毕业设计--蓄热式步进加热炉电气控制系统设计.doc

安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 装 订 线 毕业设计(论文)任务书 课题名称蓄热式步进加热炉电气控制系统设计 学 院 电气信息学院 专业班级 姓 名 学 号 毕业设计（论文）的工作内容: : (1) 了解蓄热式步进加热炉的装置及其电气自动化结构； (2) 对炉区电气控制方案设计，完成蓄热式步进加热炉的电气控制系统设计； (3) 结合现有的文献资料，对本设计进行总结； (4) 完成 5000 字英文资料的翻译。 起止时间： 2013 年 2 月 24 日至 2013 年 6 月 8 日共 15 周 指指 导导 教教 师师 签签 字字 系系 主主 任任 签签 字字 院院 长长 签签 字字 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 页 装 订 线 摘 要 蓄热式步进加热炉具有规模大，炉内热值利用率高，板坯加热均匀等特点，是 现阶段轧钢生产中比较先进的加热设备。在轧钢生产过程中，保障加热炉的正常运 行，是整个热轧线生产系统经济、高效运行的基础。 本文首先对蓄热式步进加热炉的相关设备如：装出钢机、步进机械、装出炉辊 道以及板坯跟踪等进行了深入分析和研究，给出了具体的控制策略和算法。为了满 足高产、优质、低耗、节能和无公害及生产操作自动化程度高的工艺要求，本系统 设计在充分考虑到系统功能的完备性和技术先进性后，采用了仪电一体化的系统结 构。 为了实现操作自动化与物料系统的全线跟踪管理，本文设计将自动化控制系统 分为二级，即基础自动化控制系统级（简称 L1 级 PLC 控制级）与过程计算机控 制系统级（L2 计算机控制系统级） 。 在基础自动化级，本文着重对装炉侧电气控制，炉底步进机械控制，出炉侧电 气控制等进行了分析和设计；而后，对本文的主要动力来源液压系统以及板坯库、 其他单体设备等进行了简要的分析和探讨。最后针对热轧生产线电气控制系统中典 型的液压传动速度控制系统。 关键词： 蓄热式步进加热炉 仪电一体化的系统 电气控制 PLC 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 I 页 装 订 线 Abstract The walking beam heating furnace has large scale of productivity, high utilization of heating capacity and the uniformity of heating effect. It is one kind of the advanced heating furnaces. The electrical control system is the key to the high performance of the walking beam heating furnace. The paper has researched the related key equipment of walking beam regenerative reheating furnace, such as: loader machine, unloaded machine, walking system, series transfer roll. On this basis, the paper has given the specific control strategies and algorithms. Therefore, in order to meet the high-yield, high-quality, low consumption, energy saving and pollution-free and high automation requirements，we design the system of electromechanical integration. In the other side, in order to achieve automation and material tracking and management, we divided the automatic control system into two parts. They are basic automation system (L1-level PLC control) and process computer control system (L2 level). In the basic automation level, the paper analyzes and designs the electr ic control in charging sides and discharge side, step mechanical control in the bottom and so on .Then the paper discusses hydraulic systems which is the main power sources，slab yard, other individual equipments. Finally considering hydraulic speed control system in electrical control system of hot rolling production line, the paper has given model and Simulation. Keywords: Regenerative Warking-Beam Reheating Furnace; Electromechanical Integration; Electric Control; PLC 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 II 页 装 订 线 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT.II 目目 录录.III 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 研究背景1 1.2 国内外研究现状1 1.2.1 步进式炉的现状1 1.2.2 蓄热式炉的现状2 1.3 加热炉控制系统的概况2 1.3.1 PLC 及 DCS 控制技术3 1.3.2 全数字式传动技术的应用3 1.3.3 现场总线技术的应用3 1.3.4 计算机网络技术的应用3 1.4 本课题的主要研究工作4 第第 2 章章 加热炉本体系统和汽化冷却系统加热炉本体系统和汽化冷却系统5 2.1 加热炉本体系统电气控制5 2.1.1 助燃风机的控制5 2.1.2 煤气侧引风机的控制5 2.1.3 空气侧引风机的控制5 2.1.4 点火风机的控制5 2.1.5 煤气主管电动蝶阀的控制5 2.1.6 风冷管电动阀6 2.1.7 装钢机的控制6 2.1.8 出钢机的控制6 2.1.9 装料炉门升降装置的控制6 2.1.10 出料炉门升降装置的控制6 2.1.11 步进梁的控制7 2.2 加热炉本体系统仪表控制7 2.2.1 蓄热烧嘴燃烧控制7 2.2.2 炉膛温度调节8 2.2.3 空燃比控制调节8 2.2.4 炉膛压力调节8 2.3 汽化冷却系统电气控制8 2.3.1 循环泵的控制.8 2.3.2 给水泵的控制.8 2.3.3 软水泵的控制.8 2.4 汽化冷却系统仪表控制9 2.4.1 汽包水位调节.9 2.4.2 汽包压力控制.9 2.4.3 除氧器水位调节.9 2.4.4 除氧器压力控制.9 2.4.5 软水箱水位调节.9 2.5 本章小结9 第第 3 章章 电气自动化系统总体结构电气自动化系统总体结构10 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 页 第 III 页 装 订 线 3.1 加热炉基础自动化系统（L1） .10 3.1.1 主机及 PLC.10 3.1.2 操作站及远程 I/O11 3.1.3 软件开发平台.11 3.2 L2 级计算机系统12 3.2.1 硬件配置.12 3.2.2 计算机系统软件开发平台.12 3.3 加热炉温度控制系统13 3.3.1 系统工作原理.13 3.3.2 PID 控制器基本概念 13 3.3.3 闭环控制系统特点.14 3.4 PLC 的基本概念 15 3.5 本章小结17 第第 4 章章 炉区电气控制设计炉区电气控制设计18 4.1 加热炉电控的操作方式18 4.2 板坯库的电气控制18 4.3 装炉侧电气控制19 4.3.1 上料控制19 4.3.2 板坯称重及测量21 4.3.3 炉前辊道控制21 4.3.4 入炉定位辊道22 4.3.5 装钢控制25 4.3.6 装料炉门29 4.4 炉底步进机械电气控制29 4.4.1 步进梁升降30 4.4.2 步进梁平移31 4.4.3 步进梁周期动作32 4.4.4 步进梁的保护33 4.4.5 报警33 4.4.6 与其他设备的连锁34 4.5 出炉侧电气控制34 4.5.1 出钢控制34 4.5.2 出炉辊道控制37 4.5.3 出料炉门升降装置37 4.6 板坯跟踪38 4.6.1 跟踪断的划分38 4.6.2 辊道跟踪38 4.6.3 加热区跟踪39 4.6.4 跟踪转换39 4.7 辊道间的配合运行40 4.8 本章小结40 结论结论41 参考文献参考文献42 致谢致谢43 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 0 页 装 订 线 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 能源的竞争是钢铁工业正在面临的挑战，降低能源消耗、建立环境友好的钢铁 企业已经成为钢铁工业可持续发展的一个重要方面，也是钢铁工业利润增长的一个 重要的基础工作。中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议 中也提出， “十一五”期间单位国内生产总值能源消耗要比“十五”期末降低 20%左 右，重点抓好冶金、建材、化工、电力等行业的节能降耗工作。轧钢加热炉的能源 消耗约占冶金行业能源消耗的 10%左右，其中轧钢加热炉又占了 75%至 80%。中国冶 金行业的轧钢加热炉在产量、炉型结构、机械化、自动化水平及理论操作上与国外 还存在一定的差距，炉子吨钢燃耗高、效率低，造成了能源的极大浪费因此提高加 热炉效率、搞好加热炉节能工作，是降低轧钢生产成本，实现钢铁企业可持续发展 的有效方法之一。 因此，要想提高燃料利用率，降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质 量，从而充分创造整个轧线生产过程的经济效益，就要合理地选用加热炉。炉型结 构的选择：炉型结构是加热炉节能与否的先天性条件，因此在加热炉新建时应该尽 量考虑到加热炉节能的需要。炉型结构的新建或改造，要使燃料燃烧尽可能多的在 炉膛内发生，减少出炉膛的烟气热损失；要尽可能多的江烟气余热回收到炉膛中来， 提高炉子的燃料利用系数；尽量的减少炉膛各项固定热损失，提高炉子热效率。 减少炉膛热损失：炉膛热损失主要包括水冷、炉门辐射、逸气、炉衬散热等热 量损失。减少这部分热量可以大幅度降低单耗。 烟气余热的回收利用：造成大量热损失的主要原因还有烟道系统热损失及换热 器换热效率不高。 换热器的合理选择：燃烧器作为加热装置，越来越得到人们的重视，燃烧器的 技术进步也飞速发展，应用比较广泛，因此要选择加热质量和节能效果比较好的燃 烧器。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 步进式炉的现状 美国米兰德公司于 1967 年 4 月成功设计出了世界上第一座步进梁式加热炉。 同年 5 月由日本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的第二座步进梁式加热炉也成功面 世。从此加热炉进入了步进式炉的时代。 相对于其他炉型，步进梁式加热炉的优点显而易见。其具体优点如下： 钢料靠步进梁的运动在炉内通过，因此钢料之间可以留出间隙，不会产生粘 结，钢料之间空出一定间隙，还能缩短加热时间，对氧化、脱碳要求严格的钢料， 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 1 页 装 订 线 还因缩短在炉时间而能减少氧化和脱碳。 钢料和步进梁之间没有摩擦，避免钢料表面在加热过程中产生划伤。 炉子长度不受推钢长度的限制。 外形不太规整和厚薄不同的钢料在装护时不受限制。 炉内钢料在必要时可以利用步进机构全部出空或退空，修炉时可以缩短停炉 时间，减轻出空炉子的劳动强度，待轧时可将钢料倒退一段距离，这样避免了出料 端钢料的冷却和氧化、脱碳。 通过改变钢料之间的间隙、步进梁的水平行程和步进周期的时间，使加热操 作比较灵活。例如当炉子产量降低时可将钢料间距加大，减少炉内装料量，但钢料 在炉内加热的时间不变。 我国的钢铁生产起步较晚，在建国后虽有所发展，但受历史和技术原因，七十 年代仍处于世界落后。八十年代后，在国家经济建设的号召下，大量引入外国先进 技术，国内钢铁生产有了长足进步。至今为止北京钢铁设计研究总院已经设计投产 了 40 余座步进炉，已遍及热连轧、型钢、棒线材、带钢、无缝管、开坯、锻压等 钢厂以及钢带厂，1994 年相继投产的太钢、梅山热连轧厂的步进梁式炉，额定产量 分别为 180t/h 和 280t/h，重庆钢铁设计研究院为攀钢 1450 热连轧厂设计的步进梁 式炉，额定产量为 150t/h，也在 1992 年投产。从此国内进入步进式加热炉的时代。 1.2.2 蓄热式炉的现状 国外蓄热式加热炉的应用概况 用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术, 早在 19 世纪中期就开始应用于 高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子, 但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热 体、传热效率低、蓄热室体积庞大, 其换向阀结构复杂、效率比较低, 换向周期长, 因此没有得到重视。由于 20 世纪 70 年代的能源危机后, 节能工作得到各个国家 的重视, 加之科学技术的不断进步出现了结构简单、控制方便、可靠性强的换向系 统。1982 年英国 Hot Work Development 公司和 British Gas 研究院合作, 成功 开发出第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，节能效果显着。近 10 年来蓄热式燃烧技术得到长足发展, 很多国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热 式燃烧技术以及高风温燃烧技术。 国内蓄热式加热炉的应用概况 我国蓄热式加热炉的开发研究虽然起步较晚，但在国内科研院和轧钢企业的共 同推动下得到了蓬勃发展。 1.3 加热炉控制系统的概况 目前加热炉生产控制系统广泛应用有以下主要技术： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 2 页 装 订 线 1.3.1 PLC 及 DCS 控制技术 随着时代的进步和自动化控制技术的不断发展，PLC 和 DCS 已经成为工业生 产中应用最为广泛的控制系统，它将计算机网络技术应用到基础自动化级和过程控 制管理级中同时还采用了 Field Bus 现场总线技术进行通讯。在以前，对于大规模 的系统通常采用 PLC 作为其电控系统部分，而采用 DCS 作为其回路控制即过程 量控制。近年来 DCS 增强了逻辑控制的功能，同样 PLC 也加强了回路控制的功 能，且彼此能互相覆盖。但对于加热炉来说通常采用 DCS 来控制仪表系统，因为 仪表系统的控制比较复杂，而开关量的控制却相对简单。电气控制系统则对 PLC 的 开环模拟量循环控制周期、采样刷新周期、模拟量分辨等有严格的要求。因此要保 证步进梁的检测控制精度，减少坯料从入炉到出炉的跟踪误差，最好采用高速 PLC 优化软件设计，以保障系统的正常运行。 1.3.2 全数字式传动技术的应用 全数字直流调速技术随着电子信息技术的发展而日趋完善。由于其具有模拟系 统无法比拟的优点，即高智能化的数字系统，使其具备了高性能的静、动态特性以 及可靠性高，体积小，免维护，调试方便等特点。让其成为近几年各工业生产环节 中最为广泛应用的调速装置。如今全数字化的交流逆变装置和全数字化的可控硅整 流装置己经彻底替代了原来的模拟控制的直交流供电装置。 1.3.3 现场总线技术的应用 现场总线有人把它定义为数字化、开放式、多点通信技术；也有人把它称为应 用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统。因此， 现场总线既是自控系统，又是通信网络。首先作为自动化系统，它在系统结构上发 生了非常大的变化，是一种由网络集成的自动化系统。所以它的最显著特点是通过 网络信号的传送联络，由单个节点或者多个网络节点来共同完成所要实现的控制功 能。其次作为通信网络，它所传送的是开关阀门，接通、关断电源的指令与数据， 直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号能够在电磁干扰、 噪声、粉尘等较为恶劣的环境下准确、及时地到位，同时还要具备报文简短、节点 分散等特征。 1.3.4 计算机网络技术的应用 计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备， 通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和 协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。通俗地讲就是由多台计算机（或 其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的。总 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 3 页 装 订 线 的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、网络操作系统、传输介质（可以是 有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是看不见的电磁波）以及相应 的应用软件四部分。计算机网络的发展经历了面向终端的单级计算机网络、计算机 网络对计算机网络和开放式标准化计算机网络三个阶段。计算机网络的功能主要表 现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三个方面。 1.4 本课题的主要研究工作 蓄热式步进加热炉具有规模大，炉内热值利用率高，板坯加热均匀等特点，是 现阶段轧钢生产中比较先进的加热设备。在轧钢生产过程中，保障加热炉的正常运 行，是整个热轧线生产系统经济、高效运行的基础。 查阅现有文献对蓄热式步进加热炉的相关设备如：装出钢机、步进机械、装出 炉辊道以及板坯跟踪进行初步的研究和分析，提出了相关的控制策略和算法。设计 实现操作自动化与物料系统的全线跟踪管理，着重对装炉侧电气控制，炉底步进机 械控制，出炉侧电气控制等进行了分析和设计。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 4 页 装 订 线 第 2 章 加热炉本体系统和汽化冷却系统 2.1 加热炉本体系统电气控制 2.1.1助燃风机的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 联锁控制要求：风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。 2.1.2 煤气侧引风机的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 联锁控制要求：风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。 2.1.3 空气侧引风机的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 联锁控制要求：风机运行过程中如有系统故障时，自动停机。 2.1.4 点火风机的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 2.1.5 煤气主管电动蝶阀的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 5 页 装 订 线 2.1.6 风冷管电动阀 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停止条件满足后，点击停止按钮。 2.1.7 装钢机的控制 坯料装钢机主要由托料杆、托料杆平移机构、托料杆升降机构等组成。 在满足允许装坯料条件下，按照下列顺序进行控制： 前进推钢（推正）推正后退上升（托钢）前进（送钢）下降（放钢） 后退。 装钢机退回原始位置完成一次装钢过程。当装钢机到达中后位时，发出关闭装 钢炉门命令。 2.1.8 出钢机的控制 出钢机主要由托料杆、托料杆平移机构、托料杆升降机构等组成。运行动作： 前进：首先半开出钢炉门，出钢机托料杆由原始位置开始向炉内快速移动，当 接近坯料时减速并最后停在目标位置。 上升：出钢机升降电机动作，托料杆上升将固定梁上的坯料托起，同时出钢炉 门全开。 后退：出钢机后退，将托料杆上托起的坯料运出炉外，并发出关闭出钢炉门命 令。 下降：出钢机托料杆下降，将坯料放到辊道上，返回原始位置，完成整个出钢 动作。 2.1.9 装料炉门升降装置的控制 当收到装钢炉门开启命令时炉门开始上升；当收到装钢炉门关闭命令时炉门开 始下降。 2.1.10 出料炉门升降装置的控制 当收到出钢炉门开启命令（在出钢机发出托钢指令的同时发出开启出钢炉门命 令） 时炉门开始上升；当收到出钢炉门关闭命令（出钢机完成一次出钢过程向原始 位置退回过程中，到达中后位时发出出钢炉门关闭命令）时炉门开始下降。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 6 页 装 订 线 2.1.11 步进梁的控制 步进梁的运行方式有： （1）正循环： 步进梁从原始位置（后下位）开始上升前进下降后退回到原始位置， 完成一个正循环，使坯料前进一步，这是通常采用的运转方式。 （2）逆循环： 步进梁从原始位置（后下位）开始前进上升后退下降回到原始位置， 完成一个逆循环，使坯料后退一步，这是故障时采用的手动运转方式。 步进梁的运动控制。 步进梁的基本动作分为升降运动及水平运动，运动速度由液压系统比例阀来控 制，步进梁的运动极限位置以及运动速度改变点（位置）分别由升降缸内置线性位 移传感器和平移缸内置线性位移传感器来确定。 2.2 加热炉本体系统仪表控制 该加热炉分三段控制，即预热段、加热段、均热段。 2.2.1 蓄热烧嘴燃烧控制 每个蓄热烧嘴通过 4 个快切阀控制换向（空气快切阀、煤气快切阀、空气侧排 烟快切阀、煤气侧排烟快切阀） ，每个快切阀带一个气缸，每个气缸有开、关限位， 为保证同步，空、煤气快切阀共用一个电磁阀，空、煤气侧排烟快切阀共用一个电 磁阀，空、煤气侧排烟快切阀带有温控开关，排烟温度过高时自动切断。 分时间换向和手动换向两种模式。 换向过程： （1）开始状态，所有快切阀状态为关，有关到位信号；压缸驱动， （2）燃烧周期 燃烧状态：确认排烟快切阀处于关闭状态。打开空、煤气燃烧电磁阀，空、煤 气快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为 1s，正常有开到位信号，开关时间超过 2s 没有开到位信号，则报警。 燃烧关闭：关闭空、煤气电磁阀，空、煤气快切阀同时关闭，快切阀开关时间 一般为 1s，正常有开到位信号，开关时间超过 2s 没有开到位信号，则报警。此时排 烟快切阀也为关闭状态。 （3）排烟周期 排烟状态：确认燃烧快切阀处于关闭状态。打开空、煤气排烟电磁阀，空、煤 气排烟快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为 1s，正常有开到位信号，开关时间 超过 2s 没有开到位信号，则报警。 排烟关闭：关闭空、煤气排烟电磁阀，空、煤气排烟快切阀同时关闭，快切阀 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 7 页 装 订 线 开关时间一般为 1s，正常有开到位信号，开关时间超过 2s 没有开到位信号，则报警。 此时燃烧快切阀也为关闭状态。 时间换向：正常换向都是时间换向，一个换向周期分四段：燃烧时间、燃烧停 止时间、排烟时间、排烟停止时间。每个时间可由系统和人工设定。换向周期调试 时确定。 强制换向：由操作人员或系统，在没有完成换向周期时，强制结束。 2.2.2 炉膛温度调节 通过各段的煤气流量调节阀进行调节。 2.2.3 空燃比控制调节 通过各段的空煤气流量调节阀进行调节。根据各段煤气流量，调整各段空气流 量调节阀，使空气量与煤气量匹配。 2.2.4 炉膛压力调节 通过每段烧嘴的排烟来调节炉膛压力。 2.3 汽化冷却系统电气控制 2.3.1 循环泵的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动联锁关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。 2.3.2 给水泵的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动联锁关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。 2.3.3 软水泵的控制 控制方式：就地；集中手动。 启动控制条件：启动联锁关系满足后，点击启动按钮。 停止控制条件：停机联锁关系满足或停止条件满足后点击停止按钮。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 8 页 装 订 线 2.4 汽化冷却系统仪表控制 2.4.1 汽包水位调节 汽包水位调节由汽包给水流量调节阀进行汽包水位三冲量自动调节，使得给水 流量随着负荷的变动调整得当。 2.4.2 汽包压力控制 检测汽包压力，将此作为汽包压力指示调节计的输入信号，以保持汽包压力固 定在一定范围之内。 2.4.3 除氧器水位调节 由除氧器给水流量调节阀进行除氧器水位自动调节，保持除氧器水位固定在一 定的范围内。 2.4.4 除氧器压力控制 检测除氧器压力，将此作为除氧器压力指示调节计的输入信号。通过蒸汽量的 控制保持除氧器压力固定。 2.4.5 软水箱水位调节 由软水箱进水流量调节阀进行软水箱水位自动调节。为保持软水箱水位保持在 一定的范围内而进行给水量的控制。 2.5 本章小结 本章详细介绍了加热炉的本体系统和汽化冷却系统的电气控制及其仪表控制。 加热炉本体系统从助燃风机的控制、煤气侧引风机的控制、空气侧引风机的控 制、点火风机的控制、煤气主管电动蝶阀的控制、风冷管电动阀、装钢机的控制、 出钢机的控制、装料炉门升降装置的控制、出料炉门升降装置的控制、步进梁的控 制等介绍其电气控制；从蓄热烧嘴燃烧控制、炉膛温度调节、空燃比控制调节、炉 膛压力调节等介绍其仪表控制。 汽化冷却系统从循环泵的控制、给水泵的控制、软水泵的控制等介绍其电气控 制；从汽包水位调节、汽包压力控制、除氧器水位调节、除氧器压力控制、软水箱 水位调节等介绍其仪表控制。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 9 页 装 订 线 第 3 章 电气自动化系统总体结构 本加热炉自动化控制系统分为二级。L1 级：即电控和仪控系统，主要完成加热 炉区的顺控、装出钢机的 APC 控制、步进梁控制、板坯的定位控制和坯料跟踪、 汽化冷却系统、板坯称的设备控制、液压站的设备控制、加热炉燃烧控制、介质的 测量和控制等。L2 级：计算机控制系统，主要完成加热炉炉内的坯料跟踪、自动燃 烧控制/数据设定、生产数据管理、实绩数据处理、以及画面和报表等功能，来满足 工艺和设备的控制要求。 3.1 加热炉基础自动化系统（L1） 3.1.1 主机及 PLC 基础自动化控制系统（L1 级）采用美国 GE PLC 的和 i 7 RXPACSystemsTM Versa Max 分布式 I/O 用于加热炉电气、仪表控制系统。与i 7RXPACSystemsTM Versa Max 分布式 I/O 站之间，通过 90-70 系列智能 I/O 总线控制器（GBC）与 Versa Max Genius 接口单元（NIU）的 Genius 总线通讯；Versa Max 分布式 I/O 站之间，均采用 Versa Max Genius 接口单元（NIU） 的 Genius 总线通讯；仪表、 电气的 控制器均通过以太网与 GE 的交换机连接，并通过交换 i 7 RXPACSystemsTM 机与 HMI 的服务器连接，从而构成仪表、电气一体化控制系统。I/O 量考虑 15% 备用量，每台 PLC 中每种 I/O 点至少备用 1 点，重要的输出点采用隔离方式。 CPU 负荷率60%，采用 EPROM 存储卡。PLC 装置设主站和远程 I/O 站，主站 内配置 CPU 模块，通信模块和 I/O 接口模块，远程站内配置通信模块，远程 I/O 接口模块，主站和远程 I/O 站之间采用 profibus 现场总线通信，如通信距离大于 150m 则采用光缆。 为此整个 L1（基础自动化控制系统）设 11 套 PLC 控制系统： PLC01：1 号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。 PLC02：1 号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。 PLC03：2 号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。 PLC04：2 号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。 PLC05：3 号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。 PLC06：3 号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。 PLC07：4 号炉装、出钢机，步进机械，泵，电动阀等设备控制。 PLC08：4 号炉温度、压力、流量控制，汽化冷却系统监控。 PLC09：炉区辊道控制、核对辊道称重装置控制。 PLC010：板坯库辊道控制。 PLC011：炉区公辅设施，包括 14 号炉的助燃风机及阀门、给水除氧泵站、 板坯称液压站。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 10 页 装 订 线 加热炉电控 PLC 系统主要控制装钢机、出钢机、装料炉门、出料炉门、步进 梁、液压站等设备的各种信号、数据的采集，输入输出信号的变换、处理、显示联 锁报警、逻辑控制等功能。集中水泵站 PLC 系统主要完成对集中水泵站、液压站、 风机的监视和控制。辊道 PLC 主要完成对炉前辊道、炉后辊道的设备控制。设置 2 台编程器，用于 L1 系统组态、程序编制、系统维护等。 3.1.2 操作站及远程 I/O 操作站采用服务器/客户端结构，服务器和客户端之间采用 TCP/IP 协议的以太 网连接。客户端作为操作站。设置 2 台加热炉区 HMI 服务器，安装在基础自动化 室内。基础自动化室设置 2 台工程师站。入炉操作室设置 2 套 HMI 操作站。加 热炉操作室设 9 套 HMI 操作站，分别对 14 号加热炉的仪表-电气进行集中监 控和操作（每台操作站均可对 14 号加热炉仪表、电气进行操作） ；14 号加热 炉基础自动化控制系统（L1 级）的操作站和服务器，以及二级计算机（L2 级）均 建立在同一个以太网上，共同构成三电自动化控制系统。基础自动化控制系统（L1 级）与二级计算机（L2 级）通过以太网进行通讯。除必须直接送 PLC 的信号除外， 高温环境的现场检测和控制信号通过设置在现场的远程 I/O 送控制室的各 PLC，现 场仪表设备的检测和控制信号通过设置在现场的远程 I/O 送控制室的各 PLC。PLC 主站均设置在加热炉出口侧控制室内。远程 I/O 选用 Versa MAX，远程 I/O 站的 设置地点有：加热炉电气室、加热炉操作室、板坯库管理室、炉体平台、炉底液压 站、炉底、热水循环泵站、排烟风机室、现场装炉侧、现场炉后侧、现场上料侧、 现场卸料侧、称重液压站、给水除氧泵站、助燃风机房。 操作站的主要功能：数据采集、数据管理、参数设定、板坯跟踪显示、运转监 控（包括含运转准备） 、设备模拟显示、事件记录、辅助设备操作。 3.1.3 软件开发平台 PLC 的开发工具为 GE 公司的 ME 软件，工程师站和 i 7 RXPACSystemsTM HMI 操作系统为 Windows XP。HMI 数据服务器系统采用 Windows Server2003， 开发软件为 Wonder ware 公司的 In touch。Wonder ware 公司成立于 1987 年，是 在制造运营系统率先推出 Microsoft Windows 平台的人机界面(HMI) 自动化软件的 先锋。世界第一家推出组态软件的公司。In Touch HMI 软件用于视化和控制工业生 产过程。它为工程师提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速 地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。In Touch 软件是一 个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中 的各种自动化设备提供了连接能力。In Touch 包含三个主要程序，它们分别是“In Touch 应用程序管理器、 ”Window Maker 以及 Window Viewer。 “In Touch 应用程 序管理器”用于组织管理创建的应用程序。它也可以用于将 Window Viewer 配置 成服务、为基于客户端和基于服务器的架构配置“网络应用程序开发”(NAD)，以 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 11 页 装 订 线 及配置“动态分辨率转换”(DRC)。DB Dump 与 DB Load 数据库实用程序也从 “应用程序管理器”启动。Window Maker 是一种开发环境，在其中可以使用面向 对象的图形来创建富于动感的触控式显示窗口。这些显示口可以连接到工业 I/O 系 统以及其它的 Microsoft Windows 应用程序。Window Viewer 则是一种运行时环境， 用于显示在 Window Maker 中创建的图形窗口。Window Viewer 可以执行 In Touch Quick Script、执行历史数据记录与报告、处理报警记录与报告，并同时可以充当 DDE 与 Suite Link；通讯协议的客户端和服务器。 Wonder ware In Touch 和其它人机界面软件相比，主要特点是： 经过了完备的测试和运行考验。目前世界上有数十万套的 In Touch 系统在 运行，因而该软件的可靠性和稳定性是非常高的。 最大限度的开放性。In Touch 的运行环境是 Win98/95/NT，基本的通讯格式 包括“快速 DDE”和 Suite Link。其中, 快速 DDE 兼容微软的 DDE，因此许多 Win95/98/NT 下运行的软件都可以与 In Touch 直接通讯。为了与其他设备通讯，In Touch 提供了广泛的通讯协议转换接口I/O Server，能方便地连接到各种控制设 备，包括：Siemens、Modi con 等。甚至，也可以利用第三方 Server。In Touch 还 提供了一个工具软件，帮助编写通讯协议转换软件。 它具有强大的网络功能，通过传统的 DDE 和扩展的 Net DDE 的方式，可 与本机和其它计算机中的应用程序实时交换数据。另外，它支持标准的 ActiveX 技 术，使得用户可以轻松地为自己的应用程序开发各种网络多媒体功能。 数据库功能。In Touch 除了自身带有数据库以外，还支持 SQL 语言，可以 方便地与其他数据库连接。同时，它支持通过 ODBC 访问各种类型的数据库，便 于系统的综合管理。 3.2 L2 级计算机系统 3.2.1 硬件配置 L2 级过程计算机系统由一台工程师开发工作站、两台 PC 服务器（作为计算 机过程控制系统主机，主要完成加热炉的材料跟踪、数据处理及数据通讯、班管理、 自动燃烧控制计算、报表打印等功能。 ） 、操作员客户机和网络打印机组成。在计算 机室中放置 L2 开发工作站用于 L2 系统的开发和维护，工艺技术人员可以对模型 进行维护和检验。操作员终端主要用于生产控制和板坯的跟踪管理。L2 级计算机通 过采用基于快速工业以太网及 TCP/IP 协议的 SOCKET 与其它 L2/L3 计算机之间 进行数据通讯；客户机与 HMI 服务器之间、L1 级 PLC 与 L2 计算机之间、L2 级与 HMI 服务器之间均采用交换式快速工业以太网进行通讯。HMI 是与 L1 共用。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 12 页 装 订 线 3.2.2 计算机系统软件开发平台 全部软件运行于 WINDOW 操作系统下。服务器端应用软件的开发工具采用 Microsoft Visual Studio.Net，数据存储采用 Oracle 数据库。HMI 数据服务器及 HMI 操作终端的开发软件为 Wonder ware 软件。 3.3 加热炉温度控制系统 3.3.1 系统工作原理 加热炉温度控制系统基本构成如图 3.1 所示，它由 PLC 主控系统、固态继电器、 加热炉、温度传感器等 4 个部分组成。 图图 3.13.1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制系统基本组成 加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号， PLC 主控系统内部的 A/D 将送进来的电压信号转化为西门子 S7-300PLC 可识别的数 字量，然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算 处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而 使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中 PLC 主控系统为 加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。 3.3.2 PID 控制器基本概念 PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控 制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理 论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不 能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用 PID 控制技术。 （1）比例（P）控制 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 43 页 第 13 页 装 订 线 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关 系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。 （2）积分（I）控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控 制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称 有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差,在控制器中 必须引入“积分项” 。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积 分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控 制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI) 控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比 关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是 由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即 在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前 使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对 有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动 态特性。 3.3