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1、加热炉PLC控制系统加热炉控制系统设计与集成摘要本项目采用PLC对加热炉系统进行控制。据了解，在轧钢工序能耗中，加热炉能耗占60%70%。提高加热炉燃烧控制水平不仅可以通过节能产生巨大的经济效益、减少环境污染；而且可以推动我国冶金行业自动控制水平的发展。因此，如何优化加热炉燃烧控制受到广泛的研究和重视。本设计以加热炉达到充分燃烧，提高热效率为目的。通过实施加热炉在线燃烧控制来保证空燃比的精度，进而实现煤气降耗和提高成材率。本设计介绍了加热炉工艺知识，围绕加热炉控制系统设计、I/O组态、存储器的组态等问题展开。包括加热炉检测技术、TI505可编程序控制器的技术参数、组态技术、人机接口技术规格与特
2、性等。本系统操作简单方便，生产过程精确化、智能化。关键词加热炉；PLC；组态；检测AbstractThis project uses PLC to control the heating furnace system. It is reported that the energy consumption of heating furnaces accounts for 60%-70% in the process of rolling production. Improving the combustion control of heating furnaces can not only pr
3、oduce enormous economic benefits and reduce environmental pollution by energy saving, but also promote the development of metallurgical automation in our country. Therefore, it has been given extensive research and attention to optimize the control of the combustion process of heating furnaces.It ai
4、ms at making the heating furnace combusting fully and improving the thermal efficiency. It implements the control combustion of the heating furnace on line to guarantee the ratio of gas-air; therefore, it realizes the reduction of gas consumption and the increasing of product rate.The design introdu
5、ces the production knowledge of the heating furnace, the control system of heating furnace, the I/O configuration, the configuration of the memory, etc Such as detection technique of the heating furnace, TI505 technical parameter, configuration technique, man-machine interface technical specificatio
6、n and characteristic of the controller, etc The system operation is simple and facile with the intelligent and accuracy production process. Keywords Heating furnace；PLC；Configuration；Detection目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 加热炉11.1.1 加热炉控制系统31.2 可编程逻辑控制器PLC31.3 加热炉41.3.1 加热炉的分类41.3.2 对加热炉的要求5第2章 加热炉工艺知识62
7、.1 加热炉工艺62.2 加热炉燃料7第3章 系统器件的选择83.1 可编程序控制器的选择83.1.1 机型的选择83.1.2 组态技术83.1.3 输入/输出模块的选择93.1.4 SIMATIC TI505103.2 仪器介绍113.3 人机界面13第4章 加热炉控制系统设计与集成144.1 控制系统构成144.1.1 系统构成144.1.2 压力检测164.1.3 温度检测164.1.4 流量检测174.2 控制系统流程图184.3 SIEMENS SIMATIC 505系列PLC/PCS的I/O组态194.4 SIEMENS SIMATIC 505系列PLC/PCS的存储器组态20结论
8、23致谢24参考文献25附录A26附录B32第1章 绪论1.1 加热炉在轧钢企业中，加热炉通过实施在线燃烧控制保证空燃比的精度，达到充分燃烧提高热效率的目的，进而实现煤气降耗减少氧化烧损和轧废提高成材率的目标。由于近年来轧钢企业飞速发展，尤其我国加入世界贸易组织以后，我国的钢铁事业已在世界范围内占有一席之地，所以为了生产出高质量，低成本，耗能少的钢种，同时在生产过程中尽量减少对环境的污染，现代轧钢企业对加热炉提出了更高的要求。1、生产效率高 在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产效率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用
9、。一般用单位生产率即炉底强度Kg/(mh)的高低来评价一座炉子工作的优劣。例如推钢式连续加热炉的炉底强度为600800kg/(mh),步进式加热炉为700900kg/（m）h,先进的连续加热炉可达1000kg/(mh)。2、加热质量好 金属的轧制质量与金属加热质量有密切的关系。加热时物料出炉温度应符合工艺要求。断面上温度分布均匀，金属烧损率低，防止过烧和表面的脱碳现象。3、燃料消耗低 轧钢厂能量消耗的10%15%用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作，如每公斤钢消耗的燃料量(公斤)或热量(KJ)。4、炉子寿命长 由于高温作用和机械磨损，炉子
10、不可能避免会有磨损，必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。5、劳动条件少 要求炉子的机械及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。以上五个方面是对加热炉总的要求，在对待具体炉子时，应辨证地看待各项指标之间的关系。如提高生产率、提高加热质量和降低燃料消耗量一般是统一的，但有时则有主次，例如一些加热炉过去强调较高的生产率，但随着能源问题的突出，则更多是的是着眼于节能，而适当降低炉子热负荷和生产率1。另外在对整个加热炉控制系统的设计中，为了达到更好的生产和节能效果，我们业对传统设计方案进行了改进，以下做简单介绍。加热炉自动控制主要是采用合理的控制策略，例如，在燃烧控
11、制系统中，尽量使炉内燃烧充分，以至钢坯加热到目标值。早期常规仪表进行燃烧控制主要采用串级比值控制系统，这种控制方案不能很好的解决最佳空燃比的问题，随着计算机技术的发展，燃烧控制技术进入了一个新的阶段。在燃烧过程中，为实现完全燃烧而又不造成过量的排烟损失，通常要形成一个低过剩空气系数的燃烧条件，这样可提高效率，并减少炉内有害气体成分（NOx，SOx），减少表面氧化，提高产品质量。以往采用的控制系统虽然能把温度控制并稳定在工艺要求的范围内，但当负荷突然变化时，该系统不能精确控制所需空气过剩系数在标准区域之间，因而达不到最佳燃烧的要求，节能效果差，容易造成环境污染；另外燃烧的安全性也低。为了解决这一
12、问题，系统采用了自身反馈双向限幅，这种方案能够保证在负荷波动或稳定时，燃料与空气能够合理的燃烧，炉内空气过剩率在最佳限制区域内变化，并且使系统响应速度加快。在机器硬件方面，小型厂一车间共有二个炉子，每个炉子有上加热上均热和下均热三个加热点，共需要温流串级调节回路6个，单调节回路18个，还包括炉子过程量检测（包括一些开关量）大约80多个点。此外系统本身需要一定规模的画面组态前台调度，即人机界面的形成。根据这些情况，本系统采用了SIEMENS SIMATIC TI公司的TI560/565PLC系统。TI系统系列机器最大限度地兼顾了PLC开关量和DCS模拟量调节回路的处理能力，集两者长处为一身，故又
13、称为PCS系统（过程控制系统）,很适用目前大中小规模自动化过程控制的要求。主机编程语言用梯极逻辑图（560CPU板支持），模拟量处理引进了SF语言（CPU板支持回路，模拟报警，SF语言），其中SF语言以功能专一单位模块化的形式可被梯极图，回路和模拟报警以多种形式进行调用。在编程或程序运行时机器内部与用户或控制系统相关的系统变量和机器变量统统向用户开放，使用户在调试或编程组合自己的特殊算法时甚为方便，在编程时几乎可以做到即想即编即调的“随机”方式，无需花大精力统筹规划分割实施。操作界面单元CVU由386主机+19彩色CRT+宽行打印机+操作与组态键盘构成。CVU单元的软件平台也相当完善，编程完全
14、是组态形式。各种变量可以文本，色标，图形趋势曲线，棒状图等多种形式出现，每个画面的生成完全是铅笔橡皮式并备有大量标准符号库。键盘的接口也很灵活，通过操作键盘的组态用户可实现各种控制方式的转换，最大限度地方便用户操作，加之若干不同分级的口令系统向用户不同人员开放的度也把握的十分得体。另外主机定义的所有变量在CVU内部是“全程”的，无需重新定义，这在直接存取系统信息上相当方便。总之在这个组态软件基础上可在CVU实现各种不同的多画面多控制方式的功能组合。加热炉控制系统利用可编程调节器和计算机实现使生产过程变得非常方便，控制水平也明显提高，相信随着新的控制理论和方法的出现（人工智能的模糊控制、专家控制
15、等），加热炉的控制技术一定会更成熟和完善2。1.1.1 加热炉控制系统随着世界范围内经济竞争越演越烈，钢铁成本的降低已经与钢铁企业的生存休戚相关。在冶金行业中，能源消耗的一大用户就是加热炉。据有关文献介绍，在轧钢加工费用中能源消耗占65%70%，在整个轧钢工序能耗中，加热炉燃耗占60%70%。提高加热炉燃烧控制水平不仅可以通过节能产生巨大的经济效益，而且可以提高我国冶金行业的自动化控制水平。因此，如何优化加热炉燃烧控制受到广泛的研究和重视。轧钢企业加热炉通过实施在线燃烧控制可保证空燃比的精度，达到充分燃烧提高热效率的目的，进而实现煤气降耗减少氧化烧损和提高成材率等目标。众所周知，加热炉能耗大，
16、工作条件恶劣，管路上的燃料空气流量波动频繁。因此，它的燃烧控制过程是一个复杂的调节系统。用常规仪表组成的燃烧调节系统，往往需要大量仪表，性能也很难达到预期的要求，随着以面向过程控制为主的可编程逻辑控制器在工业生产过程控制中越来越广泛的应用，解决了仪表控制性能不高的问题。本设计就是采用PLC（可编程序逻辑控制器）对加热炉系统进行控制。采用PLC对现代工业生产过程系统进行控制不仅使生产过程更加精确化、智能化；同时提高了生产率。1.2 可编程逻辑控制器PLC1、PLC的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序
17、控制、定时、计数和算术运算等操作命令；并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一体，易于扩充其功能的原则而设计。2、PLC的特点(1)可靠性高、抗干扰能力强；(2)通用性强、使用方便；(3)采用模块化结构、系统组合灵活方便；(4)编程语言简单、易学，便于掌握；(5)系统设计周期短；(6)对生产工艺改变适应性强；(7)安装简单、调试方便、维护工作量小。3、PLC的应用PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简
18、单、通用灵活、维护方便等一系列的优点。因而，在电力、机械、冶金、能源、化工、交通等领域中有着广泛的应用。根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型：开关量控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。4、PLC的发展趋势随着PLC技术的推广和应用，PLC将进一步向以下几个方向发展：(1)系列化、模板化；(2)小型机功能强化；(3)中、大型机高速化、高功能、大容量；(4)低成本；(5)多功能。1.3 加热炉在轧钢厂的热轧生产中，必须将要轧制的钢坯或钢锭加热到一定的温度，使它具有一定的可塑性，才能进行轧制。即使采用冷轧工艺，也往往需要对钢材进行热处理。为了对
19、钢料加热和热处理，在轧钢厂采用了各种类型的加热炉3。1.3.1 加热炉的分类加热炉常用炉型有以下几类：1、二段式和三段式加热炉；2、多段式加热炉；3、步进式加热炉；4、环形加热炉；5、实底加热炉。1.3.2 对加热炉的要求1、生产率高在保证质量的前提下，钢料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低钢的烧损单位燃料消耗，节约维护费用。一般用单位生产率炉底强度的高低来评价一座炉子工作的优劣。2、加热质量好钢料的轧制质量与钢的加热质量有着密切的关系。加热时钢料出炉温度应符合工艺要求，断面上温度分布均匀，钢的烧损率低；防止过烧和表层的脱碳现象。3、燃料
20、消耗低轧钢厂能量消耗的10-15用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作，如公斤燃料/公斤钢、焦耳/公斤钢、千卡/公斤钢。连续加热炉的单位燃料消耗量为400-600千卡/公斤钢，最先进的可达330千卡/公斤钢；锻造状炉的单位燃料消耗量为600-900千卡/公斤钢；均热炉根据热装或者冷装的不同，单位燃料消耗量波动很大。4、炉子寿命长由于高温作用和机械磨损，炉子不可避免会有损坏，必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。5、劳动条件好要求炉子的机械化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。第2章 加热炉工艺知识加热
21、炉的生产过程主要是推钢机把上料台上的钢坯推入辊道,经电子秤称重后进入炉内,由步进底传送,并在传送过程中加热,然后送入炉辊道上,启动出炉辊道,把钢坯送入主轧线上。在此过程中钢坯的加热工艺是一个相当重要的环节，其工艺过程主要包括加热温度、加热时间、及加热速度的设定。通常加热温度越高，可塑性越好，变形抗力越低，对热加工有利。但钢的加热受许多因素的制约，并不是越高越好，应有一个最高极限温度。对于低合金钢加热温度借助Fe-Fe3c图相图制定，最高温度应比固相限低100-150 C，加热温度越高偏析的非金属夹杂物融化出现过烧，同时表面氧化脱碳严重。对于合金钢，合金元素影响相图中固相限的位置，因此，某些含扩
22、大奥氏体区元素如Ni、Co、Mn的钢，加热温度可以略高一些。而某些含缩小奥氏体区元素如W、Mo、Cr、V、Ti、Si的钢，加热温度略低些。含有较高熔点合金元素如W、Mo、Cr、V等的钢，生成特殊碳化物，难以溶解，加热温度应高一些。从生产率的角度出发，希望加热速度越快越好，时间短，氧化烧损也少。但加热速度受炉子供热条件，钢材本身允许的内外温差的限制。加热时间，即钢坯由室温入炉到心部达到出炉所需要的时间。以往加热时间都是根据经验确定，往往有很大偏差，目前多采用有限差分法利用计算机对钢在连续炉内的温度场变化进行计算。针对不同的钢种、不同的坯型进行加热时间、加热速度的计算，从而制定出合理的加热工艺曲线
23、4。2.1 加热炉工艺加热炉工艺主要包括确定加热温度、加热速度、加热时间、炉温制度、炉内气氛、生产率等等。为了制定正确的加热工艺，还应当了解与金属加热有关的金属热物理性能及力学性能，了解加热过程中缺陷产生的原因及防止的措施。钢在轧制和锻造之前的加热，是钢加工工艺过程中一个必要的环节。这里，我们就来明确一下加热的目的。1、提高钢的可塑性钢在冷的状态下可塑性很低，为了改善钢的热加工条件，必须提高钢的可塑性。一般说来，钢的热加工温度越高，钢的可塑性越好。例如，高碳钢在常温下的变形抗力约为6000公斤/厘米2，这样在轧制时就需要很大的轧制压力，消耗很大的能量。如果将它加热到1200，这时的变形抗力降低
24、到大约300公斤/厘米2，比常温下的变形抗力降低20倍。所以，钢的温度越低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且温度不足时还容易发生断辊事故。2、使钢锭或钢坯内外温度均匀由于钢锭内外的温度差，使金属内部产生应力，应力会造成轧材时的废品或缺陷。通过均匀使断面上温差缩小，避免出现危险的温度应力。3、改变金属的结晶组织钢加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗以及轧机寿命。正确的加热工艺可以提高钢的可塑性，降低热加工时的变形抗力，按时为轧机提供加热质量优良的钢锭或钢坯，保证轧机生产顺利进行。反之，如加热温度过高，会发生钢的过热、过烧，轧制时就要造成废品；又如钢的表面发生严重的氧化或脱碳
25、，也会影响钢的质量，甚至报废。目前有的轧机不能充分发挥作用，往往是因为加热工艺这一环节薄弱。因此，必须了解钢加热工艺的基本知识，能够制定正确的加热工艺制度，防止过程中可能出现的各种缺陷。2.2 加热炉燃料本设计中加热炉燃料采用气体燃料。气体燃料即各种煤气和天然气。在各种燃料中，气体燃料的燃烧最容易控制，燃烧效率也最高，是最受欢迎的一种燃料。因此，这里我们采用煤气作为燃料。任何一种煤气的燃烧，都要经历三个阶段：即煤气与空气的混合、混合气体的活化和混合气体的燃烧。所以，如何解决这三个问题也是加热炉工艺的一个重要环节。第3章 系统器件的选择加热炉燃烧控制系统是加热炉PLC控制系统的执行层，其主要包括
26、温度控制、空气流量控制、煤气流量控制、炉压控制，热风放散控制等几部分组成。系统要求其稳定准确快速的随动温度设定数模的设定值，以达到系统稳定运行，高效燃烧，节约能源，减少污染，实现炉温最佳控制，提高钢材质量的目的。根据这一要求我们对以往的双交叉双向限幅控制进行了改进，采用自身反馈双向限幅,它使系统的响应速度更快。其中涉及温流串级控制，调节器增益补偿，扰动补偿，解耦补偿，空燃比动态寻优,生产过程的安全报警与事故处理等几个部分5。3.1 可编程序控制器的选择3.1.1 机型的选择机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳的功能价格比。具体应考虑以下几方面：1、结构合
27、理；2、功能相当；3、机型统一；4、是否在线编程。3.1.2 组态技术1、组态技术组态控制技术是一种计算机控制技术，利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成。传感器的作用是对被控对象的各种参数进行检测。通过传感器，计算机能感知生产进行的情况；将参数在显示器上显示。并根据参数实际值与设定植的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。2、集散式控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)一台DDC(直接数字控制)计算机常用来控制几个到十几个回路。如果将更多的
28、参数集中到一台计算机进行监控，一旦计算机出现故障，系统的可靠性会大大降低。集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理。集散式控制系统的分级管理规模可大可小，可以只有两级（直接控制级和监督控制级或称下位机和上位机），也可以有多级。典型的三级结构为过程控制级、控制管理级、和生产管理级。3.1.3 输入/输出模块的选择PLC是一种工作控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产之间的联系是通过I/O接口模块来实现的。通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控制的信息。同时，由于控制
29、器通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或生产过程中的信号电平各种各样，因此各种机构所需的信息电平也是不同的。而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所有I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需要经过一定的距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，可以根据它们的特点进行选择使用。1、确定I/O点数根据控制系统的要求，确定所需要的I/O点数，再增加10-20的备用量，以便随时增加控制功能
30、。对于同一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平的不一样，I/O点数就有所不同。2、开关量输入/输出标准的开关量输入/输出接口可用于从传感器和开关及控制设备接收信号。典型的交流输入/输出信号为20240V，直流输入/输出信号为5240V。3、模拟量输入/输出模拟量I/O接口是用来感知传感器产生的信号的。这些接口用于测量流量、温度和压力的数值，并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为-10+10V，0+10V，420mA或1050mA。4、特殊功能在选择一台PLC时，用户可能会面临需要一些特殊类型的且不能用标准I/O实现的I/O限定情况。用户应当考虑供销厂商是否提供一些特殊的有助于最大
31、限度减小控制作用的模块。灵便模块和特殊接口模块，都应考虑使用。有的模块自身能够处理一部分现场数据，从而使CPU从处理耗时任务中解脱出来。5、智能式输入/输出当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的输入/输出模块。所谓智能式输入/输出模块，就是模块本身带有处理器，对输入或输出信号作预先规定的处理，将其处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度和节省存储器的容量。3.1.4 SIMATIC TI505西门子SIMATIC TI565系列PLC原属美国德州仪器（Texas Instrument）公司工业控制部，后为西门子公司收购，新型号为SIMATIC TI565，适用于较大的批处
32、理控制。还有适用于中规模的快速灵活的SIMATIC TI545系列PLC，与TI565组成SIMATIC TI505系列PLC。下面对TI505系列PLC做一下介绍。SIMATIC TI505 PLC有两种类型：1、传统的面向开关量控制的PLC，如TI525、TI535和TI565；2、面向过程控制的控制器，如TI545、TI555、TI565，TI525和TI535是适合于中小规模的开关和模拟量控制，TI560可用于处理大规模的开关量控制。本设计中根据实际要求选择TI565系列PLC。现在，将TI565性能介绍如下。1、西门子TI565系列PLC技术性能6系统内存/KB： 1024RAM1K
33、字执行时间： 1.3ms控制继电器/可保持控制继电器： 53248/4096计时、计数器： 20480数学运算功能： -，+，*，/，数字量输入/输出： 8192模拟量输入/输出： 8192智能输入/输出模块： 能连接或可能连接远程输入/输出距离/m： 1000或4000TISTAR过程控制监控系统： 能连接或可能连接联网： 能连接或可能连接/TI通道闭环回路控制： 能连接或可能连接中央处理单元类型PPX： 565TXKM/110Y总内存配置/KB： 1024梯形图程序内存配置/KB： 256计时器、计数器： 0480扩展远程底盘： 128可寻址I/O(数字/模拟)： 81921K执行时间：
34、1.3ms回路数： 64计算速度(回路/100ms)： 40模拟量报警： 128特殊功能程序： 10232、西门子TI505系列PLC输入/输出模块技术性能7模拟量输入/输出模块PPX 505-7012输入点数 8，差分、双极性输入范围 010V，050mA，020mA分辨率 输入15bit，输出12bit输出点数 4输出范围 010V，020mA输入之间隔离 AC1500V输出之间隔离 AC1500V更新时间 20ms/输入，24ms对所有输出电源 DC24V，仅对输出所占槽位 13.2 仪器介绍1、孔板孔板属于节流装置的一种。节流装置与差压变送器配套构成差压式流量计被广泛地应用于双相条件下
35、的液体、气体、蒸汽的流量测量、控制和调节。由于结构简单、制作方便、使用可靠、性能稳定、价格低廉等优点而成为流量仪器中应用最广泛、最成熟的一种。节流装置在流量检测过程中起到主要作用，其工作原理如下：在管道内部装有断面变化的孔板或喷嘴等节流件。当流体流经节流件时，由于流束收缩，在节流件的前后产生静压力差，利用压差与流速的关系可进一步测出流量。对于未经标定的节流装置，只要它与已经经过充分实验标定的节流装置几何相似，则在已知有关参数的条件下，可以认为节流件前后的静压力差与所流过流体的流量间有确定的数值关系。因此，可以通过压差来测流量8。2、流量变送器工业上习惯将过程参数（温度、压力、流量、物位、分析量
36、等）转换为标准电流信号的仪表称为变送器。变送器的输出信号用于指示、记录和控制。按被测参数分类，变送器主要分为差压变送器、温度变送器、流量变送器和成分变送器等。3、安全栅本设计中的安全栅为防爆安全栅。防爆安全栅分输入式安全栅和输出式安全栅两种。电动仪表中的变送器、执行器、电气转换器、安全栅属安全火花防爆仪表。安全栅安装在安全场所，作为控制室仪表和现场仪表的关联设备。一方面传输信号，另一方面把流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能。安全栅起隔离危险场所和安全场所的作用。4、伺服放大器伺服放大器由前置磁放大器、触发器、可控硅交流开关组成。磁放大器将输入信号
37、综合、比较、放大。输出的模拟值经过触发器转换为相应的脉冲信号去触发可控硅。5、手操器手操器是电动执行器的一部分。电动执行器将输入的电流420mA.DC信号转换为相应的输出轴角位移或直线位移。通常配有电动操作器以实现电动操作和手动操作的相互转换。当电动操纵器的切换开关切向手动时，可由操作器的正、反向操作按钮直接控制伺服电源，以实现执行机构的遥控操作。另外，在现场可以转动执行器的手柄，在需要的时候进行就地手动操作。6、A/D转换器A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件。它是PLC完成流量、温度，压力等参数采集和检测的输入接口。7、D/A转换器D/A转换器是将数字量转换成模拟量的器件。它是PLC对
38、外部实现控制的重要接口电路之一。按照转换的方式，可以分为串行D/A转换器和并行D/A转换器两种。本设计中采用并行D/A转换器。3.3 人机界面本设计中采用功能最强的CVU10000操作员接口。操作员可用它监控功能很强的SIMATIC TI565控制器，甚至能监控生产线上的多个控制器。CVU10000操作员接口是一个高性能彩色图形系统，用以监控单台或多台PLC。它特别适用于作为SIMATIC TI的辅助设备。在与IBM AT兼容的硬件平台上，CVU10000使用特定的通信处理器和功能很强的图形标准，以确保在重要的应用领域中有较快的响应时间。在CVU方式下，显示分辨率为640*480，信息显示比较
39、精确，减少了操作员出错的可能。操作界面是控制系统中一个不可缺少的环节，它应具有透明度高、实时性好和操作方便快捷等特点，同时它是系统的窗口，系统的外观形象广告效应都由它来表现，因此在系统中的地位尤显重要。本系统用网络集线器将三台工业控制机和两套PLC连接起来。正常工作时，两台用于操作员终端，一台用于CVU工作站。三台工业控制机均可对高温炉和低温炉PLC进行监控，并可共享网络打印机。当网络出现故障时，可用编程器直接对PLC进行监控。操作员终端用于输入生产数据，设定工艺参数，选择控制功能，操纵各个开关。同时，也将各种生产过程数据显示在屏幕上，如：温度、压力、流量及重要部件的运动状态等。在操作员终端上
40、，除显示外，还可保存各个模拟量的动态曲线，可将选择的特定曲线拷贝到网络打印机上。操作员终端上具有数据采集、数据管理及数据集成等功能，在计算机上能以图形方式形象、直观、快捷地对工业过程进行监视、监控、报警和控制。CVU工作站主要用于对PLC运行的监控和修改程序。当设备出现故障时，可在工程师工作站上观察每个输入、输出点的状况，便于查找故障。当某个操作员终端出现故障时，也可将CVU工作站代替操作员终端，操作员终端同样也可以代替CVU工作站，做到互为备用，这样提高了整体的可靠性9。第4章 加热炉控制系统设计与集成加热炉燃烧控制系统是加热炉PLC控制系统的执行层，其主要包括温度控制、空气流量控制、煤气流
41、量控制、炉压控制，热风放散控制等几部分组成。系统要求其稳定准确快速的随动温度设定数模的设定值，以达到系统稳定运行，高效燃烧，节约能源，减少污染，实现炉温最佳控制，提高钢材质量的目的。根据这一要求我们对以往的双交叉双向限幅控制进行了改进，采用自身反馈双向限幅,它使系统的响应速度更快。其中涉及温流串级控制，调节器增益补偿，扰动补偿，解耦补偿，空燃比动态寻优,生产过程的安全报警与事故处理等几个部分。热轧加热炉的燃烧过程空气过剩率控制在1.021.1，以达到最佳燃烧。但在仪表控制系统中，处理煤气与空气的关系，通常采用配比调节，由于煤气与空气调节回路的响应速度不一致，流量测量孔板也有误差，煤气热值又不稳
42、定，以及烧嘴特性等的变化，这种配比关系难以保证。特别是在燃烧负荷发生变化的情况下，无法保持最佳配比。由于燃烧控制是系统的执行层,它应快速准确地随动温度设定数模的设定值,同时还要保证动态时良好的空燃配比效果。根据这一要求，我们将传统的双交叉双向反馈限幅改为自身反馈双向限幅，大大优化了流量回路的动特性10。4.1 控制系统构成4.1.1 系统构成本控制系统主要由燃烧控制，炉温设定数模，人机界面三大部分组成。1、燃烧控制由温度流量串级并列自身反馈型来控制回路，炉压，热风等附属参数、空燃比动态寻优、生产过程的安全报警与事故处理等几个主要部分组成。由于燃烧控制是系统的执行层，它不仅要快速稳定准确地随动温
43、度数模的设定值，而且还要保证动态时有良好的空燃配比效果。根据这个要求，本系统采用温度流量串级自身反馈双向限幅控制。以温度环作为外环，空气流量环和煤气流量环作为内环来设计。用温度环调节器的输出分别作为空气流量环和煤气流量环的给定值与各环反馈值进行比较，再通过限幅器对空气流量环和煤气流量环进行限幅。炉压控制：当空气和煤气进入炉膛内部时，空气热风使煤气燃烧，炉内温度升高，使压力上升，此时用调节阀调节炉内压力，经煤气管道，气体通过引风机排入大气，炉内压力变小时，将阀门开度变小些；炉内压力变大时，将阀门开度变大些。这样，就实现了对炉压的控制。2、炉温设定数模主要是根据炉子热负荷的变化动态修正炉温的设定值
44、，使其满足生产节奏并达到节能的目的。它主要包含两种情况：一种是正常的工况下不同钢种不同规格的炉温设定；另一种是待轧工况下对上种工况的修正设定。炉温设定数模是在加热炉运行过程中根据当前热负荷的大小在线适时修订各点炉温设定值的一套计算方法，它对炉子节能及合理运行有着重要意义。本套数模设计由三部分组成，它们是：正常炉况下不同规格不同钢种的炉温设定值、考虑热偶位置偏离参数分散而设置的炉温设定偏置值、待轧炉况下不同钢种不同规格不同待轧时间炉温设定的修正值。其中待轧修正尤其重要，它包括时间待轧和自动待轧两部分。具体工艺流程见同组其他同学的设计。3、人机接口是控制系统与操作人员进行双向信息交流的窗口。多画面
45、多窗口多种形式的交流可使操作人员实时透视出系统中的大量信息，及时了解生产过程的情况变化，并根据这些变化输入指令，从而正确引导系统的运行。本设计采用CVU10000操作员接口来监控SIMATIC TI565控制器。控制系统组成如图4.1所示。其中，加热炉的三大要素：压力、温度、流量的检测和控制尤其重要，加热炉温度 压力 流量自动化仪表过程控制系统人机界面图4.1控制系统组成4.1.2 压力检测压力检测意义：首先，工业生产中许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化范围内进行，这就需要测量或控制压力，以保证工艺过程的正常进行。其次，压力测量或控制可以防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸。再有，通过测量压力或压差可以间接测量其它物理量，如：温度、流量等。压力是生产过程中的重要参数之一。炉膛压力是实现加热
