硕士学位论文-基于PLC的蓄热式加热炉自动控制系统.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 基于plc的蓄热式加热炉自动控制系统 姓名：李慧芳 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：王才 20070501 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 基于p l c 的蓄热式加热炉自动控制系统 摘要 能源短缺是制约我国经济可持续发展的一个重要因素。加热炉是冶金 企业最主要的耗能设备。而蓄热式加热炉技术作为国家鼓励发展的资源 节约综合利用和环境保护技术2 6 0 项技术之一，具有节能、环保、充分利 用低热值煤气的特点，与传统工艺相比，可节能3 0 4 0 。蓄热式高温空气 燃烧技术能同时降低燃料消耗及有害气体的排放，是保护环境，实现可持 续发展的必然要求。 蓄热式加热炉控制系统与“直燃式”加热炉有很大的异同，其自动控 制策略是个重要的研究方向。本文以唐山丰南瑞丰薄带有限公司高炉煤 气蓄热式加热炉为研究对象，根据蓄热式加热炉每燃烧2 5 分钟，就要有 一次换向燃烧动作的燃烧特点。通过对各种控制方式的分析与比较，结合 蓄热式加热炉的燃烧特点，采用了脉冲燃烧控制方式对系统的自动控制进 行了设计、编程及调试。 可编程逻辑控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 因其高可 靠性和较高的性价比，在工业控制中被广泛应用。监控组态软件也以其具 备的实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点而具 有很强的实用价值。该项目采用德国s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c ，以 现场工业总线m p i 网络为基础，运用与之相配的s t e p 7 编程软件，通过s t l 和l a d 两种编程语言编制了下位机的控制程序，并以组态王为监控软件构 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 成了一个分布式控制系统，从而实现了自动控制。该系统主要由四部分组 成：现场仪表，p l c ，上位机和人机界面h m i 。 系统目前已经投入运行，从实际应用的情况来看，系统运行稳定可靠， 炉温达到了稳定、均匀的要求。而且该系统控制精度高，操作系统简便， 易于现场技术人员的操作和控制。从而保证了蓄热式加热炉生产的顺利进 行，并提高了产能和降低了能耗。本文的科研工作为深入研究蓄热式加热 炉控制系统提供了重要的指导意义和现实意义，具有很强的实用价值。 关键词：蓄热式加热炉，脉冲燃烧技术，传感器，p l c ，工控机 太原理1 二大学硕十研究生学位论文 t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mf o rt h e r e g e n e r a t l v eh e a t i n gf u r n a c e b a s e do np l c a b s t r a c t t h el a c ko ft h ee n e r g ys o u r c e sh a s a l r e a d yr e s t r i c t e d t h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m y a so n eo ft h em a i ne n e r g y - c o n s u m i n g e q u i p m e n ti nm e t a l l u r g ye n t e r p r i s e ，r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u m a c et e c h n o l o g y t a k e sa so n eo ft h e “t h e s t a t e e n c o u r a g e dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf o r c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n dc o n s e r v a t i o no fr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ”，w h i c hc o n s i s t so f2 6 0i t e m s i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dm a k i n gf u l lu s eo fl o wb t ug a s ； c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，i tc a ns a v e3 0 4 0 e n e r g y h t a c t e c h n o l o g yc a na l s or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n dn o x i o u sg a sd i s c h a r g i n g ， p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n ta n dm e e tt h en e c e s s a r yr e q u i r e m e n t so ft h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t c o m p a r e dw i t ht h e “d i r e c t - f i r e d ”h e a t i n gf u m a c e ，t h er e g e n e r a t i v eh e a t i n g f u m a c ec o n t r o ls y s t e mh a s v e r yg r e a td i f f e r e n c e s i t sa u t o m a t i cc o n t r o ls t r a t e g y i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n t h i sa r t i c l et a k e st h eg a sr e g e n e r a t i o nt y p e h e a t i n gf u r n a c eo ft a n g s h a nf e n g n a nr u i f e n gs t r i pc o l t da st h er e s e a r c h o b j e c t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e v e r s i n g c o m b u s t i o n o ft h e tt t 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c ee v e r y2 - 5m i n u t e s ，a n a l y s i s e da n dc o m p a r e e dt o e a c hk i n d o fc o n t r o lm o d e ，u n i o nt h er e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c eb u r n i n g c h a r a c t e r i s t i c ，t h ep u l s eb u r n i n gc o n t r o ls t r a t e g y i s a d a p t e d t o d e s i g n ， p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo ft h eh i g hr e l i a b i l i t y ，l o wc o s ta n dh i i g hp e r f o r m a n c e ，p l ch a s b e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s o f t w a r eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ef o r i t sf e a t u r e so fr e a l - t i m e m u l t i - t a s k , o p e n i n gi n t e r f a c e ，f l e x i b l ea n dd i v e r s ef u n c t i o n s ，h i g hr e l i a b i l i t y e t c s 7 - 3 0 0s e r i e sp l cm a d eb ys i e m e n sl t d g e r m a n yw a sa d o p t e d ，b a s e do n m p if i e l d b u sn e t w o r k , a n ds t e p 7p r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，s t la n dl a d p r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa r ea l s oa d o p t e dt oa c h i e v et h ec o n t r o lo ft h ep r o c e s s ； c o n s t i t u t e dad i s t r i b u t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，t h u sh a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i c c o n t r 0 1 t h i ss y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ff o u rp a r t s ：f i e l di n s t r u m e n t s ，p l c ， p ca n d 踟 t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n ；a c c o r d i n gt ot h es i t u m i o no ft h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i t ss t a b l ea n dr e l i a b l e ；a n dt h ef u r n a c et e m p e r a t u r ei s s t a b l ea n du n i f o r m ，r e a c h e st h er e q u i r e m e n t s ；m o r e o v e r ，t h es y s t e mc a na c h i e v e h i g h - p r e c i s i o nc o n t r 0 1 t h eo p e r a t i n gi ss i m p l ea n di ti se a s yt oo p e r m ei nt h e i n d u s t r yf i e l db yt h et e c h n i c a ls t a f f ；t h u se n s u r e st h es m o o t hp r o d u c t i o no f r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u m a c e ，i n c r e a s e sp r o d u c t i v i t y a n dl o w e r s e n e r g y c o n s u m p t i o n t h er e s e a r c hw o r ko ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rr e g e n e r a t i v eh e a t i n g f u m a c ei nt h i sp a p e rp r o v i d e si m p o r t a n tg u i d a n c ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a ni n d e p t hs t u d y ，a n di th a ss t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v e h e a t i n gf u r n a c e ，p u l s e - b u r n i n gt e c h n o l o g y ，s e n s o r ， p l c ，i p c v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎墅耋 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 日期：竺了! 三。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 能源是发展国民经济和保证人民生活的重要物质基础。随着工业的迅速发展和人口 的不断增长，能源和环境问题成为倍受国人瞩目的两大问题。在我国实施经济可持续性 发展战略的关键时期，研究和应用节约能源、提高能源利用效率、减少污染物排放的燃 烧技术成为我国工业界的当务之急。 传统的加热炉采用的是“直燃式”加热方式，直燃方式不但浪费能源，而且产能低。 而蓄热式高温空气燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ，简称h t a c ) 是一种 全新概念燃烧技术，该系统采用的是空气蓄热加热方式。蓄热式高温空气燃烧技术与传 统燃烧技术相比有以下特点： 1 、节能潜力巨大：与采用冷空气助燃相比，燃料节约可达6 0 - 6 5 ，与采用一般换 热器相比，节约率可达3 0 以上； 2 、火焰稳定：由于预热空气温度高于燃料的自燃温度，燃料只要扩散、混合并进 入可燃范围，燃烧就会自发出现，因此无需火焰稳定机制，就可以保证稳定燃烧； 3 、n o x 排放率低； 4 、炉膛温度均匀：不仅可以提高加热质量，而且可以延长炉体寿命； 5 、低热值煤气可以得到充分利用。 蓄热式高温空气燃烧技术能同时降低燃料消耗及有害气体的排放，是保护环境，实 现可持续发展的必然要求。 工业加热炉的自动控制，是近几年来开发的一项新技术，它是计算机软、硬件、自 动控制、加热炉节能等几项技术紧密结合的产物目前大多数工业加热炉仍处于能耗高、 浪费大、污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗油量，用计算机和p l c 进行自 动控制是一件具有深远意义的工作。炉子的自动监控系统在加热炉的生产运行中具有关 键作用。采用自动控制系统不但能真实反映炉内热工参数的变化，还有利于实现整套系 统的自动调节，而且可从根本上提高控制精度，取得高产、优质、低耗和减少污染的效 果。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外蓄热式加热炉燃烧技术发展现状 1 2 1 国外蓄热式加热炉燃烧技术的发展现状 在国外，蓄热式燃烧和余热回收技术被称为“h t a c ”高温燃烧技术；该技术和传统 的余热回收技术相比，有着无与伦比的优点，如大幅度的节能，n o x 大大减少，燃烧噪 音低，炉内温度均匀等，因此。该技术倍受各国热工界的青睐和广泛关注。近十年来， “h t a c ”技术已广泛应用于推钢式加热炉、步进炉式加热炉、热处理炉、钢包烘烤等工 业炉窑上。 1 9 8 8 年，英国r o t h e r m o n 公司成功把该项技术应用于1 7 5 t h 的轧钢加热炉上，该炉 的炉底强度为l o l 2 k g m 2 h ，炉子余热回收率达8 0 ，空气预热温度达1 2 0 0 。c ，炉子排烟 温度仅为1 3 5 1 2 。除此之外，9 0 年代以来欧、美、日等国家在蓄热式燃烧技术和应用方 面取得了很大进展，把节能和环保有机的结合起来称为“高温空气燃烧技术”。尤其是 日本，现已有1 5 0 多座工业炉采用了这项技术。日本钢管、新日铁、川崎、住友等钢铁 公司都在轧钢加热炉上采用了这项技术，收到节能2 0 一3 0 ，提高产量1 5 4 2 0 9 6 的效果。 如，日本把蓄热式技术于1 9 9 6 年应用于2 3 0 t h 的步进加热炉上，该炉炉底强度为 9 2 0 k g m 2 - h ，余热回收率达8 5 。空气预热温度达1 1 0 0 “ 2 ，炉子节能5 0 左右。 1 2 2 国内蓄热式加热炉燃烧技术发展现状 h t a c 技术在国内钢铁企业迅速推广，目前已有唐钢、莱钢、太钢等4 0 多座蓄热式 加热炉投入运行，均取得十分显著的节能效果。h t a c 正在被越来越多的企业所认识，并 正在拓展到石化、陶瓷、玻璃、锅炉、机械等行业的热工设备上。预计我国工业炉窑和 锅炉等采用h t a c 技术后，每年可创造3 0 0 亿元以上的经济效益。近几年来，我国在推 钢式加热炉上和步进炉上，已有近百座炉子上应用此技术，均取得了一次性投产成功。 这些蓄热式加热炉普遍取得了节能4 0 5 0 ，余热回收率8 2 。空、煤气预热1 0 0 0 “ c ， 排烟温度1 5 0 1 7 0 “ c 的效果。蓄热式技术所显示出来的节能效果和传统节能技术相比有 着明显的优越性。 许多企业由于重油价格连连攀升，燃料成本居高不下，在没有其他燃料来源之前， 以热脏发生炉煤气取代重油可以使燃料成本平均下降约5 0 9 6 ，而成为众多企业的首选。 热脏煤气是指煤气从发生炉出来后，只经简单除尘，以高温状态送入炉窑使用的煤气， 太原理l ：犬学硕十研究生学侥论文 煤气温度约4 0 0 6 0 0 “ c ，其中煤气显热和焦油均随煤气一起向炉窑供热，由于煤气中的 焦油进炉燃烧，可避免煤气中的有机物污染环境，同时由于设施少投资小，煤的热利用 效率较高，因此，近年来热脏发生炉煤气在加热炉上的应用越来越广泛。 2 0 0 5 年为进一步推进资源节约综合利用和环境保护技术进步，加快新技术的推广应 用，引导投资方向，促进经济社会可持续发展，公布了国家鼓励发展的资源节约综合 利用和环境保护技术2 6 0 项技术。其中热换向式燃高炉煤气步进梁加热炉技术获 得国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术综合利用部分技术奖。而内 置式蓄熟式加热炉技术获得国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术资 源节约部分技术奖。 1 3 可编程序控制器与组态软件发展概述 可编程控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 可编程逻辑控制器) 是在电子 技术、计算机技术等基础上发展起来的一种先进的自动控制设备，是一种数字运算操作 的电子装胃。它采用可以编制程序的存储器在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计 时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种 类型的机械或生产。它具有可靠性高，抗扰能力强，编程简单，设计周期短，安装、 接线、调试工作量小，使用维护方便，具有很高的灵活性、适应性及很强的信息处理能 力和多功能、体积小、重量轻的优点。 p l c 技术长期以来始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动控制 设备提供高可靠性的控制系统解决方案。由于p l c 的迅猛发展，实现了工业控制领域的 飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其应用领域从i j , 至u 大，实 现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天 的p l c 正在成为工业控制领域的主流控制设备，可以用于各种规模的工业控制场合，在 各个领域发挥着越来越大的作用。除了逻辑处理功能以外，近年来p l c 的功能单元大量 涌现，使p l c 从逻辑控制渗透到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。因此p l c 在将来仍将继续 占据工业控制的主导地位。 组态软件技术是当今工业控制领域的主要操作、运行和监控的软件设计开发平台， 被广泛地应用于冶金、交通运输等多个领域。组态软件采用w i n d o w s 图形界面和对话框 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行程序的开发组态和用户操作，使得无论是编程设计人员还是操作人员，都能够轻松、 快捷地学习和掌握它的开发和操作技巧，极大地减小了程序设计开发的负担。而且组态 软件还可以利用计算机丰富的软硬件资源以及其它源程序开发上具( 如v b ，v c 等) 进行 二次开发来扩充其功能，使用户能彻底地设计和更新具有自己风格的操作软件监控平 台。 1 4 课题来源及选题意义 基于蓄热式燃烧技术的节能、环保等优点及国内外发展现状，如何合理有效地控制 蓄热式加热炉的各项热工参数就显得尤为重要。本论文以唐山丰南瑞丰薄带有限公司燃 高炉煤气蓄热式加热炉为研究对象，针对蓄热式加热炉特点，制订了一套完整的自动控 制方案，从传感器的选型、信号的检测及传送到p l c 的控制、人机界面的组态和编程等 都做了详细具体的阐述和研究，而且整个系统目前已经投入运行，从实际应用的情况来 看，系统运行稳定可靠，炉温达到了稳定、均匀的要求。而且该系统控制精度高，操作 系统简便，易于现场技术人员的操作和控制。保证了蓄热式加热炉生产的顺行，并提高 了产能和降低了能耗。通过采用这项技术为公司煤气节能方面探索出一条新道路，不仅 最大程度上节省了燃料，而且降低了污染物排放量，尤其是n o x 的排放量符合环保的要 求。所以说采用先进的高温蓄热技术、燃用低热值的纯高炉煤气，既节约能源也满足了 公司可持续发展的战略要求。 1 5 课题主要内容 1 、热工控制系统的总体设计及传感器的选型和检测方式； 2 、系统控制策略和控制方案的确定； 3 、p l c 硬件系统的设计： 4 、p l c 软件控制程序的设计： 5 、系统人机界面的组态和系统通讯及安装调试。 太原理丁大学硕十研究生学位论文 第二章热工控制系统总体设计及信号检测 2 1 热工控制系统总体设计 蓄热式加热炉用于坯料的加热和再加热，加热炉的过程控制目的是以最少的热能 ( 煤气或其它燃气) 把钢坯的温度稳定均匀地加热到工艺要求的目标值。过程控制的内容 包括：采用正确的控制策略、配置合理的控制系统、选用合适的控制设备及恰当的通讯 网络等。通过对整个热工控制系统的分析，根据蓄热式加热炉的燃烧特点，本系统采用 了脉冲燃烧方式进行控制，并依此对整个热工控制系统进行了总体设计。结构框图如图 2 1 。系统设计主要由上位工控机的监控部分、p l c 系统，信号检测部分及执行机构几部 分组成，其中工控机和p l c 采用m p i 网络进行通讯。上位工控机在线实时记录、监控和显 示数据；p l c 向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制命令，通过 换向阀和执行机构对燃烧介质( 燃气和空气) 的压力和流量进行控制，从而达到最终控 制温度目的。 图2 - i 热工控制系统总体结构图 f i 9 2 一lc o n t r o ls y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r ed i a g r a m 在整个热工控制系统中温度的控制是由控制燃烧介质( 燃气和空气) 的压力和流量 得以实现的。因此温度、压力、流量的测量对整个控制系统起着举足轻重的作用。本章 主要就温度、压力和流量的检测原理、传感器的选型及检测方式傲详细描述。关于信号 处理及控制系统的其它部分将在以后的章节中逐一介绍说明。 太原理t 大学硕士研究生学位论文 2 2 信号检测 传感器是信号检测的主要装置，自动化生产过程中的一切信息都要通过传感器获取 并通过它转换为容易传输与处理的电信号，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少 的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，一个控制系统的成功与否， 传感器的作用是十分重要。 2 2 1 传感器的组成 传感器是把被检测量变换为有用信号的一种装置，它包括敏感元件、变换电路以及 把这些元件和电路组合在一起的机构。它能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系 统的质量起决定性作用。 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三个部分组成。 l 、敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的 元件。 2 、转换元件：将敏感元件输出的非电物理量( 如位移、应变、光强等) 转换成电路 参数( 如电阻、电感等) 或电量。 3 、基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路( 简称转换电路) ，便可转换成 电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、 运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。 2 2 2 传感器的选择依据 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等 六个方面的问题。 l 、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 1 ) 灵敏度过高引起的干扰问题； 2 ) 量程范围： 3 ) 交叉灵敏度问题。 2 、响应特性 6 太原理工丈学硕士研究生学位论文 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器 的响应总不可避免地有一定延迟，但延迟的时间越短越好。 3 、线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范 围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的 基本条件。 4 、稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感 器稳定性的因素是时间与环境。 5 、精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。 6 、测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、 破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。 瑞丰蓄热式加热炉根据加热系统工艺要求，需要检测的主要变量有温度、压力、流 量等。下面就本系统的温度、压力、流量信号检测方式及所用传感元件做详细描述。 2 3 系统温度信号的检测 温度测量的方法有很多种，但由于热电偶具有结构简单、较高的准确度、测量范围 宽、良好的敏感度、使用方便等特点。出于对工业炉工艺需求及环境条件的考虑，在熟 工控制系统中选用热电偶作为主要的温度检测传感器。 2 3 1 热电偶工作原理及补偿方法 l 、热电偶工作原理 热电偶测温原理是基于1 8 2 1 年塞贝克( s e e b e c k ) 发现的热电现象，将两种不同的导体 a 和b 连接在一起构成一个闭合回路，当两个接点1 与2 处于不同的温度时( 见图2 2 ) ，如 果t t o ，在回路中就会产生热电动势e a b ，此神现象称为热电效应。导体a ，b 称为热电 极。测温时接点l 置于被测的温度场中，称为测量端，接点2 一般处在某一恒定温度，称 7 太原理工大学硕七研究生学位论文 为参考端。由这两种导体的组合并将温度转化成热电势的传感器称为热电偶。热电偶产 生的热电势e a b 是由两种导体的接触电势和单一的温差电势组成的。 1 ) 接触电势 由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。当两种不同的金属a 、 b 接触在一起对，在金属a 、b 的接触处会发生电子扩散。电子扩散的速度和自由电子的 t 日 固2 - 2 热电效应示意图 f i 9 2 2p y r o e l e c t r i ce f f e c ts c h e m a t i cd i a g r a m t 密度及金属所处的温度成正比。设金属a 、b 的自由电子密度分别为n a 和n b ，并且 n a n b ，在单位时间内由金属a 扩散到金属b 的电子数要比从金属b 扩散到金属a m 电子 数多，这样，金属a 因失去电子而带正电，金属b 因得到电子而带负电， 2 ) 温差电势 在一根匀质的金属导体中，如果两端的温度不同，在导体的内部会产生电势，这种 电势成为温差电势。温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由 电子的动能大，高温自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大。因此对导体 的某一薄层，温度较高的一边失去电子而带正电，温度较低的一边因得到电子而带负电， 从而形成了电位差。 2 、热电偶冷端湿度处理 在热电偶的分度表中或分度检定时，冷端温度都保持在o ；在使用时，往往由于 环境和现场条件等原因，冷端温度不能维持在o c ( t o o ) 。使热电偶输出的电势值产生 误差，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 1 ) 补偿导线法 热电偶的补偿导线和电缆主要用于将热电偶的热电动势延长至二次仪表或控制室， 一种类型的补偿导线只能同相应的热电偶配套使用，而且有正负极，极性不可以接反。 在工业现场一般采用此方法。主要有延伸型和补偿型两种补偿导线，延伸型采用与热电 8 太原理1 j 入学硕十研究生学侥论文 极相同的材料，所以精度较高；补偿型采用与热电极的热电势特性相势的材料，所以精 度没有延伸型高。 2 ) 计算修正法 当用补偿导线把热电偶冷端延长到某一温度乃处以后，由于乃通常是环境温度且有 t o o ，因此还需要对冷端温度进行修正。 假设被测温度为t ，热电偶冷端温度为t o ，所测得的电势值e a b 。根据中间温度定 则有： e a b ( t ，o ) 2e a b ( t ，瓦) + e 日( 瓦，o ) ( 2 1 ) 利用热电偶分度表先查出e a b ( t o ，0 ) 的数值，就可以计算出真实电势e a b ( t ， 0 ) 的数值，按照该值再查询分度表，即可得出被测温度t 。 2 3 2 系统热电偶的选型及检测方式 1 、热电偶的分类 热电偶的分度号有主要有s 、r 、b 、n 、k 、e ，j 、t 等几种。其中s 、r 、b 属于贵 金属热电偶，n 、k 、e 、j 、t 属于廉金属热电偶。以下介绍几种常用热电偶使用特点： s 分度号长期使用温度1 4 0 0 “ ( 2 ，短期1 6 0 0 “ c 。在热电偶系列中具有准确度最高，稳 定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性 及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。 n 分度号的特点是1 3 0 0 “ c 下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循 环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替s 分度号热电偶； k 分度号长期使用温度1 0 0 0 “ c ，短期1 2 0 0 “ c 。k 型热电偶具有线性度好，热电动势 较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化 性惰性气氛中，在所有热电偶中使用最广泛。 2 、热电偶保护管的种类 热电偶的材料有许多种，但构成基本相同，都由热电极材料、绝缘材料、保护材料 和引线装置等组成。热电偶一定要考虑炉子燃烧气氛，根据使用环境选用热电偶套管。 套管直径不宜过细或过粗。热电偶采用保护管有两种用途，一是防止机械损坏二是防 止各种有害介质的沾污和腐蚀，作保护管的材料主要有：铸铁套管，碳钢套管，奥低 太原理工大学硕士研究生学位论文 体不锈钢套管， 铁素体不锈钢套管，镍合金、镍铬铁合金等套管，陶瓷套管，碳化硅 套管，耐蚀合金套管和金属陶瓷套管等。 3 、系统热电偶的选型 根据炉温和炉子的气氛，以及分析热电偶的特点，系统选用了s 型热电偶( 铂铑1 0 一 铂热电偶) 和k 型热电偶( 镍铬一镍硅热电偶) 。其中分度s 热电偶选用高铝套管，分度k 的热电偶选用铁素体不锈钢套管。 蓄热式加热炉选用精度等级为i i i 级的热电偶，允许温度误差在1 - 2 “ c 。完全满足工 业加热炉工艺需要。 4 、温度测量点 根据瑞丰蓄热式加热炉的工艺要求，炉子分为三个控制段，即均热段、加热一段、 加热二段。需要测量的温度有六点炉温检测、蓄热箱温度检测、排烟温度检测、二点引 风机前温度检测。根据不同检测点温度的不同类型，各检测点具体的热电偶选型如表 2 一】： 表2 - 1 热电偶的选型 t a b l e 2 。1t h e r n l o c o u p l es h a p i n g 名称 检测点测量范围型号规格 t e l 0 1 铂铑一铂热电偶出钢温度 4 0 0 - 1 6 0 0 w r p - 1 2 0 分度号s t e l 0 2 铂铑一铂热电偶均热段温度 4 0 0 1 6 0 0 1 3w r p 1 2 0 分度号s t e l 0 3 铂铑一铂热电偶加热段温度 4 0 0 - 1 6 0 0 1 3w r p - 1 2 0 分度号s t e l 0 4 铂铑一铂热电偶进钢口温度4 0 0 - 1 6 0 0 帆p 一1 2 0分度号s t e l 0 5 铂铑一铂熟电偶空气蓄热箱温度 4 0 0 - 1 6 0 0 1 3w r p - 1 2 0 分度号s t e l 0 6 铂铑一铂热电偶煤气蓄热箱温度4 0 0 - 1 6 0 0 1 3帅p 一1 2 0分度号s t e l 0 7 镍铬一镍硅热电偶 均热段煤气排烟温度 0 - 1 0 0 0 1 3崃n - 2 2 0 分度号k t e l 0 8 镍铬一镍硅热电偶均热段空气排烟温度 o - i 0 0 0 帅n - 2 2 0 分度号k t e l 0 9 镍铬一镍硅热电偶加热段煤气排烟温度o 一1 0 0 0 1 3w r n 一2 2 0分度号k t e l l 0 镍铬一镍硅热电偶加热段空气排烟温度0 1 0 0 0 1 3w r n z 2 0分度号k 太原理工大学硕十研究生学位论文 5 、温度检测方框图 因为热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器或模块。而 s 7 3 0 0 的模拟量输入模块可专门设置为热电偶的输入( 如何设置将在第四章说明) ，所 以将热电偶检测的温度信号直接接到模块上即可。但当热电偶输出信号需要多路输出 时，不要并联仪表或模块，会影响传感器显示精度误差，须经过信号隔离器处理完成后 进入下一级信号处理。温度检测方框图2 - 2 ： 热电偶 图2 - 2 温度测量系统方框图 f i 9 2 2t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 4 系统压力信号的检测 在本系统中根据工艺需求主要选用的压力传感器为扩散硅压力传感器，而扩散硅压 力传感器是应变片式电阻传感器的一种。 2 4 1 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻 值相应发生变化。是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是 压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是会属电阻应变片和半 导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应 变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化 时，电阻应变片也一起产生形变，馒应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压 发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变 电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路( 通常是a d 转换和c p u ) 显示或执行机构。 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值 变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： ， p = 月丢 ( 2 - 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中：p 金属导体的电阻率： s 导体的截面积； i 导体的长度。 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化。 从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其 长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小 而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化( 通常是测量电阻两端的电压) ， 即可获得应变金属丝的应变情况。 如图2 3 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、 绝缘保护片和引出线等部分组成。 应变片式电阻传感器应变片为传感元件的传感器。具有以下优点： 1 ) 精度高，测量范围广； 2 ) 使用寿命长，性能稳定可靠； 3 ) 结构简单、尺寸小，重量轻，因此在测试时，对工件工作状态及应力分析影响 小： 4 ) 频率响应特性好，应变片响应时间短； 5 ) 可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境 条件下工作； 6 ) 应交片种类多、价格便宜。 保护层金属电阻应变丝 引线 l 图2 - 3 金属电阻应变丝的结构 f i 9 2 3m e t a lr e s i s t a n c es t r a i ns i l ks t r u c t u r e 太原理j r 大学硕士研究生学位论文 2 4 2 扩散硅压力传感器的选用 扩散硅压力传感器被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上( 不锈钢或陶瓷) ， 使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检 测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 扩散硅数字压力计是目前应用比较广泛的数字压力测量仪表它所采用的扩散硅压 力传感器具有体积小、灵敏度高、动态响应快、使用方便等优点。 2 4 ，3 系统压力传感器选型及检测 l 、压力传感器的选型 蓄热式加热炉测量压力介质为氮气、助燃空气、高炉煤气、炉膛压力、排烟压力、 蒸汽压力。根据加热炉工艺对压力传感器的量程和传感器类型进行了选型。系统采用两 线制扩散硅压力传感器对模拟电流信号进行远传。由于采压点距离比较远，施工难度大， 压力变送器采用就地安装方式，通过两芯电缆连接到控制室。对于压力波动较大和温度 较高的场合，采用阻尼管减少压力和温度对压力传感器的影响。信号输送采用配电器给 现场仪表供电，起到双隔离作用，减少现场仪表故障对控制核心的危害。 2 、压力检测点及检测方框图 根据加热炉的工艺控制要求，需要检测的压力有：煤气总管压力、空气总管压力、 炉压及氮气压力。压力传感器的选型如表2 2 表2 - 2 系统压力变送器的选型 t 曲l e 2 2t h e 口r e s s t l y et r a n s m i t t e rs e l e c t i o n 名称检测点测鼍范同型号 p t l 0 1 微差压变送器炉压 o - 2 0 0 p a11 5 1 d p , 2 f 1 2 m 1 8 1 p t l 0 2差压变送器煤气总管压力0 4 0 k p ab p 8 0 0 - a 1 3 i m p t l 0 3差压变送器空气总管压力0 1 6 k p ab p 8 0 0 一a 1 3 l m p t l 0 4 电接点压力变送器氮气压力 o - i m p ay c t 一1 5 0 3 、压力检测方框图 太原理工大学硕士研究生学位论文 压 力 图2 - 4 系统压力测量方框图 f i 9 2 4p r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 5 系统流量的检测 流量的检测是先通过节流元件一孔板产生差压，然后再由差压变送器将流体流过孔 板时所产生的压力差，按比例地变换成标准电流信号。 以下重点介绍孔板测量流量。 2 5 1 孔板 孔板的测量原理： 在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，当流体流经 节流件时就会造成局部收缩。在收缩处，流速增加，静压力降低，在节流件前后产生静 压差。实践证明，对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段，在一 定的流体参数情况下，节流件前后的差压差与流量q 之间有一定的函数关系。因此，可 以通过测量节流件前后的压差来测量流量。 流体通过孔板的流动情况如图所示，在i - i 截面前，流体尚未受节流件的影响，管 道内流速分布同节流件前较长直管段形成的规则速度分布( 称为充分发展管流) ，管道轴 心处的静压与管壁处的静压相等，i - i 截面后，流体开始受节流件的影响，靠近管壁的 流体向中心加速，平均流速v l 逐渐升高，直至i i - i i 截面( 孔板开孔后一定距离) ，流速 收缩到最小，平均流速达到最大值v 2 ，只是因为流体的惯性使得流束经孔口后有射流现 象；自i i i i 截面后，流束开始膨胀，直至i i i - i i i 截面，又恢复到i i 截面前的情况， 此时平均流速由v 1 逐渐降低至v 3 ，与平均流速相对应的静压p 亦经历由低到高再恢复到 低值。在流体进入节流件前、后的管壁附近形成涡流，流体微团不仅有横向脉动，而且 还有逆向运动，是一种非常复杂的流动状态，所以孔板的压力损失较高，