钒钛冶炼炉压力控制

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1、. . . . 摘 要在我国蓬勃发展的今天，工业自动化越来越受到人们的关注，为实现攀钢集团更有效的利用资源，现如今工业发展朝向自动化，多种控制方法的方向发展。锅炉控制的主要目的是调节锅炉出口的蒸汽压力、流量和温度，使其达到所希望的数值。同国外相比，我国处于快速发展阶段，小型PLC已批量生产;中型PLC已有产品;大型PLC已开始研制，而国外发展正步入新一代，产品更新速度快，且由于可编程序控制器具有可靠性高和应用的简便性的特点，广泛应用于食品、化工、金属、矿产、造纸，汽车等行业，以较快速度增长，且新行业也将广泛应用它。可编程控制器从技术动向上看，计算机技术的新研究成果会更多地应用于可编程控制器的设

2、计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。就整个发展趋势来看，大型的可编程控制器朝向高速度、多功能、网络化、适应DCS的递接式控制系统方向发展；小型可编程序控制器向小型化、增强功能、降低价格、模块化的“黑盒子”方向发展。就发展趋势方面的特点来看有以下几个方面：。关键词：加热炉炉膛，PLC，压力控制，组态42 / 49ABSTRACTToday, in Chinas booming industrial automation more and more get the attention of people, for the realization of the panga

3、ng group, more effective use of resources, nowadays industry to develop towards automation, a variety of control methods in the direction of development. The main purpose of boiler control is to regulate boiler, steam pressure, flow rate and temperature at the outlet to the numerical value of hope.

4、Compared with abroad, our country is in rapid development stage, small PLC has batch production; Medium-sized PLC existing products; Large PLC has started to develop, and development abroad is entering a new generation, product updates faster, and because the programmable controller has the characte

5、ristics of high reliability and ease of application, widely used in food, chemical, metals, mining, papermaking, automobile and other industries, growing at a rapid rate, and it will be widely used in the new industry.Programmable controller from the point of view of technology, computer technology

6、in the application of new research results will be more on the programmable controllers design and manufacturing, there will be a faster computing speed, storage capacity, larger, more intelligent species. In developing trend as a whole, large-scale programmable controller towards high speed, multi-

7、function, networked, adapting to the DCS meet type control system development direction; Small programmable controller to miniaturization, enhancements, lower prices, modular black box direction. The characteristics on the trend of development view has the following several aspects: Key wordsw heati

8、ng furnace hearth, PLC, pressure control, configuration 目 录摘要IABSTRACT1绪论11.1 加热炉概述11.2 加热炉自动控制现状与发展趋势12加热炉控制系统总体方案设计42.1 加热炉生产工艺流程42.2 加热炉控制系统总体方案42.2.1 炉温控制系统42.2.2 煤气和空气流量控制系统52.2.3 炉膛压力控制系统52.2.4 煤气总管、空气总管压力控制系统63加热炉压力控制系统的设计73.1 加热炉压力对生产的影响73.2 加热炉控制系统构成73.3 加热炉压力控制系统设计83.3.1 助燃空气压力控制系统83.3.2 煤

9、气压力控制93.3.3 炉膛压力控制93.3.4 压力检测元件的选择93.3.5 执行器的选择103.3.6 控制器的选择123.4 PLC选型143.4.1 S7-200简介143.4.2 S7-200的模块选择153.4.3 模拟量扩展模块EM235简介153.4.4 PLC的I/O口分配164加热炉压力控制系统的软件设计174.1 软件介绍174.2 主程序设计194.3 子程序设计204.3.1 A/D采样滤波子程序设计204.3.2 PID算法子程序214.4 炉膛压力控制系统设计224.5 煤气压力控制系统设计234.6 空气压力控制系统设计244.7 监控画面设计25第五章总结2

10、8参考文献29附录A 源程序29附录B 组态图41附录C 加热炉仪表图42致441 绪论1.1 加热炉概述加热炉是一种加热物料或工件的设备。加热炉按热源可分为感应加热炉、电阻加热炉、燃料加热炉、微波加热炉等。加热炉在实际生活中应用很广泛，其应用遍与机械、化工、冶金、石油、热处理、表面处理、材料、电子、建材、制药、轻工、日化等诸多领域。在冶金工业中，加热炉习惯上指把金属加热到可轧制成锻造温度的工业炉，包含有室式加热炉和连续加热炉等1。加热炉的温度、炉膛压力和空气压力等在工业控制中起着举足轻重的作用，直接关系着产品产量、能源和工作人员的人生安全等。根据炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和

11、均热段；进料端炉温比较低，所以为预热段，预热段作用在于利用炉气热量来提高炉子的热效率。加热段是加热炉的主要供热段，炉气温度和金属料温度差别较小，保证了出炉料坯的断面温度比较均匀。加热炉是轧钢工业必备的热处理设备。随着工业自动化技术水平地不断发展和提高，现代化的很多轧钢厂已经配置了大型化和高度自动化的加热炉，其生产能够符合低耗、优质、高产、节能、无公害和生产操作自动化的工艺要求，从而可以提高生产产品的质量，增强产品在市场中的竞争力。1.2 加热炉自动控制现状与发展趋势加热炉是轧钢厂生产工序中必备的重要热处理设备，也是生产工序中能耗最大的设备。改进加热炉的目的主要是在完成金属轧前加热的同时，尽量的

12、提高加热炉的各项生产指标，主要包括产品产量、加热质量和能耗等。结构一定的加热炉的操作参数是影响炉子生产指标的主要因素。加热炉计算机控制系统就是要实时地、准确地优化各个操作参数,从而构成合理的炉温热制度,使其获得最优化的生产指标，所以加热炉计算机控制系统的实质就是实现加热炉的科学合理操作。优化控制后的加热炉可以保证工艺和各项技术指标的先进性,并能够创造出可观的经济效益。（1）实现合理的燃烧控制同时能够节约能源,能够大幅度地降低燃料不完全燃烧的热损失和排烟损失。这种计算机控制与人工操作相比，化学不完全燃烧热损失由原来的5%15%降到1%以下；空气过剩系数由原来的1.31.6，到现在准确地控制在1.

13、11.3之间，从而使排烟热损失降低到12%18%，燃烧降低到4.8%11.2%。在加热炉中，金属加热后的最终温度通常为1000左右,为了使加热最终钢温不低于轧钢工艺要求规定的温度,需要将出炉钢温设定的尽可能高一些，自从实现以钢温为目的的计算机优化控制后，出炉钢温度偏差被控制在15。经过理论计算，表明加热最终钢温平均下降了50100，也使燃耗下降了4%8%。（2）降低了金属在炉的氧化烧损量，金属在炉子停留一定时间时,就会造成氧化烧损偏高，其主要原因是金属的表面温度过高和空气过剩系数过大。大量实验后，表明10号碳素钢表面温度由1200 降到1050 ，一样的加热时间，其氧化烧损为37.1%。此外

14、,加热炉计算机控制的实现,可提高产品的质量, 改善控制的精度,避免事故的发生，减少维修的次数,提高工作效率；减少环境污染，提高了其操作和管理的水平。在目前广泛地推广的以工序节能为目的的热送热装、连铸连轧、直接轧制和低温轧制等技术中,实现加热炉的计算机控制对保证上述工艺的实施起着十分重要的作用。国外的很多国家对加热炉计算机控制系统进行研究、推广，甚至广泛的应用都是在60年代计算机在工业领域出现之后。在70年代的中后期，国际上最为活跃的首指一个新的控制策略的出现，即加热炉数学模型的应用与不断的改善和优化。加热炉计算机的串级控制系统在80年代末期已经遍与众多的发达国家，且这些国家大多是工业国，此时，

15、它和整个企业或整个轧线的联网也得到了实现。我国对轧钢加热炉计算机控制的广泛应用是在80年代初。中国的科研工作者经过十几年的深入研究，得到了大量宝贵的研究结果，此时，对多座加热炉采用计算机控制不仅得到了实现，能源也相应地被节省，加热质量也相应的被提高，能源耗损率随之降低，且很多单炉的能源损耗指标也已居世界先列。和国外其他国家相比，尽管我国起步较晚，可我们的理论水平和国际先进水平差距始终保持在较小围2。因我国起步较晚，且发展不是很平衡，目前为止，700多座的加热炉中，用计算机控制的加热炉尚没有30座，而我国许多的钢铁企业对加热炉的控制依旧是由员工进行操作，且大多都是单炉控制，只有宝钢等几家使用计算

16、机控制和整个轧线计算机组合构成的系统进行控制。据在中国对加热炉进行计算机控制的运行结果的调查得知，此控制系统在我国取得的成果并没有想象中的那么好，尽管一部分企业有相对先进的计算机控制系统，但却只局限于用它代替一般的仪表和PID调节，它附带的许多完善的功能都没有得到应用，且控制效果与预期的设想相差甚大，效益相对也一般，实际运行中，计算机控制系统的控制结果不是很稳定。SCC级控制也存在于一般计算机控制系统中，但其缺点是不能在线使用，且两级控制系统在一些企业的在线运行难以实现，严重时会出现瘫痪状况。有许多方面的因素致使该控制系统长期稳定的运行得到限制，比如硬件因素（执行机构、外部仪表与炉子构造），还

17、有软件因素（管理水平、控制模型），以上因素中的任何一个因素出现，都将导致整个计算机控制系统难以正常的运行。2 加热炉控制系统总体方案设计2.1 加热炉生产工艺流程工艺过程如下：炉前辊道先将钢坯称重并定位，之后，若装载钢坯的条件满足后，装载材料的炉门将被打开，辊道上的钢坯经装料机传输到规定地点，装料又回到原有位置，随之，炉门将被关闭，而处理后的钢坯经过旋转炉的转动，被依次传送到出料门。若经处理后的钢坯满足一定的条件（即出钢条件）且被传输到出料门，卸料门将被打开，钢坯被取出，经出料辊道传送到轧线轧制，进而进行下一步的装料、加热与出料。2.2 加热炉控制系统总体方案根据加热炉的工艺要求，钢坯的加热温

18、度外要均匀，既不烧化，又不烧裂。为此，需设置如下主要检测与控制系统：炉温控制系统；煤气和空气流量控制系统；炉膛压力控制系统；煤气总管、空气总管压力控制系统。2.2.1 炉温控制系统钢坯在炉加热，倘若空燃比太高，钢坯表面氧化，增加了热量的损失，倘若空燃比太低，燃料燃烧不完全，导致气体流出，将造成燃料的浪费和环境的污染。因此，出于温度控制要求的考虑，这个过程不仅需要燃料和空气量成一定比例，当温度发生改变，增加和减少燃料和空气的量将按特定的顺序进行，从而确保其合理性和可控性。图2-1是炉温与煤气流量串级控制系统方框图，其中，主参数是炉温，副参数是煤气，控制参数是煤气流量；空气和煤气构成比值控制系统。

19、图2.1 炉温与流量串级控制系统方框图炉温度控制，以改变煤气和空气的流量来实现其控制。使用PID控制策略，根据温度控制器测量得到的温度，得以产生一个输出。以上输出又作为给定值，即空气和煤气控制器的给定值，从而实现空气和煤气流量的控制。温度控制器和空气流量控制器与煤气流量控制器中的任一控制器进行组合，形成串级控制系统，此串级控制系统中，将可以实现温度粗调的温度控制器作为其主控制器，而空气流量和煤气流量控制器构成平行的副控制器，进而实现精准的控制。2.2.2 煤气和空气流量控制系统图2-2显示了系统的串级和比值控制系统的组合，炉温度分别和空气、煤气流量形成的串级控制系统与空气和煤气的流量形成的比值

20、控制系统进行组合，要实现系统的串级和比值控制系统的组合中提到的功能主要是依靠高、低选择器，即HS和LS。若系统运行正常，系统呈现稳定状态，空气流量变送器的输出I2与煤气流量变送器的输出I1相等，而温度控制器的输出IT是等于的空气流量变送器的输出，即和燃料流量变送器的输出也相等。由上可知，就高、低选择器，HS和LS两端的输入信号，二者是平等的，此时这个系统就像非选择性的级联和比值控制二者组合的控制系统。由串级控制系统的要求决定了温度控制器应是反作用控制器，所以，随着系统炉的温度逐渐下降，温度控制器的输出就随之增大，此时低选器LS没有选择此项增大的信号，而是由高选器直接选中并对空气流量控制器的设定

21、命令进行了改变，增加了空气量。上述结果导致了空气的增加，它的变送器输出就增大，随之，空气流量变送器的输出也逐渐增加。但是，由于此刻空气流量变送器的输出小于温度控制器的输出，所以低选器选择了空气流量变送器，即I2，进而改变燃料控制器的设定值并命令进行提量。此过程中，以确保增加燃料为前提，增加空气量，使其完全燃烧。待此提量过程满足IT=I1=I2，该系统得以恢复正常状态。而后，低选器选中温度控制器，是因为随着系统的炉温增高，其输出减少。此时，发出降低燃料量这个命令的是温度控制器，它决定燃料流量控制器的设定量。因燃料量根据命令减少，所以高选器HS选中了变送器测得的信号，此信号就是空气流量控制器的设定

22、值，发出降低空气量的命令。待此降量过程满足IT=I1=I2，该系统恢复正常状态。通过以上操作即可满足提量时先提空气后燃料，降量时先将燃料后空气的要求4。2.2.3 炉膛压力控制系统单回路反馈控制系统又称为单回路控制系统。就所有的反馈控制系统而言，结构最简单、最基本的控制系统就是单回路反馈控制系统，又名简单控制系统。尽管单回路控制系统结构简单，但它仍可以解决许多控制问题。而在生产过程控制中，使用最广的一种生产过程控制系统就是单回路控制系统5。图2.2 单交叉限幅控制的检测流程图一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器，这四个基本部分构成了单回路控制系统。通过控制烟道百叶窗的开度间接的

23、控制炉膛压力大小，这样炉膛压力的控制就得到了解决。2.2.4 煤气总管、空气总管压力控制系统煤气配比不同，所给空气量不同，也会得到不同的燃烧效果。煤气和空气压力的控制也都是单回路控制系统。通过变送器所测的实际值与设定值比较，偏差信号经PID运算后送到煤气和空气的调节阀调整到适当位置，就完成了加热炉煤气、空气压力的控制。3 加热炉压力控制系统的设计3.1 加热炉压力对生产的影响出于确保燃烧空气和气体压力保持稳定燃烧并顺利进行的考虑，必须控制煤气压力和空气压力。炉膛压力选择过高、过低都是不恰当的，过高，炉门会发生喷火，并有可能会损坏炉体或设备；过低，炉可能会吸进冷空气，进而对加热炉的燃烧质量和效果

24、造成一定的影响6，并增加钢坯的氧化烧损，影响经济效益。3.2 加热炉控制系统构成加热炉控制系统采用分级控制的结构，其构成如图3.1所示。图3.1 加热炉控制系统结构图加热炉控制系统是用计算机通过以太网连接下位机PLC，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取现场过程变量与设备状态数据，对生产过程进行实时控制。上位机运行用组态软件设计的监控画面，对加热炉生产过程与控制系统进行监控，以保证加热炉正常运行。3.3 加热炉压力控制系统设计3.3.1 助燃空气压力控制系统确保喷嘴正常工作的一个重要条件就是有效地控制燃烧空气压力的大小。采用单回路控

25、制系统，燃烧空气压力调节器选用PID调节器。当设定值与反馈值出现偏差时，PID调节起作用，并确保在最短的时间使其达到最小。若给定值大于反馈值，偏差信号经PID运算后输出，阀门随之关小，接着压力开始下降；反之，当给定值小于反馈值时，偏差信号经PID运算后，阀门随之开大，接着压力开始升高。3.3.2煤气压力控制从安全方面着手，煤气和空气发生低压现象，气体压力控制阀会有意外。因此，从燃气和空气的主要管道上，都配备了两个低电压开关，热交换器前后，也分别配备了一个。任何低电压开关发生动作，都将会使煤气主切断阀进行自动关闭动作，然后停炉，以保证加热炉的安全。3.3.3 炉膛压力控制影响炉膛压力的最主要的因

26、素是高炉气体的具体流动状况，但直接影响气体的具体流动状况的是烟道窗口的开度大小。单回路控制系统是本设计方案的控制策略，改变烟道窗口的大小，进而控制烟囱的吸力和炉膛的压力，而炉压的检测点的具体位置是在均热段炉顶出料上方。本设计的炉膛压力、煤气总管压力和空气总管压力均为单回路控制系统，其方框图如图3.1所示。图3.2 炉膛压力控制系统方框图3.3.4 压力检测元件的选择压力检测的方法虽然有很多，但是按照转换原理和敏感元件特性的不同，一般可将其分为四类，包括：弹性式压力检测、液柱式压力检测、活塞式压力检测和电气式压力检测7。考虑到加热炉的工艺，检测炉膛压力时，用弹性式压力检测是不错的选择。弹性式压力

27、检测是指压力敏感元件的弹性元件将压力转换成弹性元件位移的原理而进行检测的一种检测方法。弹性元件所受压力超过其弹性限度后，将会发生变形，而此变形的大小又与被测量的压力存在正比的关系。波纹管、膜片和弹簧管是目前常用的压力检测弹性元件。弹簧管不仅能用适当的转换器件将其自由端的位移转换成电信号后进行输出，而且可以使用传动机构进行被测压力的直接指示。在此设计中，压力变送器和弹簧管压力表的组合对炉膛压力进行检测，而弹簧管压力表属于指示型仪表的一种，不仅使用便捷、价格低廉、结构简单，而且其测量围非常广，可对低压、微压、中压、高压和负压等进行测量，由此可见其测量围之宽广。弹簧管压力表的最高精度等级是0.15级

28、，以满足制造要求。因为炉膛压力必须满足520KPa的控制要求，而煤气总管压力围为30150KPa以与空气总管压力围为20130KPa。因此，本设计选用弹簧管压力表和压力变送器的组合。3.3.5 执行器的选择调节器的控制信号由执行器进行接收，再经执行机构把它转换为对应的直线位移或角位移，进而对调节阀进行操作，将控制变量改变后，使控制参数满足原先预想的要求。执行机构和调节机构二者构成了执行器。执行机构就是产生位移或推力的装置，调节机构就是可以对能量或物料输送量直接进行改变的装置。执行机构包括电动执行机构、气动执行机构和液动执行机构，而执行机构的选择就是从以上三者中进行选择的。执行机构的选择不仅需要

29、考虑以下几点，包括经济效益、控制精度和现场状况，还需要满足介质和能源的工艺要求。气动执行机构的优点是工作可靠、价格低廉、结构简单、维护便捷，还可以预防火灾和爆炸。本设计之所以使用气动执行器，是因为焦炉煤气极其容易燃烧、爆炸。气动执行器不但使用便捷，成本降低，还能对煤气的燃烧和爆炸进行有效地预防，以减少意外事故发生的概率8。来自电/气转换器的输出气压信号被气动执行机构接收，然后把它转换成对应的推杆直线位移，实现对调节机构的推动。压缩空气是气动执行机构的动力源泉，来自调节器的输出信号被气动执行机构接收，由膜片或气缸对阀门连杆动作进行驱动，进而对被控介质的流量进行调节，最终把被控变量控制在此系统允许

30、的围里。活塞式和薄膜式是气动执行机构的两种形式，而薄膜式中最常见的就是气动执行机构，能够直接对阀杆进行驱动，价格低廉、结构简单、输出行程偏小是气动执行机构的特点9。活塞式因其行程长，所以只能用于有特殊需要的场合，但其缺点是价格昂贵。本设计的执行机构是属于薄膜式的气动执行机构。被控介质在生产过程中的特性存在很大区别，有的是高粘度的，有的是强腐蚀的，还有的是高压的；有的流量是合流，有的流量是分流，且流量大小各不一样，所以流体的流动状态也都不一样。所以其结构形式的选取不仅需要考虑流体的流动状态、被控介质的特点、过程控制的要求和工艺要求，还需要考虑阀门的结构特点与其经济性和合理性。调节机构又名调节阀，

31、它无异于普通阀门，是一个可以改变局部阻力的节流元件。随着阀芯在阀体的位置发生变化，阀座和阀芯间的流通面积也发生了改变，也就是阀的阻力系数发生了变化，与此同时，被控介质的流量也发生了改变，最后实现对工艺变量进行调节的目标。调节阀的结构形式因不同的使用要求而有很多种，下面介绍主要的几种: 角形阀、直通单座阀、三通阀、直通双座阀、套筒阀、高压阀、偏心旋转阀、蝶阀。角形阀因其阻力小，流路简单，且阀体呈现直角形，所以常被用于高粘度、高差压、有颗粒或悬浮物物料流量控制的场合。调节阀使用底进侧出的方式会获得很好的稳定性。出于考虑阀芯使用寿命长久的考虑，高压场合时调节阀使用侧进底出的方式会获得良好的稳定性。此

32、设计的全部空气阀和煤气阀使用的都是角形阀。烟道百叶窗挡板利用转轴的旋转达到控制流体流量的目的。挡板轴、挡板、轴封和阀体共同构成烟道窗口的挡板。因其成本微小、结构紧密，且流通能力大的特性被应用在大流量、大口径、低差压，且存在悬浮物流体的场合，但泄漏量偏大是其缺点。因本设计的控制炉膛压力的烟道百叶窗压差小，口径大，流通量大，且存在一定的泄漏量对炉压控制影响较小，所以选用烟道百叶窗。控制系统的执行部件就是控制阀，控制器发出的命令被控制阀接收并执行。直接影响控制作用好坏的因素是看控制阀的选择是否适当。所以，就控制阀的选择，一定要慎重。控制阀接收气压信号，随着输入压力的变大，控制阀的开度也变大，这就是气

33、开阀；相反，控制阀接收气压信号，随着输入压力的减小，控制阀的开度也变小，就是气闭阀。就一个相对完整、具体的控制系统而言，具体的生产工艺决定了气闭阀或者气开阀的选择。对于一般情况，气闭阀或者气开阀的选择需要满足一下几点要求。第一，要考虑生产安全。如果发生信号中断，首先应该确保工作人员和生产设备的安全。换言之，控制器因故障而没有输出，气源供气停止，控制网的膜片因破裂而导致气体外泄，若以上任一情况导致控制阀无法进行正常的工作，因而导致气闭阀变成全开，气开阀变成全闭，也要保障人员和设备的安全，将发生事故的概率降到最低。第二，要确保产品的质量。若控制阀因处于无能源状态（即气闭阀变成全开，气开阀变成全闭）

34、变回其起始位置时，也要确保产品的质量。第三，要考虑动力、成品和原料的低损耗。要考虑介质的特性。若控制阀处在失去能源的状态时，也能尽量把产品和原料浪费降到最低。此外，当产品和原料发生结晶、易凝或聚合后，尽量防止控制阀因失去能源而造成严重的后果10。就生产安全而言，若控制器因故障没有信号输出，或煤气系统中断没有信号输出时，执行器的阀芯回到原始状态，防止事故的发生。考虑到异常情况下的爆炸，压力调节阀选择气闭式是合理的，倘若因压力过高而致使事故的发生，压力执行器全开，以防因压力过高而造成严重的不良后果11。3.3.6 控制器的选择控制器是传统的仪表控制系统的核心部分。负责整个控制系统的“命令”，控制器

35、的正确选择，不仅可以对控制品质进行改善，而且能够提高系统的控制品质。压力控制器是此控制系统的控制器，因为控制器的选择一定要符合实际工艺要求，所以有必要选择合适的控制器。控制规律的选择：比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制是控制器的三种最基本的控制规律。 比例控制规律的特征是：控制器的输入信号和输出信号成比例，也就是阀门的变化和偏差变化有相应的关系。它可以很好的避免扰动的影响，过渡时间快。可是，单一的比例控制器在整个过程结束后仍有余差存在，并且负荷的变化大，余差也大。三种控制规律中最基本的控制规律是比例控制规律，它可以独立使用，也可以和其它规律结合使用。它的优点是结构简单、整定方便。该控制器

36、适合调节通道滞后很小、负荷变化小、控制要求低、被控量可以有一定余差的场合。比如，可以使用比例控制器的场合有；冷凝器液面、一般的精馏塔塔底液面和次要的蒸汽压力控制系统。比例积分控制规律的特征是：控制器的输出信号不但和偏差的大小成一定比例，还和偏差有着一定的数学关系。同时具有比例和积分两种控制规律的控制器叫做比例积分控制器。它的应用最为广泛。适用于调节的场合为;通道滞后很小、负荷变化小、被控的变量不能有余差。采用该控制器的控制系统有：管道的压力控制系统和一些严格要求的液位控制系统。比例积分微分控制规律的特征是：较其它两种增加了微分作用，因此控制器的输出不但和偏差的存在时间和大小有关，并且还和偏差的

37、变化快慢成比例，所以对于系统小的容量滞后可以起到提前补偿作用，而且可以改善积分作用引起的系统不稳定。三种控制规律都具备的控制器叫做比例积分微分控制器，还称三作用控制器，其综合和三种控制规律的优点，所以是一种较理想的控制规律。适用于调节的场合有：容量滞后大、负荷变化不小、控制效果要求高的场合。根据控制规律的特征和工艺要求，单回路控制系统，选压力作为其参数，为了保证稳定，比例较大，可以加入积分，采用比例积分控制器，因此可增强控制作用；控制器不需要微分作用，如果要加微分作用，只有当对象容量滞后大时才可以12。因此在单回路控制系统中控制器的控制规律采用PI控制规律。即炉膛压力控制器、煤气压力控制器和空

38、气压力控制器都是采用PI控制规律。 控制器的正反作用的选择：正作用和反作用一般是工业控制器都具备的两种工作方式。当控制器的输出信号跟着被控量的增大而增大时，此时控制器的工作方式为正作用；相反，当控制器输出信号跟着被控量的增大而降低时，控制器的工作方式为反作用。为了适应不同的被控对象，实现闭环负反馈的控制要求，控制器设定了正作用和反作用。在一个闭环控制系统中，控制器、被控对象、变送器以与执行器等各个环节都有它们各自的作用。如果各个部分的组合不妥，让系统构成正反馈，控制系统就起不到控制作用，并且生产过程的稳定也会被破坏。由于不能随意选定变送器、被控变量和执行器的正反作用方向，所以要通过正确的选用控

39、制器的作用方式来实现控制系统闭环负反馈特点。假如规定控制系统中各环节作用方式如下：1控制器工作于正作用为“”，工作于反作用为“十”；2执行器的阀门气开式为“十”；气关式为“一”；3被控变量随操纵变量的增加而增加为“十”，随操纵变量的增加而减小为“一”；4测量变送器肯定为 “十”。判断规则：控制系统中如果各环节规定符号的乘积为正，则为负反馈系统。首先考虑炉膛压力控制系统，变送器的静态放大系数Km通常为正，所以只需要调节器放大系数Kc，调节阀放大系数Kv，被控过程放大系数KO相乘为正即可。根据调节阀正反作用的控制规律，因调节阀为气闭形式，所以Kv为负，由于烟道百叶窗开度变大，烟囱吸力变大，其炉膛负

40、压变大，所以为反作用过程，即KO为负。因为根据单回路系统的各部分增益乘积应为正的原则，即Kc*Kv*Ko*Km0,所以调节器的Kc应为正，即反作用方式的调节器。调节器设置正反作用的目的是使控制系统构成负反馈系统。依据上面分析的判断规则，判断出炉膛压力控制系统的压力控制器为反作用控制器。 同理，可判断出3个单回路控制系统的压力控制器均为反作用控制器。3.4 PLC选型PLC(Programmable Logic Controller)是可编程序控制器的英文缩写, 在我国的应用非常广泛，在冶金、化工、印刷生产线领域等都有应用13。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更

41、强。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制, 例如,将按钮开关、行程开关、无触点开关或者敏感元器作为输入信号, 输出信号可控制电动阀门、电磁阀、开关和步进电机等执行机构。通过运用编程的存储器, 在其部存储, 并对其进行逻辑的运算, 对计算进行定时、运用顺序控制、采用算术运算等操作的指令,对各种类型的工业仪表和生产过程实现自动化的控制采用模拟式、数字式的输入和输出控制。PLC与其有关的外围设备都应该便于与工业控制系统形成一个整体，为了更容易的扩展其功能的原则而设计的。它的主要功能有以下几点： 进行模拟量数据采集和输出； 控制功能，包括顺序控制、条件控制、定时、条件控制、计数等； 具有数据处理功能

42、，既可以进行基本数学运算、逻辑运算，还可通过编程用来实现复杂的控制算法； 输入/输出信号调制功能； 通信、联网功能，还可进行远程控制、多台PLC间相互联网通信、外部仪器仪表与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等； 可以支持人机界面功能； 能够进行编程、调试等。在工业生产过程中，许多开关量顺序控制在生产过程中都是根据逻辑条件依次进行顺序动作的，然后根据逻辑关系发出连锁保护动作的命令，同时对大量的离散量的数据进行采集。一般情况下，都可以通过电气控制系统来实现其。因其配套齐全，功能完善，所以适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的建造和设计的工作量较小，易被改造，维护也很方便；因其容易学习，

43、容易使用，且操作简单，所以受到工程技术人员的欢迎；体积较小、功耗较低、质量较轻。以上这些都是PLC的特点。3.4.1 S7-200简介小型可编程序控制器，S7-200，其监测、监测和自动化控制被用于各行各业的各种场合。不管是相互连成网络还是独立运行，其强大的功能，都可以进行复杂的控制。所以S7-200系列有很高的价格比和性能比14。指令集丰富、掌握容易、可靠性极高、操作便捷、特性实时、通讯能力强劲、置集成功能丰富、扩展模块丰富，正是S7-200系列的出色之处。通信口、集成的24V电源、电池模块、高速脉冲输出、EEPROM 存储器模块、高速计数器、模拟电位器、以与CPU模块等构成了S7-200。

44、本系统配置了数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、监控模块、高速计数模块, 其中，全部的输入/输出模块，通过使用光电隔离, 可以大大改善并提高系统的抗干扰能力。集散自动化系统中，S7-200系列利用它强大的功能，使用围变得非常广泛，不仅包括替代继电器的简单控制，甚至包括复杂的自动化控制。遍与所有与自动控制和自动检测相关的民用和工业领域，各种机械、机床、民用设施、电力设施、环境保护设备等也算在，可见其应用领域之广泛。比如，印刷机械，冲压机床、磨床，电梯控制，中央空调，运动系统，橡胶化工机械。3.4.2 S7-200的模块选择此设计选择西门子公司PLC中的S7-200系列控制器，其中整个加热

45、炉控制系统的核心是CPU 224。这个控制器有14输入/10输出，共有24个数字量I/O点。7个扩展模块可被连接，扩展可以达到35路模拟量I/O 点和168路数字量I/O点。并且这些I/O端子排都可以轻易地被拆卸。6个独立的高速计数器，频率可达30kHz；2路独立的高速脉冲输出，频率为20kHz，并且具有PID控制器。CPU 224，存有1个RS-485通信口，并且支持MPP、PII的通信协议，且具有可以进行通信的自由口。如果使用24V DC电源，输入、输出皆是24V DC；如果使用100230VAC电源和 24V DC输入，则继电器输出。该控制器具有较强的控制能力，此外，标准化程度高、操作性

46、强、可靠性高、可维护性好、可扩展性好等也是该产品的特点15。3.4.3 模拟量扩展模块EM235简介A/D与D/A转换单元，模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，如010V，05V，020mA，0100mV，10V，5V，100mV等，量程为010A/D与D/A转换单元，模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，如010V，05V，020mA，0100mV，10V，5V，100mV等，量程为010V时的分辨率为2.5mV。S7-200有3种模拟量扩展模块，S7-200具有EM231、EM23

47、2、EM235三种规格的模拟量输出输入模块。 本设计采用3块EM235输入输出模块，图3-3给出了EM235接线端子情况，4路端子分别可接4路输入，要注意信号的类型不同时，接线方法不一样。在4路端子有空闲不用时，应将该路段接。输出端子在图下方，输出是电流量还是电压量子接线方式上有区别。另外，EM235是外界供电的。图3.3 EM235硬件接线示意图3.4.4 PLC的I/O口分配表3.1 PLC的I/O分配表输入信号气动按钮I0.0停止按钮I0.1急停按钮I0.2手动操作I0.3自动操作I0.4钢坯进入加热炉的信号I0.5钢坯出加热炉的信号I0.6输出信号自动方式运行Q0.0手动方式运行Q0.

48、1烟道百叶窗Q0.2煤气总阀Q0.3空气总阀Q0.44 加热炉压力控制系统的软件设计4.1 软件介绍系统软件主要分为上位监控组态软件和下位机软件。控制器中存储的是在V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3软件环境中编写的梯形逻辑控制程序,是加热炉过程控制的核心,用于控制整个加热炉的工艺流程。上位组态采用的是亚控组态王kingview6.55开发版软件，用于画面监视、PID参数设定、记录报警等，保证系统的正常运行。通过RS-485通信口，将下位机采集到的数据信号送到上位机，从而准确地控制整个系统。下位机软件采用的是V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3，它是一个基于标准的W

49、indows软件，类似于word，Outlook等标准应用软件。其中，STEP 7-Micro/WIN用于S7-200系列PLC的程序编辑，支持三种编程模式：其中，便于用户选取的是功能块图、梯形图，还有语句表；同时，Micro/WIN具有监控程序和CPU的功能，包括对其进行调试、编辑，此外，修改也是其功能之一。Micro/WIN不仅可以对符号进行编辑、为符号寻址，简单的数据名也可由用户指定；Micro/WIN还可以对编辑的程序进行中断，提供集成库程序功能，以与用户定义的库程序；Micro/WIN还集成了TD文本显示器配置向导。Micro/WINV4.0以上版本还集成了S7-200Explore

50、r，用于在Windows系统中在线浏览S7-200中的网络资源16。下位机软件设计是在利用STEP7系列的编程软件STEP7-Micro/ Win4.0完成对下位机程序的编制与调试, 然后把调试好的程序通过Profibus 网络下载到PLC硬件中。下位机软件主要实现PLC与组态王的通讯、PLC对加热炉炉膛压力、煤气总管压力以与空气总管压力的自动控制等子程序。上电初始化：出于保证系统运行安全的考虑，系统运行开始，全部的输出点在系统中被设置为安全状态。对控制参数的初始化，对ROM、RAM清零，是其初始化操作。比如，当前的模拟量采样值的清零，计数器清零，需要提前设置以上参数。信号处理：压力、阀位等现

51、场模拟量的采集，还有通讯过程等都很容易被现场工作的设备影响、干扰，因而进入模拟量模块EM235的电流值经过电流变送器也有存在干扰、波动的可能，所以，此时采集回来的数据最好经滤波处理，而不至于影响其结果。此惯性系统中，对其进行滤波处理时用平均值算法可以取得良好的效果。在主程序中，每隔一个扫描周期，对其中的子程序，进行一次模拟量的采集，进行一次滤波的处理，这就是它的具体的实现方法。在此系统里，每隔一个扫描周期，对子程序进行调用，将得到的模拟量模块采集的值进行A/D转换，最后再将得到的结果叠加，此时，若采集的次数与预置的采集次数一致后，将叠加值除以采集次数得到平均值,然后将这个平均值作为本次采集的最

52、终结果送回主程序。上位机监控软件采用的是亚控组态王kingview6.55软件，组态王系统属于一种新的控制系统，传统的、封闭式的控制系统已被这种集成控制系统所取代。较短的经济周期和开发周期、良好的开放性、较强的适应性、容易被扩展等是组态王软件的优点。一般情况下，有管理层、监控层、和控制层这几个层次结构可供系统区分。因为管理层、监控层、控制层相互连接，即上为管理层，中为监控层，下为控制层，因此，它不仅可以对现场进行实时控制和监控，还可以完成上传下达的命令。其中，动画、数据、画面这三个方面的问题尤其需要被考虑。考虑到此软件的强大功能，本设计采用组态王对系统进行实时监控。监控软件也为实验者提供的画面

53、可以进行监控，有利于实验者在现场对其进行实时的监控。此外，在利用Windows的图形编辑功能之后，它可以形成简单方便的监控画面，而控制设备的状态也可以通过动画的方式进行显示，可对报警窗口、实时、历史曲线等进行输出，可便利的生成各种报表。组态环境和运行环境两部分共同构成了组态王软件的系统。用户的组态过程在组态环境中运行，组态环境好比一套完整的软件工具，它可以帮助用户设计和构建自己的应用程序。运行环境是一个独立的操作系统，不同的处理按照由用户指定的数据库中的配置结果，完成用户配置的设计目标和功能。换言之，组态环境里，按照最后的控制要求，在运行环境里，我们可以对组态工程进行设计。其中，主控窗口、用户

54、窗口、实时数据库、设备窗口和运行策略这五个部分共同构成了组态王软件的工程17。（一） 主控窗口:工程的主框架、主要窗口。主控窗口，能够设置许多的用户窗口和单一的设备窗口，将此窗口打开、关闭，都可以对其进行管理和调度。其中，对工程的名称进行定义命令，对封面的图形进行设计的命令，对工程的菜单进行编制的命令，对自动启动的窗口进行确定，对数据库的存盘时间和存盘文件名进行指定命令，对动画刷新的周期进行设定命令等都属于组态操作。（二）设备窗口:对外围设备的工作环境进行连接、驱动。数据的采集与控制的输出设备需要在此配置，而后注册驱动设备的程序，还需要定义并连接与驱动设备所使用的数据变量。即，所有进行连接的控

55、制器(包括变频器，PLC，仪表)的型号需要从设备窗口中进行选择，从设备中读取的变量(比如PLC中的寄存器)也要在此设定。（三）用户窗口:设置人机交互的界面是此窗口的主要任务。例如，完成各种动画显示、报警输出、曲线输出和报表输出的显示等。换言之，需要显示的控制界面在此窗口进行设置。（四）实时数据库:是对工程部分进行数据交换并进行处理的中心。数据的画面连接、数据的采集记录、还有数据的处理、输出控制和对设备的驱动，它们的对象包括不同名称和类型的变量。换言之，在定义控制设备的变量前需要在实时数据定义相应的变量，以便二者对应，有助于已经建立的各用户窗口的有效调用。（五）运行策略:完成控制工程运行流程是它

56、的主要任务。当然，编选择各种功能构件、编写控制程序也不例外。举一个例子，当PLC的两个输入点闭合的情况需要满足分别显示不同容的要求时，监控界面就需要编辑一段说明文字，此时，运行策略窗口需要做一个if.then判断。 组态王软件的分类：通用版组态软件、嵌入版组态软件、网络版组态软件。本设计选用的就是通用版组态软件，是监控系统中层的组态软件，任务是完成数据的采集记录、报警和安全机制、实时和历史数据处理、动画显示、流程控制、实时和历史趋势曲线、报表输出等监控18，许多现场人员的工作都可以用它来代替，此系统安全可靠，能有效地对现场进行报警输出和自动监控，并可在任何时候打印各种报表。4.2 主程序设计主

57、程序流程图给出了整个程序执行的总体方案和顺序，主程序的作用即发出对个子程序调用的顺序命令，使控制程序的各部分按控制逻辑有机的连接起来，各基本操作在子程序中完成。主程序流程图的画法采用调用子程序的方式，使整个流程图简明易懂。从主程序流程图我们可以看出，基于PLC的加热炉压力控制系统的控制过程解释如下：当程序被下载后，按下开始按钮，主程序开始扫描。首先调用了初始化子程序，完成了寄存区域的初始化和一些基本的设置工作；然后继续往下调用采样程序；判断是否达到预置采样次数，没达到继续采样，采样达到预置次数后求采样平均值；求得平均值后调用PID子程序，PID控制器输出并调用加热炉压力子程序；调用PID子程序

58、并将输出送模拟量输出端，最后整个程序结束，又回到主程序开始处，PLC重新开始扫描。图4.1 主程序流程图4.3 子程序设计4.3.1 A/D采样滤波子程序设计图4.2 采样滤波子程序流程图对压力值的采样是整个控制系统最基础的部分，采样正确与否直接关系到整个控制系统的质量，对采样值的处理则显得格外重要。本设计采样程序设计的思想是，首先对采样计数器进行加1处理，然后判断一次是否达到预置采样次数，未达到则采样并累加采样值，达到预置采样次数则通过平均值滤波求采样平均值，最后子程序返回。4.3.2 PID算法子程序计算机通过测量变送器与A/D转化器采入被控量，测量值PV与给定值SP的偏差作为调节器的输入

59、信号，经PID运算后的输入信号经过D/A转换器变换为模拟信号，作为执行器的输入去控制连续的被控变量。图4.3 PID算法子程序流程图4.4 炉膛压力控制系统设计图4.4 炉膛压力控制系统流程图加热炉务必保持微正压，进而降低火焰从炉喷出和冷风倒灌这些现象的出现。由均热段侧壁上的变送器得到的压力变化使调节器控制烟道百叶窗开度的大小，从而确保加热炉的炉膛压力保持在微正压状态19。炉膛压力控制器有两种模式，即A，自动模式，B，手动模式。CRT中，炉膛压力由人工给定调节回路中的设定值，并按给定值对炉膛压力进行控制，这就是自动模式；CRT中，炉膛压力由人工手动输入设定值，并按设定值对炉膛压力进行控制，即手

60、动模式。若此时发生故障，且炉膛压力变送器呈现故障状态，炉膛压力变送器会被强制执行手动模式，此时，烟道百叶窗恢复到原有开度。炉膛压力务必保持在一定围,倘若炉膛压力过高将会导致炉门喷火，进而损伤炉体和设备, 倘若炉膛压力过低将会影响燃烧的质量和效果。4.5 煤气压力控制系统设计加热炉正常运行的必备燃料是煤气，而确保加热炉安全运行的指标之一就是煤气压力值的大小。煤气总管的压力值经采集后与其给定值进行比较，得到的偏差信号被送到煤气总阀后，需要进行适当的调整以确保加热炉正常、安全的运作。图4.5 煤气压力控制系统流程图加热炉正常运行的必备燃料是煤气，而确保加热炉安全运行的指标之一就是煤气压力值的大小。煤

61、气总管的压力值经采集后与其给定值进行比较，得到的偏差信号被送到煤气总阀后，需要进行适当的调整以确保加热炉正常、安全的运作。4.6 空气压力控制系统设计图4.6 空气压力控制系统流程图确保煤气的充分燃烧是空燃比控制的目标，而煤气和空气的充分混合是燃烧的条件之一，不然，煤气在炉膛不能进行充分的燃烧，因此实际生产过程中，实际空气量要比理论计算量多，从而确保煤气的充分燃烧。所谓空燃比不同，就是指因煤气的配比不同，实际的空气量也就不同。影响燃烧效果的因素之一就是实际空气量的不同。倘若实际空气量太少，会出现煤气燃烧不完全的现象；而实际空气量太多，尽管对燃烧有一定的帮助，但它不只增加了废气的量，使炉膛的温度

62、降低，使大量的热量被废弃带走，影响了加热炉的热效率，还使钢坯的氧化损伤变得更严重20，因此适当的控制实际的空气量是有必要的。4.7 监控画面设计1.参数显示、报警画面对加热炉均热段炉膛压力报警的监控。2.实时趋势画面对加热炉的炉膛压力、煤气压力以与空气压力进行实时监视。炉膛压力的设定值为12KPa，煤气总管压力为87KPa，空气总管压力为78KPa。图4.8 加热炉均热段炉膛压力报警界面图4.9 加热炉炉膛压力、煤气压力以与空气压力实时曲线界面3.历史趋势画面加热炉炉膛压力、煤气压力以与空气压力在运行的当前时刻存盘，对压力的变化保持记忆, 随时可任选显示开始运行后任一时间段的压力的变化趋势曲线

63、。4.PID参数设置通过送P、I、D、SP来控制调节阀，间接控制加热炉炉膛压力、煤气总管压力以与空气总管压力的目的。图4.10 加热炉炉膛压力、煤气压力以与空气压力历史曲线界面图4.11 加热炉压力控制系统PID参数设定界面5. 工艺流程监控画面包括炉加热炉的工艺流程、煤气总管和空气总管的调节、炉膛显示画面、炉膛压力调节、显示画面、压力报警和数据显示与实时曲线与历史曲线显示画面等。图4-12 加热炉压力控制系统监控主界面第五章 结论经过本次设计，我了解了冶金加热炉的生产工艺流程和加热炉压力控制系统的自动控制策略。自动化控制技术与加热炉生产过程本身有着紧密的联系，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程。计算机技术、通信技术、控制技术和显示技术的发展，为实现高水平的自动化控制提供了强有力的技术支持，给生产过程自动化的发展带来了极其深远的影响。过程控制系统已经从常规仪表和继电器逻辑控制系统发展到了PLC控制系统，过程控制管理级普遍从采用计算机网络技术工业自动化进入到计算机集成过程系统时代。目前，PLC技术应用于我国大