風(fēng)放散控制、坯料跟蹤、設(shè)定值選擇、生產(chǎn)調(diào)度模型、加熱爐溫度模型的鋼鐵企業(yè)中的加熱爐還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，存在著大量的人工操作。有些企業(yè)配有較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，但只是用計(jì)算機(jī)代替常規(guī)的儀表，做一些簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)的功能并沒(méi)有充分的利用，控制效果并不理想；另外一個(gè)普遍存在的問(wèn)題是由于受到一些干擾因素的影響，控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。 蓄熱式加熱爐是近幾年來(lái)發(fā)

25、展起來(lái)的一種新型的加熱爐，中國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始有國(guó)外譯文介紹。80年代中后期國(guó)內(nèi)熱工界也開(kāi)始研究新型蓄熱式技術(shù)，建立了專(zhuān)門(mén)的陶瓷球蓄熱式實(shí)驗(yàn)裝置。東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、機(jī)械部第五設(shè)計(jì)研究院、冶金部鞍山熱能研究院等對(duì)此技術(shù)都有研究，但是工業(yè)應(yīng)用很少。1998年9月萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司首次和大連北島能源技術(shù)有限公司合作采用蓄熱式燃燒技術(shù)進(jìn)行軋鋼連續(xù)式加熱爐燃燒的開(kāi)發(fā)研究，并率先在萍鋼棒材公司軋鋼加熱爐上應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了蓄熱式技術(shù)在連續(xù)式軋鋼加熱爐上的應(yīng)用。此爐作為國(guó)內(nèi)第一座蓄熱式軋鋼加熱爐，盡管在許多方面還不盡人意，但為國(guó)內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)在冶金行業(yè)連續(xù)式加熱爐的應(yīng)用上開(kāi)辟了先河；此后

26、，國(guó)內(nèi)有多家公司開(kāi)展蓄熱式燃燒技術(shù)的研究并在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，蓄熱式燃燒技術(shù)逐漸成熟?，F(xiàn)有的加熱爐中，大多數(shù)蓄熱式加熱爐都采取集中換向或分段集中換向，這種換向方式的缺點(diǎn)是造成燃料流量和空氣流量的很大波動(dòng)，由于這個(gè)原因，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)的蓄熱式加熱爐能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。表1.2 加熱爐控制在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的現(xiàn)狀 廠名所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀首鋼初軋廠TK280爐溫、爐壓、空氣流量、煤氣流量控制太鋼初軋廠TI565 機(jī)煤氣、空氣流量以及爐壓的PID 控制、自尋優(yōu)及專(zhuān)家控制算法、溫度檢測(cè)及越限報(bào)警大鋼初軋分廠M6809油風(fēng)自動(dòng)配比、殘氧閉環(huán)控制、爐溫爐壓控制馬鋼初軋廠TMC280殘氧閉環(huán)控制、按加熱曲線燒鋼 表

27、1.1和表1.2分別介紹了國(guó)內(nèi)、外加熱爐自動(dòng)控制應(yīng)用的現(xiàn)狀。提高蓄熱式加熱爐的整體控制水平不應(yīng)該僅僅著眼于工藝的改造、更新以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的先進(jìn)性，更該充分重視從加熱爐生產(chǎn)過(guò)程的具體實(shí)際出發(fā)，采用合理的控制策略和先進(jìn)的控制技術(shù)，設(shè)計(jì)能夠更好地適應(yīng)加熱爐復(fù)雜多變工況的控制系統(tǒng)，使加熱爐安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能的運(yùn)行。1.4 蓄熱式均熱爐控制的關(guān)鍵問(wèn)題蓄熱式均熱爐控制中有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： 1)對(duì)均熱爐的爐膛溫度控制，這是最重要的。對(duì)于不同材質(zhì)的鋼坯必須按照不同的升溫曲線進(jìn)行鋼坯的烘烤。因?yàn)槿绻麥囟冗^(guò)低，達(dá)不到軋制工藝的質(zhì)量要求;溫度過(guò)高則也會(huì)帶來(lái)一些不良的后果，如鋼過(guò)熱時(shí)鋼的品粒增大，使鋼的機(jī)械性能

28、下降，加工時(shí)容易產(chǎn)生裂紋等。2)對(duì)爐壓的控制，必須保證爐膛壓力為微正壓。如果壓力過(guò)高，則會(huì)在爐蓋縫隙處向外竄火，不僅浪費(fèi)能源，而且易燒壞爐蓋和沙封刀。如果壓力過(guò)低，則會(huì)在爐子縫隙處吸入大量的冷空氣，這必然降低爐溫，又使加熱時(shí)間延長(zhǎng)，浪費(fèi)了大量的能源。3)換向控制策略的選擇。蓄熱式燃燒技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在換向控制。換向控制策略則關(guān)系到均熱爐整體運(yùn)行效果，也關(guān)系到燃料的能耗，還有換向閥和蓄熱體的使用壽命。如何解決上述幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題影響到蓄熱式均熱爐控制系統(tǒng)控制效果的好壞。2可編程控制器的原理及應(yīng)用2.1 PLC的基本構(gòu)成可編程控制器(Programmable Logical Controller，簡(jiǎn)

29、稱(chēng)PLC)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC的種類(lèi)繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。它主要由中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出(I/O)接口，電源及外設(shè)接口與擴(kuò)展接口組成，如下圖2.1所示。圖2.1 PLC的基本構(gòu)成圖2.2 PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶(hù)按控制要求編制好并存于用戶(hù)存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描。如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序，直到程序結(jié)束，然后重新返回第一條

30、指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中， 集中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。輸入刷新過(guò)程。當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新?tīng)顟B(tài)，新?tīng)顟B(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新?tīng)顟B(tài)才被讀入。一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定。（1）CPU執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時(shí)間（3）指令條數(shù)由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。周而復(fù)始。2.3 西門(mén)子PLC和S7-300簡(jiǎn)介2.3.1 西門(mén)子PLC簡(jiǎn)介 德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公

31、司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國(guó)的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門(mén)子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列。（1）S7系列 S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品，是SIMATIC自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其中的S7-200是針對(duì)低性能要求的緊湊的微型PLC，其編程軟件為STEP 7-Micro/WIN。S7-300是針對(duì)中等性能要求的模塊式中小型PLC，最多可以擴(kuò)展32個(gè)模塊。S7-400是用于高性能要求的模塊式大型PLC，可以擴(kuò)展300多個(gè)模塊。S7-200/300/400可以接入MPI（多點(diǎn)接口）、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)等通信

32、網(wǎng)絡(luò)。S7-200/300/400、M7、C7和WinAC均用STEP7編程和組態(tài)。（2）M7系列 SIMATIC M7-300/400 PLC采用與S7-300/400形同的結(jié)構(gòu)，其顯著特點(diǎn)是具有AT兼容計(jì)算機(jī)的功能，可以用C、C+或CFC（連續(xù)功能圖）這類(lèi)高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編程。M7適合于需要處理的數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)管理、顯示和實(shí)時(shí)性有較高要求的系統(tǒng)使用。（3）C7系列 SIMATIC C7由緊湊型CPU S7-31xC、OP（操作員面板）、I/O、通信和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，具有很高的性能價(jià)格比。C7-635和C7-636最多可以擴(kuò)展3個(gè)S7-300的機(jī)架，集成的DP接口可以作DP主

33、站或DP從站。C7用WinCC flexible組態(tài)過(guò)程顯示、信息文本和配方等操作員面板的功能。（4）WinAC WinAC在PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）上實(shí)現(xiàn)了PLC的功能，突破了傳統(tǒng)PLC開(kāi)放性差、硬件昂貴、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、升級(jí)困難等束縛。可以實(shí)現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)處理、通信、人機(jī)界面等功能。 WinAC基本型用于常規(guī)PLC控制系統(tǒng)且有大量數(shù)據(jù)處理要求的場(chǎng)合。WinAC實(shí)時(shí)型用于實(shí)時(shí)性、確定性要求非常高的控制場(chǎng)合，例如運(yùn)動(dòng)控制和快速控制等。WinAC插槽型具有硬件PLC的所有特性，適用于實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性要求均較高的場(chǎng)合。WinAC具有良好的開(kāi)放性和靈活性，可以方便地集成第三方的軟件和硬件，例如運(yùn)動(dòng)控制卡、

34、快速 I/O卡或控制算法等。2.3.2 S7-300簡(jiǎn)介 S7-300是模塊化的中小型PLC ，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能滿(mǎn)足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修是更換模塊也方便。 CPU模塊通信接口輸入模塊輸入模塊電源模塊接口模塊其他設(shè)備其他PLC計(jì)算機(jī) 按鈕 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)選擇開(kāi)關(guān) 接觸器限位開(kāi)關(guān) 電磁閥通信網(wǎng)絡(luò) 指示燈 圖2.2 PLC控制系統(tǒng)示意圖 S7-300 采用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的PLC 技術(shù) ，易于操作、編程、維護(hù)和服務(wù) ，特別適用于汽車(chē)工業(yè)、環(huán)境技術(shù)、采礦、化工廠、生產(chǎn)技術(shù)以及食品加工等領(lǐng)域 。S7-300系列優(yōu)點(diǎn)在

35、以下幾個(gè)方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊(SM)、功能模塊(FM)、接口模塊(IM)、通信處理器(CP)、電源模塊（PS）和編程設(shè)備組成(見(jiàn)圖2.2)。3 控制方案制定3.1 壓力控制系統(tǒng)方案確立 爐壓是造成工業(yè)爐燃料浪費(fèi)的主要因素之一，爐內(nèi)負(fù)壓使得冷的環(huán)境空氣通過(guò)爐蓋縫隙以及其它開(kāi)口進(jìn)入爐內(nèi)。這些漏入的冷空氣必須被加熱到爐溫以后，然后方能排出，這樣會(huì)造成燃燒系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費(fèi)大量燃料。另外，如果爐膛內(nèi)的爐壓太高，爐膛的高壓將使?fàn)t蓋縫隙處往外噴

36、火，同時(shí)會(huì)噴沙并產(chǎn)成大量的黑煙，會(huì)浪費(fèi)大量的燃料，并污染環(huán)境，對(duì)安全生產(chǎn)無(wú)益。所以，為保證安全生產(chǎn)和節(jié)能燃燒，我們有必要對(duì)爐壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以確保爐膛內(nèi)壓力的微正壓。在均熱爐升溫階段，由于換向控制并保證爐膛升溫速度，所以爐膛壓力波動(dòng)較大。對(duì)于實(shí)際工況來(lái)說(shuō)，爐膛壓力在20Pa-50Pa之間都可以認(rèn)為正常，即設(shè)定值為一個(gè)范圍段。 在保溫階段，因?yàn)橹恍枰S持爐膛溫度不變，所以煤氣空氣流量相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)爐膛的壓力波動(dòng)也比較小，所以設(shè)定值定為20Pa-30Pa之間。 因?yàn)闋t溫和爐膛壓力存在一定的耦合關(guān)系，所以對(duì)爐膛壓力的調(diào)節(jié)要考慮到對(duì)爐溫的影響。當(dāng)增加煙道閥門(mén)開(kāi)度的時(shí)候，可以減小爐膛壓力，但同時(shí)又降低爐膛

37、溫度；當(dāng)減少煙道閥門(mén)開(kāi)度的時(shí)候，可以增加爐膛壓力，但同時(shí)又增加爐膛溫度。所以采用下述圖3.1 爐壓控制程序框圖方法，減少爐膛溫度和爐膛壓力之間的影響。 爐膛壓力高、爐膛溫度高：此采樣周期對(duì)壓力不調(diào)節(jié)，等到下一個(gè)采樣周期；爐膛壓力高、爐膛溫度低：偏差值增加5Pa，按此增大煙道閥門(mén)開(kāi)度，同時(shí)對(duì)爐膛溫度調(diào)節(jié)增加一個(gè)等級(jí)，即把爐膛溫度偏差增加5； 爐膛壓力低、爐膛溫度高：偏差值減少5Pa，按此減小煙道閥門(mén)開(kāi)度，同時(shí)對(duì)爐膛溫度調(diào)節(jié)減低一個(gè)等級(jí)，即把爐膛溫度偏差減小5；爐膛壓力低、爐膛溫度低：此采樣周期不進(jìn)行調(diào)節(jié)，等待下一個(gè)周期。采樣周期設(shè)為1分鐘，爐膛壓力上限值為100Pa，當(dāng)超過(guò)此上限值時(shí)，立即調(diào)節(jié)爐

38、膛壓力，調(diào)節(jié)爐膛壓力后，然后再調(diào)節(jié)爐膛溫度。爐膛壓力采用PID調(diào)節(jié)。壓力控制程序框圖如圖3.1。3.2 換向控制系統(tǒng)方案確立3.2.1 換向系統(tǒng)概述換向控制系統(tǒng)是蓄熱式控制系統(tǒng)最重要的組成部分。蓄熱式均熱爐共有4套蓄熱式燒嘴，每套燒嘴由一個(gè)兩位三通換向閥、一個(gè)煤氣快切閥、兩個(gè)煤氣燒嘴和一個(gè)空氣燒嘴組成。根據(jù)換向閥的位置和快切閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每個(gè)燒嘴都有燃燒和排煙兩種狀態(tài)。如圖3.2所示，當(dāng)左邊的兩位三通閥在位置一（即通空氣）時(shí)，左邊的煤氣快切閥開(kāi)通，此時(shí)左邊燒嘴處于燃燒狀態(tài)。同時(shí)，右邊的兩位三通閥在位置二（即排煙氣），右邊的快切閥關(guān)閉，右邊的燒嘴處于排煙狀態(tài)，右邊的空氣燒嘴蓄熱室蓄熱。換向后通過(guò)

39、蓄熱圖3.2 燒嘴換向示意圖室把熱煙氣的熱量傳遞給冷空氣，大大降低了加熱爐的高溫?zé)煔鈳ё叩哪遣糠譄釗p失。為了不使燒嘴換向時(shí)給流量帶來(lái)太大的波動(dòng)，以致給爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)和爐膛壓力帶來(lái)很大影響，此蓄熱式均熱爐在設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有采用集中換向控制策略，而是采用分散式換向的控制策略，即每個(gè)換向單元內(nèi)的換向裝置輪流地?fù)Q向；并采用預(yù)估換向控制，有效避免了因排煙溫度過(guò)高而燒壞換向閥和蓄熱體的情況。3.2.2 換向控制功能 換向閥換向周期設(shè)為20s-70s，換向控制系統(tǒng)與煙氣排煙溫度控制聯(lián)鎖，具有定時(shí)換向、定溫?fù)Q向和手動(dòng)強(qiáng)制換向功能。正常情況下，根據(jù)設(shè)定的換向周期采用定時(shí)換向控制方式，如果煙氣排煙溫度超高，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入

40、定溫?fù)Q向。換向系統(tǒng)功能如下： 三種換向方式結(jié)合：定時(shí)自動(dòng)換向、定溫自動(dòng)換向、手動(dòng)強(qiáng)制換向。正常情況下，采用定時(shí)自動(dòng)換向，如果煙氣排煙溫度超高，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入定溫?fù)Q向，在特殊情況下（如調(diào)試），可以手動(dòng)強(qiáng)制換向。 任意設(shè)定參數(shù)：定時(shí)換向周期、定溫?fù)Q向的溫度值、最小允許換向時(shí)間等參數(shù)可任意設(shè)定。換向系統(tǒng)報(bào)警：如果閥位不到位，進(jìn)行聲光報(bào)警，系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果排煙溫度超溫報(bào)警，換向系統(tǒng)強(qiáng)制自動(dòng)換向，并和溫度控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，自動(dòng)調(diào)節(jié)使排煙溫度降低。3.2.3 換向裝置空轉(zhuǎn)狀態(tài)有兩種情況下可以將一套換向裝置置于空轉(zhuǎn)狀態(tài)：故障狀態(tài)；2)換向裝置需置成空閑狀態(tài)。換向系統(tǒng)空轉(zhuǎn)的流程如下圖3.3所示。 1)當(dāng)其中的一套換

41、向裝置的快切閥有故障時(shí)（快切閥開(kāi)不到位故障、快切閥關(guān)不到位故障），不能讓蓄熱體一直排煙吸收熱量，溫度過(guò)高會(huì)影響蓄熱體和換向閥的壽命。為了保護(hù)蓄熱體和換向閥，該換向裝置設(shè)置成空轉(zhuǎn)狀態(tài)?？辙D(zhuǎn)時(shí)，換向裝置的兩個(gè)煤氣燒嘴都會(huì)被切斷，換向閥堅(jiān)持空轉(zhuǎn)換向。 2)當(dāng)均熱爐南北兩側(cè)溫差過(guò)高，要閑置一個(gè)燒嘴時(shí)，此時(shí)可將一個(gè)燒嘴置成空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即關(guān)閉該換向裝置的煤氣快切閥，同時(shí)為保護(hù)蓄熱體，換向閥堅(jiān)持換向。圖3.3 換向系統(tǒng)空轉(zhuǎn)流程圖3.3 本章小結(jié) 根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定了蓄熱式均熱爐控制系統(tǒng)的整體方案，對(duì)實(shí)際情況分析，確立采用何種控制算法和實(shí)現(xiàn)手段。根據(jù)分析可知，方案制定合理，具有很強(qiáng)的可實(shí)施性。實(shí)踐

42、證明，本方案完全可行，并滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。4 蓄熱式均熱爐控制系統(tǒng)軟硬件配置蓄熱式均熱爐共有4套燒嘴，每套燒嘴均可單獨(dú)調(diào)節(jié)空煤氣流量，可靈活調(diào)節(jié)供熱量，又可調(diào)節(jié)南北溫差，這樣爐子的供熱能力可根據(jù)需要靈活調(diào)整南北墻各設(shè)一只熱電偶，檢測(cè)爐子南北溫差，為調(diào)節(jié)爐溫提供依據(jù)。煤氣和空氣管路設(shè)置流量、壓力檢測(cè)和手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，煤氣設(shè)有壓力報(bào)警。煙氣管路設(shè)有溫度檢測(cè)和流量調(diào)節(jié)。從每個(gè)燒嘴出來(lái)的煙氣都有相應(yīng)的支路，然后匯集到煙氣總管，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排出煙囪。4.1 控制系統(tǒng)硬件配置蓄熱式均熱爐采用兩極控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了爐溫、爐壓、排煙溫度、兌冷風(fēng)溫度等全過(guò)程自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)以Siemens S7-300的PLC及TP27

43、0-10觸摸屏作為均熱爐控制部分的核心硬件，采用Protool和Step7系統(tǒng)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在人機(jī)界面上集成了系統(tǒng)的全部操作，并對(duì)加熱爐的熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行控制。手操器可以在自控系統(tǒng)失靈時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠。每個(gè)模擬信號(hào)都配有手操器，可以手動(dòng)對(duì)流量、圖4.1 控制系統(tǒng)硬件配置閥門(mén)開(kāi)度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)手操器在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)只能進(jìn)行手動(dòng)控制，自動(dòng)系統(tǒng)起監(jiān)控作用；當(dāng)手操器處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自控系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)。PLC主要負(fù)責(zé)過(guò)程參數(shù)的采集，對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的處理并實(shí)現(xiàn)對(duì)象的控制，將采集到的數(shù)據(jù)送與觸摸屏顯示，同時(shí)亦接收來(lái)自上位用戶(hù)的操作指令。系統(tǒng)硬件配置如圖4.1。4.2 人機(jī)界面監(jiān)

44、控系統(tǒng) 人機(jī)接口界面（HMI）通過(guò)MPI通訊電纜與下位的PLC系統(tǒng)進(jìn)行可靠通訊，PLC系統(tǒng)聯(lián)合各級(jí)儀表和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備完成各系統(tǒng)的控制。 硬件采用Siemens的S7-300系列PLC模塊，PLC用step7軟件開(kāi)發(fā)，TP270觸摸屏用ProTool軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)接口界面，以直觀的動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)面、文字表格形式顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況，并接受操作人員的指令來(lái)控制運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作簡(jiǎn)單、直觀、方便。4.2.1 監(jiān)控軟件ProTool簡(jiǎn)介ProTool是用于整個(gè)SIMATIC HMI系列的改進(jìn)的組態(tài)軟件包。使用同樣的組態(tài)軟件來(lái)組態(tài)系列中的所有設(shè)備。無(wú)論為哪個(gè)設(shè)備創(chuàng)建項(xiàng)目，ProTool總是提供相同的用

45、戶(hù)界面。ProTool可用于Windows 95、Windows 98、Windows 2000和Windows NT的Windows應(yīng)用軟件。完整的圖形用戶(hù)界面允許用鼠標(biāo)鍵來(lái)創(chuàng)建面向?qū)ο蟮?、基于符?hào)的項(xiàng)目，不需要特殊的編程知識(shí)。ProTool功能豐富齊全。它提供了方便的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)與報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表存檔與打印、直觀的人機(jī)交互界面、系統(tǒng)參數(shù)修改等功能，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程和用戶(hù)之間建立起橋梁。用戶(hù)可以通過(guò)編輯動(dòng)態(tài)畫(huà)面跟蹤實(shí)際的生產(chǎn)流程；監(jiān)測(cè)、顯示實(shí)際過(guò)程中的重要過(guò)程參數(shù)，對(duì)參數(shù)的失控和現(xiàn)場(chǎng)的異常實(shí)時(shí)報(bào)警并且能夠按照不同的方式通知用戶(hù)，同時(shí)還提供了對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行歸檔、打印等功能；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

46、數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、歸檔，通過(guò)實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖或歷史趨勢(shì)圖的形式顯示給用戶(hù)；另外還可為不同用戶(hù)提供級(jí)別不同的注冊(cè)權(quán)限。畫(huà)面編輯 ProTool提供了功能強(qiáng)大的畫(huà)面編輯器。系統(tǒng)提供的畫(huà)圖工具及圖庫(kù)種類(lèi)非常豐富，包括基本的畫(huà)圖工具、ProTool內(nèi)建的樣本圖庫(kù)、常用工業(yè)對(duì)象圖形、Windows系統(tǒng)圖庫(kù)對(duì)象等。圖形可以編輯其動(dòng)態(tài)屬性，圖形組態(tài)操作與編程靈活方便，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫(kù)是ProTool信息的儲(chǔ)存中心，它保持著與外界信息的聯(lián)系，通過(guò)I/O接口可以插入MMC卡對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。根據(jù)實(shí)際過(guò)程參數(shù)的變化可實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，也同時(shí)將上位用戶(hù)操作指令傳給UO驅(qū)動(dòng)映射表，并發(fā)給控制設(shè)備。所有動(dòng)態(tài)畫(huà)面

47、的狀態(tài)都隨著數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容的變化而更新。報(bào)警處理 對(duì)控制設(shè)備的異常和過(guò)程參數(shù)的失控事件等，ProTool能很方便地給出報(bào)警，并在報(bào)警欄里給出詳細(xì)的報(bào)警信息，包括報(bào)警時(shí)間、報(bào)警信號(hào)、故障原因等等。經(jīng)確認(rèn)后，報(bào)警信息會(huì)自動(dòng)刪除。報(bào)表管理 用戶(hù)可以自由選擇一定的報(bào)表格式，按時(shí)間順序、事件觸發(fā)等實(shí)現(xiàn)信息操作、當(dāng)前數(shù)據(jù)歸檔、進(jìn)行報(bào)表輸出。既可輸出到打印機(jī)，也可輸出到報(bào)表文件。用戶(hù)管理在操作站上可以為項(xiàng)目建立多個(gè)權(quán)限等級(jí)不同的用戶(hù)執(zhí)行相應(yīng)權(quán)限內(nèi)的操作，便于系統(tǒng)的備份、監(jiān)控與管理。這樣每個(gè)用戶(hù)只允許進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作，防止由于非權(quán)限內(nèi)人員的誤操作而造成不必要的損失。4.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能 監(jiān)控系統(tǒng)提供

48、了操作簡(jiǎn)單、功能齊全的人機(jī)對(duì)話(huà)界面。熱式均熱爐工藝過(guò)程模擬界面，圖4.2。工藝流程模擬畫(huà)面是根據(jù)實(shí)際設(shè)備及管道設(shè)施的位置走向而制作的，通過(guò)畫(huà)面可以直觀地了解到當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在不同的工況和設(shè)備狀態(tài)下，畫(huà)面的顯示不同。以模擬圖的形式顯示加熱爐燃燒狀態(tài)及燃燒設(shè)備布置，主要監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備以及整個(gè)工藝流程的工作狀態(tài)包括各個(gè)換向裝置中的快切閥和換向閥的工作狀態(tài)以及一些重要的過(guò)程參數(shù)，如爐膛溫度、爐膛壓力、排煙溫度、氣源壓力、總管風(fēng)壓力和總管煤氣壓力等。圖4.2 工藝過(guò)程模擬畫(huà)面熱工參數(shù)曲線畫(huà)面 圖4.3 熱工參數(shù)曲線畫(huà)面在任何畫(huà)面上部點(diǎn)擊“趨勢(shì)曲線”按鈕，則會(huì)切換到熱工參數(shù)曲線畫(huà)面，如圖4.3。在這個(gè)

49、畫(huà)面中，同時(shí)顯示了所有的當(dāng)前系統(tǒng)的熱工參數(shù)。點(diǎn)擊參數(shù)右邊的“曲線”按鈕則會(huì)切換到相應(yīng)的參數(shù)曲線畫(huà)面，如圖4.4（以爐膛溫度為例）。圖4.4 參數(shù)曲線畫(huà)面4.3 下位PLC系統(tǒng) 蓄熱式均熱爐控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)級(jí)采用SIEMENS公司的S7-300系列的PLC產(chǎn)品作為下位控制級(jí)，它負(fù)責(zé)完成對(duì)過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理（濾波、流量累計(jì)等）及過(guò)程參數(shù)控制（爐溫、爐壓、排煙溫度等等控制算法的實(shí)現(xiàn)）、燒嘴換向控制等一系列功能，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。S7-300系列的PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用范圍廣，可提供性能卓越的、全系列兼容的自動(dòng)化控制器產(chǎn)品，為控制需求提供最恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。 S7-3

50、00系列的PLC產(chǎn)品的硬件、軟件都采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并提供了全方位的專(zhuān)用軟件包及子系統(tǒng)。其更新產(chǎn)品與原系統(tǒng)兼容，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上提供最新技術(shù)。S7-300系列的PLC系列產(chǎn)品的硬件具有以下性能： 使用基于高性能的CPU控制器，掃描速率極高，提高系統(tǒng)輸出速度。將運(yùn)動(dòng)功能、ASCII，通訊和過(guò)程控制等自動(dòng)化技術(shù)緊密地結(jié)合于一體。針對(duì)要求嚴(yán)格的應(yīng)用，可采用冗余的控制器、電源和I/O連接電纜，使系統(tǒng)可靠性最高。要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，輸出模塊的輸出點(diǎn)可預(yù)設(shè)“故障”狀態(tài)。絕緣電平高，惡劣電氣環(huán)境下的抗噪聲干擾性能好。高精度模擬I/O，適用于過(guò)程的緊密監(jiān)視與控制。可“帶電插拔”的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化維護(hù)，并增加系統(tǒng)的可靠性。中

51、斷處理和高速通斷電路相結(jié)合，使系統(tǒng)性能更高。下位PLC的應(yīng)用程序基本上都由梯形圖(LD)組成。S7-300系統(tǒng)從功能上分成兩大部分：控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、流量等控制和蓄熱式燒嘴的換向控制。這兩大部分的控制完全是獨(dú)立的，即他們倆互不干擾，同時(shí)S7-300系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制等。PLC控制程序總體程序流程如下所述： 初始化：包括各種工藝參數(shù)的初始化，對(duì)相關(guān)的內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器清零。 數(shù)據(jù)采集：該部分內(nèi)容包括各種模擬量信號(hào)濾波處理，煤氣流量累計(jì)、閥位偏差報(bào)警等等。 變量計(jì)算：根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)前的爐溫的設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的偏差、偏差變化大小等。 壓力控制：根據(jù)偏差采取相應(yīng)爐膛壓力控制策略，同時(shí)對(duì)空氣總管

52、、煤氣總管等壓力進(jìn)行監(jiān)控。 溫度控制：根據(jù)偏差采取響應(yīng)控制算法進(jìn)行溫度控制，包括爐溫控制、排煙溫度控制和兌冷風(fēng)溫度控制。 燒嘴的換向控制：每個(gè)燒嘴自成一個(gè)換向單元，自動(dòng)換向原則分定溫?fù)Q向和定時(shí)換向兩種。 報(bào)警：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的情況時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如有異常立即報(bào)警。4.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)的硬件配置、軟件功能及人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的功能，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、靈活。5 PLC控制系統(tǒng)5.1 PLC的編程語(yǔ)言5.1.1 PLC的編程方法可編程序控制器（PLC）編程簡(jiǎn)單，可靠性高，通用性好及控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在交通、機(jī)械、能源、石油和化工等行業(yè)中得到充分的應(yīng)用。編程語(yǔ)言是PLC的重要組成部

53、分，PLC為用戶(hù)提供了完整的編程語(yǔ)言，以適應(yīng)編制用戶(hù)程序的需要。PLC提供的編程語(yǔ)言通常有以下幾種：梯形圖（LD）、語(yǔ)句表（IL）、功能模塊（FBD）、順序功能圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）等。其中最常用的是梯形圖和SFC，過(guò)去一般的PLC都不提供ST編程語(yǔ)言。圖5.1 組態(tài)圖 梯形圖是PLC的一種主要編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)好梯形圖程序是用好PLC的關(guān)鍵。邏輯控制的梯形圖設(shè)計(jì)主要有時(shí)序圖法、邏輯法、經(jīng)驗(yàn)法和順序控制法。對(duì)復(fù)雜的工藝控制，更能顯示其優(yōu)越性。經(jīng)驗(yàn)法，這種方法沒(méi)有普遍的規(guī)律可循，對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要考慮的因素很多，分析起來(lái)非常困難，并且容易遺漏。順序控制法是依據(jù)控制工藝預(yù)先規(guī)定的順序，

54、在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)容狀態(tài)和時(shí)間的順序，控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有步驟地運(yùn)作。該方法邏輯明確、有規(guī)律可循，程序的閱讀和改進(jìn)也比較容易，可極大地提高程序的設(shè)計(jì)效率。PLC控制程序組態(tài)圖如圖5.1。5.2 人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng) 人機(jī)接口界面（HMI）通過(guò)MPI通訊電纜與下位的PLC系統(tǒng)進(jìn)行可靠通訊。TP270觸摸屏用ProTool軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)接口界面，以直觀的動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)面、文字表格形式顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況，并接受操作人員的指令來(lái)控制運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作簡(jiǎn)單、直觀、方便。系統(tǒng)通過(guò)MPI多點(diǎn)通信接口實(shí)現(xiàn)主站S7-300PLC和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。人機(jī)畫(huà)面顯示全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)和工藝

55、參數(shù)，并在畫(huà)面內(nèi)集成了全部設(shè)備的操作。畫(huà)面主要組成有：開(kāi)機(jī)起始畫(huà)面、主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、趨勢(shì)曲線畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面等。在主畫(huà)面上可以直觀了解點(diǎn)火和加熱過(guò)程中燒嘴的燃燒狀態(tài)及切除投入情況，換向閥的運(yùn)行情況，爐膛溫度、壓力等。5.2.1 爐膛溫度控制運(yùn)行結(jié)果及分析爐溫控制運(yùn)行結(jié)果如圖5.2。圖5.2中，藍(lán)色為根據(jù)工藝要求設(shè)定的爐膛升溫曲線，圖5.2 爐溫控制曲線粉色為實(shí)際爐膛升溫曲線。從曲線上可以看出，實(shí)際溫度控制效果良好，偏差基本都小于20，平均偏差在10，保溫階偏差可以小于3。在保溫階段遇到外界干擾（如操作工人掀開(kāi)爐蓋看鋼坯的烘烤程度），如圖中曲線后半段，可以自動(dòng)調(diào)整回復(fù)到設(shè)定值。由于當(dāng)溫差小于

56、5采用PI控制，可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從圖中可以看出基本做到無(wú)靜差。如果只采用模糊控制，偏差小于5則為零（ZE），系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大。如果只用模糊控制且想減小穩(wěn)態(tài)誤差，則需要對(duì)論域進(jìn)一步細(xì)化，則大大增加系統(tǒng)計(jì)算量。結(jié)論蓄熱式加熱爐是近年興起的一種新型節(jié)能加熱爐，它引入高溫空氣燃燒技術(shù)，大大降低了排煙中帶走的那部分熱量，節(jié)約了燃燒系統(tǒng)的能耗。采用蓄熱式加熱爐是冶金工業(yè)發(fā)展的方向。本文從工程實(shí)際出發(fā)，以某鋼廠蓄熱式均熱爐為研究對(duì)象，對(duì)爐溫控制作了詳盡的敘述。該系統(tǒng)已應(yīng)用近兩年，效果很好，受到客戶(hù)的好評(píng)?，F(xiàn)場(chǎng)反映控制簡(jiǎn)單靈活、自動(dòng)化程度高，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；而且節(jié)能率可達(dá)20%35%左右

57、。鋼坯表面氧化燒損平均降低0.6%。但是，由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)還有一些不足之處，如何消除爐溫和爐壓的耦合關(guān)系、系統(tǒng)的節(jié)能效果是否最優(yōu)等都沒(méi)有充分的考慮。雖然如此，總的控制方案還是可行的。隨著控制理論的不斷完善和發(fā)展以及與實(shí)際生產(chǎn)的不斷結(jié)合，蓄熱式加熱爐控制會(huì)取得越來(lái)越好的控制效果。致謝本設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師張慶思老師的悉心指導(dǎo)下完成的。整個(gè)階段學(xué)到了許多知識(shí)，同時(shí)也得到了老師的關(guān)心和幫助。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使學(xué)生受益匪淺；老師寬厚的為人，正直的品格，為學(xué)生樹(shù)立了學(xué)習(xí)的楷模。經(jīng)過(guò)半年的學(xué)習(xí)我對(duì)熱處理的相關(guān)知識(shí)進(jìn)一步得到了了解和深化。逐漸明白了如何把熱處理的

58、知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，達(dá)到了理論與實(shí)踐的合理完美結(jié)合。本設(shè)計(jì)引用了一些工廠、科研單位、學(xué)校的資料，在此謹(jǐn)向有關(guān)作者、編者、譯者表示深切的謝意。同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。最后感謝電信學(xué)院和我的母校四年來(lái)對(duì)我的大力栽培。參考文獻(xiàn)1 苑中顯中國(guó)能源狀況與發(fā)展對(duì)策J中國(guó)冶金，2005，15 (5)： 7-102 朱長(zhǎng)華蓄熱式加熱爐燃燒技術(shù)J湖南冶金，No 62001：8-113 趙家駿初軋機(jī)自動(dòng)化與最佳化M上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19824 蔡喬方加熱爐M北京:冶金工業(yè)出版社，19965 孫全應(yīng)蓄熱式燃燒技術(shù)在工業(yè)爐上的合理應(yīng)用閉工業(yè)爐，2005，

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