基于蓄热式加热炉PLC控制系统设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第I页 蓄热式加热炉 PLC 控制系统设计 摘要 能源危机日益加深 因此对节能的研究便成为世界各国关注的主要课题 蓄热式 加热炉是应运而生的一种新型加热炉 它采用高温空气燃烧技术 大大提高了热回收 率 节能环保 加热炉是冶金企业最主要的耗能设备 其自动控制策略是过程控制领 域内的一个重要研究方向 现在我国许多钢铁企业中的加热炉还没有实现自动控制 存在着大量的人工操作 而蓄热式加热炉必须采用高频换向阀 频繁换向控制 人工 手动操作显然是不切合实际的 所以对自动控制的要求也相应提高 如何按照工艺的 要求并实现自动控制且达到良好的控制效果也是十分关键的 PLC 作为新一代的工业 控制装置 已经在电气控制系统中得到普遍应用 它不仅能实现复杂的逻辑控制 还 能完成各种顺序和定时的功能 并且可靠性高 本文根据蓄热式均热炉的工艺流程和 工艺要求 详细阐述了对蓄热式均热炉炉温控制系统的设计过程 结合 PLC 控制技术 实现自动控制且达到良好的控制效果 关键词 蓄热炉 PLC 控制 ProTool 监控 辽宁科技大学本科生毕业设计 第II页 Regenerative furnace PLC control system design Abstract The energy crisis deepening therefore the research of energy conservation and become the world attention 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 automatic control strategy is the process control in the area of an important research direction Now China s 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 of 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 industrial 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 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 effect Key words regenerative furnace PLC control ProTool monitoring 辽宁科技大学本科生毕业设计 第III页 目录 1 绪论 1 1 1 均热炉简介 1 1 2 蓄热式均热炉工艺 2 1 2 1 高温空气燃烧技术简介 2 1 2 2 蓄热式均热炉工作原理 4 1 3 国内外对加热炉控制研究现状 5 1 3 1 国外研究现状 5 1 3 2 国内研究现状 6 1 4 蓄热式均热炉控制的关键问题 8 2 可编程控制器的原理及应用 9 2 1 PLC 的基本构成 9 2 2 PLC 的工作原理 9 2 3 西门子 PLC 和 S7 300 简介 10 2 3 1 西门子 PLC 简介 10 2 3 2 S7 300 简介 11 3 控制方案制定 13 3 1 压力控制系统方案确立 13 3 2 换向控制系统方案确立 14 3 2 1 换向系统概述 14 3 2 2 换向控制功能 15 辽宁科技大学本科生毕业设计 第IV页 3 2 3 换向装置空转状态 15 3 3 本章小结 16 4 蓄热式均热炉控制系统软硬件配置 17 4 1 控制系统硬件配置 17 4 2 人机界面监控系统 18 4 2 1 监控软件 ProTool 简介 18 4 2 2 监控系统的基本功能 19 4 3 下位 PLC 系统 21 4 4 本章小结 22 5 PLC 控制系统 23 5 1 PLC 的编程语言 23 5 1 1 PLC 的编程方法 23 5 2 人机界面监控系统 24 5 2 1 炉膛温度控制运行结果及分析 24 结论 26 致谢 27 参考文献 28 附录 29 辽宁科技大学本科生毕业设计 第V页 辽宁科技大学本科生毕业设计 第1页 1 绪论 随着世界人口的不断增长以及国民经济的迅速发展 能源危机日益加深 在 1973 年发生一次石油危机以后 开发新能源和节能的研究便成为世界各国关注的主要课题 冶金工业是耗能大户 其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的 25 因此 提高加热 炉热效率 降低能耗 对整个钢铁工业节能有重要意义 在国内外都得到了广泛的重 视 现代的轧机正向连续 大型 高速 高精度和多品种方向发展 对钢坯加热质量 的要求也越来越高 从而也对加热过程的控制提出了更高的要求 自 70 年代中期以来 各先进工业国开始对各种燃烧设备的自动控制进行了广泛深入的研究 加热炉是轧钢生产能源消耗的主要设备 在保证轧钢产品质量的同时 如何降低 加热炉的燃料消耗和减少环境污染 是钢铁企业研究的重要课题之一 加热炉燃烧过 程控制技术在国内外都得到了广泛的重视 蓄热式加热炉采用 20 世纪 80 年代新兴的 节能环保燃烧技术 高温空气燃烧技术 是加热炉发展的趋势 目前加热炉燃烧过程普遍存在的能耗高 温度控制精度差 自动化程度低等问题 本论文以蓄热式均热炉为例 对蓄热式均热炉按照温度设定曲线烘烤控制 炉膛压力 控制 换向过程控制等方面进行深入研究 实现了所有燃烧过程的全自动化控制 1 1 均热炉简介 初轧是钢铁工业的一个重要环节 炼钢浇注的钢锭大部分经初轧 开坯后才能轧 制成材 而钢锭必须经过均热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往初轧机进行轧制 它在间歇性的炼钢生产变为连续性初轧生产之间起缓冲 平衡作用 均热炉是初轧厂 中钢锭加热用的设备 它将冷 热钢锭加热到轧制要求的温度 并使其温度均匀 均 热炉操作直接影响到钢坯的产量 质量和成本 为了充分发挥初轧机的生产能力 有 必要增强对均热炉的控制 均热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时 还要考虑高效及经济地燃烧 当均热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时 采用何种合理有效的控制 手段 仍然能使加热炉内的炉膛温度 炉膛压力 排烟温度等参数稳定在控制范围之 内 并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内 辽宁科技大学本科生毕业设计 第2页 1 2 蓄热式均热炉工艺 众所周知 用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术 但由于其换向阀结构 复杂 体积庞大 控制系统不可靠 换向时间长 效率比较低 因此没有得到重视 20 世纪 70 年代的能源危机后 节能工作开始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 蓄热式均热炉采用 现代燃烧技术 即高温空气燃烧技术 具有节能 环保 降耗 提高钢坯质量等优点 是均热炉发展的趋势 1 2 1 高温空气燃烧技术简介 高温空气燃烧技术 High Temperature Air Combustion 简称 HTAC 是 20 世纪 90 年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术 它是将高温空气喷入炉膛 维持低氧状态 同时将燃料输送到气流中产生燃烧 空气温度预热到 800 1000 以 上 燃烧区空气含氧量在 2 4 与传统燃烧过程相比 高温空气燃烧的最大特点 是节省燃料 减少 CO2 和 NOx 的排放 降低燃烧噪音 被誉为 21 世纪关键技术之一 这项技术所产生的节能和环保的效果是划时代的 被国际权威专家誉为今后五十年内 没有超越它的节能环保技术 工业炉窑是热加工生产的主要设备之一 也是能源消耗大户 多年来 工程技术 人员一直在炉体结构 燃烧器 回收烟气余热 优化加热工艺 控制技术和管理及采 用新型保温材料等方面寻求各种节能措施 以提高炉子的热效率 从炉窑热平衡分析 可以得知 高温烟气带走的热量占各种燃料炉供给总热量的 30 50 1858 年 William Siemens 发明了蓄热室 由于蓄热室可以将空气预热至较高温度 所以许多炉 子都改用了蓄热室 如高炉 平炉和均热炉等 蓄热室的发展经历了 传统蓄热室 填充 球蓄热室 蜂窝体蓄热室 的过程 到目前为止 根据蓄热体的形状划分 蓄热室主要有 三种形式 如图 1 1 所示 1 格子砖蓄热室 格子砖蓄热室 图 1 1a 虽然能将气体预热到很高的温度 并且余热回收率甚至可达 到 60 80 但由于采用的格子砖蓄热体的单位体积换热面积比较小 同时需要的换 向时间也很长 除此之外被预热气体的温度波动较大 建造这样的蓄热室需要的费用 辽宁科技大学本科生毕业设计 第3页 也较大 因此这种蓄热室一般只用于大型的高炉上 对较小的设备显然是很不经济的 由于上述诸多原因 该种蓄热室技术没有得到大面积的推广应用 a 格子砖蓄热室 b 陶瓷球蓄热室 c 蜂窝体蓄热室 图 1 1 三种蓄热形式 2 陶瓷球蓄热室 1982 年英国的 British Gas 公司和 Hot Work 公司开发出了世界上第一套蓄热式陶 瓷燃烧器 Regenerative Ceramic Burner 简称 RCB 并将其成功地用于玻璃窑炉上 取得了显著的节能 增产效果 随后 美国的北美制造公司 North American Manufacturing Company 购买了 RCB 的生产专利 并迅速将其用于轧钢加热炉 热处 理炉 锻造炉 铝熔化炉及钢包加热等场合 这一时期 用于烟气余热回收的蓄热室 使用的蓄热体是直径为 15mm 左右的氧化铝陶瓷球 图 1 1b 这种蓄热式燃烧器总是成 对出现 烧嘴的换向时间为 40 秒 90 秒 氧化铝陶瓷球在材质 结构 换热面积等方 面有了重大的技术性的进步 增加了单位体积的换热面积 助燃空气预热温度一般可 达 1000 以上 燃料节约率达到 40 50 事物总是相对的 有利必有弊 由于空 气预热温度提高了燃烧空间的温度 燃烧产物中 NO 的浓度提高达到 300ppm 500ppm 后来人们也把这一时期的蓄热式燃烧技术称为 第一代蓄热式燃烧 技术 3 蜂窝体蓄热室 20 世纪 90 年代初日本政府出资 150 亿日元 组织科研院所和生产企业开展 高效 工业炉开发 的研究 日本学者田中良一等人提出高温空气燃烧 HTAC 的概念 高温空 气燃烧技术 在欧洲称为无焰燃烧 Flameless Combustion 技术 是一种新型燃料工业 辽宁科技大学本科生毕业设计 第4页 规模应用技术 其基础是在高温和稀薄氧气气氛下燃烧 其核心是用陶瓷蜂窝体 图 1 1c 代替陶瓷球作为蓄热体 缩短换向时间至 25 秒 50 秒 采用炉内烟气再循环或两 段燃烧方式 降低燃烧空间中氧气的浓度 创造低氧条件 以降低烟气中 NOx 的含量 高温空气燃烧技术也被称为 第二代蓄热式燃烧技术 与第一代蓄热式燃烧技术相比 HTAC 技术可最大限度地回收高温烟气的热量 其烟气的余热回收率达到 85 以上 热效率大大提高 同时通过将燃烧区的空气中氧含量由 21 降到 2 4 避免了高温 空气燃烧中 NOx 的大量生成 交替换向时间的缩短使炉内温度分布更加均匀 提高了 产品的加热质量 陶瓷蜂窝体比陶瓷球有更大的单位体积换热面积 更有效流通截面 积 使得蓄热式燃烧器体积大大缩小 便于安装应用 1 2 2 蓄热式均热炉工作原理 蓄热式燃烧器是一对带蓄热体的烧嘴 蓄热体可与烧嘴布置为一体 也可置于蓄 热室内与烧嘴分开 该烧嘴在自动换向系统的控制下 可实现精确的定时定温换向工 作 烧嘴必须成对出现 并排安装在炉窑上 工作时 一个烧嘴燃烧 另一个烧嘴充 当烟气的回收装置 其工作原理如图 1 2 如图中模式 a 现在是 A 侧鼓风进空气 B 侧引风排烟的工作状态 炉膛内热烟气由引风机抽出 通过 B 侧蓄热体时将热量储存 在蓄热体内 然后以低于 150 的低温烟气经过换向阀由排烟管道排出 同时 来自鼓 风机的常温助燃空气由换向阀进入 A 侧通道 通过蓄热体时迅速被加热 在极短时间 内达到接近炉膛温度 一般为炉膛温度的 80 90 煤气由通断阀向稀薄高温空气 附近注入 在贫氧状态下实现燃烧 当 B 侧的蓄热体储存一定热量后 通过程序控制 换向阀自动 换向变为模式 b 常温助燃空气变为由 B 侧通道经蓄热体进入 热烟气从 A 侧通道排 出 如此循环 两个蓄热体自动进行蓄热与放热状态的切换 从而达到节能和环保的 目的 辽宁科技大学本科生毕业设计 第5页 a 模式 a b 模式 b 图 1 2 高温低氧空气燃烧的工作原理 1 3 国内外对加热炉控制研究现状 加热炉自动控制主要集中在常规燃烧控制上 其直接的目标是获得较为稳定的炉 子工况及追求最佳燃烧 其基本任务是 提高加热炉各段炉温的控制精度 获得满足 开轧所要求的钢坏温度 同时保证经济地燃烧和安全地运行 1 3 1 国外研究现状 国际上 在 70 年代以前 关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在燃烧过程控 制上 如加热炉各主要过程变量的定值控制 炉温与燃料流量的串级控制 燃料与助 燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等 也就是处在控制过程基础自动化控 制层次上 70 年代以后 国际上对加热炉的最优控制进行了广泛的研究 并且随着计 算机技术的发展 加热炉的计算机技术进入实用化阶段 控制研究的重点转移到以追 辽宁科技大学本科生毕业设计 第6页 求某种性能指标的优化控制方面 炉内加热过程的数学模型被广泛的应用在计算机控 制上 欧美 日本 俄罗斯等国相继开发了钢坯位置跟踪 钢坯温度跟踪 装出炉自 动化控制 终轧温度控制等功能的优化控制系统 近年来 一些带有整个生产物料跟 踪的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也逐渐深入和提高 标志着 加热炉的控制己经进入自动控制的第三层次水平 1 3 2 国内研究现状 与工业发达的国家相比 我国国内的加热炉计算机控制起步较晚 从 80 年代初才 开始这方面的研究工作 并且发展并不平衡 据统计 目前我国拥有的加热炉中 很 多 表 1 1 加热炉控制在国外应用的现状 国家及厂名所用机型应用现状 美 国 Dofasco 公司 1 级 PLC 控制器 Honeywell TDC 23000 2 级 DEC VAX 8350 空燃比控制 炉温控制 坯料跟踪 钢温预报 炉 温设定值调节 待轧策略 加热炉步进速率控制 设备诊断 加热炉各区段热量平衡 系统报警 记 录和报告 新西兰 Hoogovens 公司 PDP 11 40 计算机采用热传导微分方程进行钢温预报 炉温优化控制 空燃比控制 推钢速率控制 直接燃料控制 美国 Yamatake Honeywell 公司 TDC 3000 BASIC 系统步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统 具有过程 控制 作业顺序管理 钢坯跟踪及生产管理功能 美国 Conshohochen 厂 DEC MICRO VAXII空燃比控制 炉压控制 空气压力控制 热风放散 控制 坯料跟踪 设定值选择 生产调度模型 加 热炉温度模型 的钢铁企业中的加热炉还没有实现计算机控制 存在着大量的人工操作 有些企业配 有较先进的计算机 但只是用计算机代替常规的仪表 做一些简单的 PID 调节 计算 辽宁科技大学本科生毕业设计 第7页 机的功能并没有充分的利用 控制效果并不理想 另外一个普遍存在的问题是由于受 到一些干扰因素的影响 控制系统运行不稳定 蓄热式加热炉是近几年来发展起来的一种新型的加热炉 中国自 20 世纪 80 年代 开始有国外译文介绍 80 年代中后期国内热工界也开始研究新型蓄热式技术 建立了 专门的陶瓷球蓄热式实验装置 东北大学 北京科技大学 机械部第五设计研究院 冶金部鞍山热能研究院等对此技术都有研究 但是工业应用很少 1998 年 9 月萍乡钢 铁有限责任公司首次和大连北岛能源技术有限公司合作采用蓄热式燃烧技术进行轧钢 连续式加热炉燃烧的开发研究 并率先在萍钢棒材公司轧钢加热炉上应用 在国内首 次实现了蓄热式技术在连续式轧钢加热炉上的应用 此炉作为国内第一座蓄热式轧钢 加热炉 尽管在许多方面还不尽人意 但为国内蓄热式燃烧技术在冶金行业连续式加 热炉的应用上开辟了先河 此后 国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究并在国 内的推广应用 蓄热式燃烧技术逐渐成熟 现有的加热炉中 大多数蓄热式加热炉都采取集中换向或分段集中换向 这种换 向方式的缺点是造成燃料流量和空气流量的很大波动 由于这个原因 现在国内只有 少数的蓄热式加热炉能够实现计算机自动控制 表 1 2 加热炉控制在国内应用的现状 厂名所用机型应用现状 首钢初轧厂TK280炉温 炉压 空气流量 煤气流量控制 太钢初轧厂TI565 机煤气 空气流量以及炉压的 PID 控制 自寻优及专家控制算法 温度检测及越限报警 大钢初轧分厂M6809油风自动配比 残氧闭环控制 炉温炉压控制 马钢初轧厂TMC280残氧闭环控制 按加热曲线烧钢 辽宁科技大学本科生毕业设计 第8页 表 1 1 和表 1 2 分别介绍了国内 外加热炉自动控制应用的现状 提高蓄热式加热 炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于工艺的改造 更新以及计算机系统资源的先进性 更该充分重视从加热炉生产过程的具体实际出发 采用合理的控制策略和先进的控制 技术 设计能够更好地适应加热炉复杂多变工况的控制系统 使加热炉安全 稳定 高效 节能的运行 1 4 蓄热式均热炉控制的关键问题 蓄热式均热炉控制中有几个关键问题 1 对均热炉的炉膛温度控制 这是最重要的 对于不同材质的钢坯必须按照不同 的升温曲线进行钢坯的烘烤 因为如果温度过低 达不到轧制工艺的质量要求 温度过 高则也会带来一些不良的后果 如钢过热时钢的品粒增大 使钢的机械性能下降 加 工时容易产生裂纹等 2 对炉压的控制 必须保证炉膛压力为微正压 如果压力过高 则会在炉盖缝隙 处向外窜火 不仅浪费能源 而且易烧坏炉盖和沙封刀 如果压力过低 则会在炉子 缝隙处吸入大量的冷空气 这必然降低炉温 又使加热时间延长 浪费了大量的能源 3 换向控制策略的选择 蓄热式燃烧技术得以实现 关键在换向控制 换向控制 策略则关系到均热炉整体运行效果 也关系到燃料的能耗 还有换向阀和蓄热体的使 用寿命 如何解决上述几个关键问题影响到蓄热式均热炉控制系统控制效果的好坏 辽宁科技大学本科生毕业设计 第9页 2 可编程控制器的原理及应用 2 1 PLC 的基本构成 可编程控制器 Programmable Logical Controller 简称 PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 半导体技术 自动控制技术 数字技术和网络通信技术发展起来 的一种通用工业自动控制装置 PLC 的种类繁多 但其基本结构和工作原理基本相 同 它主要由中央处理器 CPU 存储器 输入 输出 I O 接口 电源及外设接 口与扩展接口组成 如下图2 1 所示 图 2 1 PLC 的基本构成图 2 2 PLC 的工作原理 PLC 是采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作的 即 PLC 运行时 CPU 根据 用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序 按指令步序号 或地址号 作周 期性循环扫描 如果无跳转指令 则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序 直到 程序结束 然后重新返回第一条指令 开始下一轮新的扫描 在每次扫描过程中 集中对输入信号进行采样 集中对输出信号进行刷新 输入刷新过程 当输入端口关 辽宁科技大学本科生毕业设计 第10页 闭时 程序在进行执行阶段时 输入端有新状态 新状态不能被读入 只有程序进行 下一次扫描时 新状态才被读入 一个扫描周期分为输入采样 程序执行 输出刷新 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的 扫描周期的长短由三条决定 1 CPU 执行指令的速度 2 指令本身占有的时间 3 指令条数由于采用集中采样 集中输出的方式 存在输入 输出滞后的现象 即输入 输出响应延迟 周而复始 2 3 西门子 PLC 和 S7 300 简介 2 3 1 西门子 PLC 简介 德国西门子 SIEMENS 公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛 在冶金 化工 印刷生产线等领域都有应用 西门子 SIEMENS 公司的 PLC 产品包 括 SIMATIC S7 M7 和 C7 等几大系列 1 S7 系列 S7 系列是传统意义的 PLC 产品 是 SIMATIC 自动控制系统的关键部件 其中的 S7 200 是针对低性能要求的紧凑的微型 PLC 其编程软件为 STEP 7 Micro WIN S7 300 是针对中等性能要求的模块式中小型 PLC 最多可以扩展 32 个模块 S7 400 是用 于高性能要求的模块式大型 PLC 可以扩展 300 多个模块 S7 200 300 400 可以接入 MPI 多点接口 PROFIBUS 和工业以太网等通信网络 S7 200 300 400 M7 C7 和 WinAC 均用 STEP7 编程和组态 2 M7 系列 SIMATIC M7 300 400 PLC 采用与 S7 300 400 形同的结构 其显著特点是具有 AT 兼容计算机的功能 可以用 C C 或 CFC 连续功能图 这类高级语言来编程 M7 适合于需要处理的数据量大 对数据管理 显示和实时性有较高要求的系统使用 3 C7 系列 SIMATIC C7 由紧凑型 CPU S7 31xC OP 操作员面板 I O 通信和过程监控 系统组成 整个产品结构紧凑 具有很高的性能价格比 C7 635 和 C7 636 最多可以扩 展 3 个 S7 300 的机架 集成的 DP 接口可以作 DP 主站或 DP 从站 C7 用 WinCC flexible 组态过程显示 信息文本和配方等操作员面板的功能 4 WinAC 辽宁科技大学本科生毕业设计 第11页 WinAC 在 PC 个人计算机 上实现了 PLC 的功能 突破了传统 PLC 开放性差 硬件昂贵 开发周期长 升级困难等束缚 可以实现控制 数据处理 通信 人机界 面等功能 WinAC 基本型用于常规 PLC 控制系统且有大量数据处理要求的场合 WinAC 实 时型用于实时性 确定性要求非常高的控制场合 例如运动控制和快速控制等 WinAC 插槽型具有硬件 PLC 的所有特性 适用于实时性 安全性和可靠性要求均较高 的场合 WinAC 具有良好的开放性和灵活性 可以方便地集成第三方的软件和硬件 例如 运动控制卡 快速 I O 卡或控制算法等 2 3 2 S7 300 简介 S7 300 是模块化的中小型 PLC 适用于中等性能的控制要求 品种繁多的 CPU 模块 信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务 用户可以根据系统 的具体情况选择合适的模块 维修是更换模块也方便 按钮 扩展机构 选择开关 接触器 限位开关 电磁阀 通信网络 指示灯 图 2 2 PLC 控制系统示意图 CPU 模块 通信接口 输 入 模 块 输 入 模 块 电源模块接口模块 其他设备其他 PLC计算机 辽宁科技大学本科生毕业设计 第12页 S7 300 采用经过认证的 PLC 技术 易于操作 编程 维护和服务 特别适用 于汽车工业 环境技术 采矿 化工厂 生产技术以及食品加工等领域 S7 300 系 列优点在以下几个方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 S7 300 属于模块式 PLC 主要由机架 CPU 模块 信号模块 SM 功能模块 FM 接口模块 IM 通信处理器 CP 电源模块 PS 和编程设备组成 见图 2 2 辽宁科技大学本科生毕业设计 第13页 3 控制方案制定 3 1 压力控制系统方案确立 炉压是造成工业炉燃料浪费的主要因素之一 炉内负压使得冷的环境空气通过炉 盖缝隙以及其它开口进入炉内 这些漏入的冷空气必须被加热到炉温以后 然后方能 排出 这样会造成燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料 另外 如果炉膛内的炉压太 高 炉膛的高压将使炉盖缝隙处往外喷火 同时会喷沙并产成大量的黑烟 会浪费大 量的燃料 并污染环境 对安全生产无益 所以 为保证安全生产和节能燃烧 我们 有必要对炉压实现自动控制 以确保炉膛内压力的微正压 在均热炉升温阶段 由于换向控制并保证炉膛升温速度 所以炉膛压力波动较大 对于实际工况来说 炉膛压力在 20Pa 50Pa 之间都可以认为正常 即设定值为一个范 围段 在保温阶段 因为只需要维持炉膛温度不变 所以煤气空气流量相对稳定 对炉 膛的压力波动也比较小 所以设定值定为 20Pa 30Pa 之间 因为炉温和炉膛压力存在一定的耦合关系 所以对炉膛压力的调节要考虑到对炉 温的影响 当增加烟道阀门开度的时候 可以减小炉膛压力 但同时又降低炉膛温度 当减少烟道阀门开度的时候 可以增加炉膛压力 但同时又增加炉膛温度 所以采用 下述 辽宁科技大学本科生毕业设计 第14页 图 3 1 炉压控制程序框图 方法 减少炉膛温度和炉膛压力之间的影响 炉膛压力高 炉膛温度高 此采样周期对压力不调节 等到下一个采样周期 炉 膛压力高 炉膛温度低 偏差值增加 5Pa 按此增大烟道阀门开度 同时对炉膛温度调 节增加一个等级 即把炉膛温度偏差增加 5 炉膛压力低 炉膛温度高 偏差值减少 5Pa 按此减小烟道阀门开度 同时对炉膛 温度调节减低一个等级 即把炉膛温度偏差减小 5 炉膛压力低 炉膛温度低 此采 样周期不进行调节 等待下一个周期 采样周期设为 1 分钟 炉膛压力上限值为 100Pa 当超过此上限值时 立即调节炉膛压力 调节炉膛压力后 然后再调节炉膛温 度 炉膛压力采用 PID 调节 压力控制程序框图如图 3 1 3 2 换向控制系统方案确立 3 2 1 换向系统概述 换向控制系统是蓄热式控制系统最重要的组成部分 蓄热式均热炉共有 4 套蓄热 式烧嘴 每套烧嘴由一个两位三通换向阀 一个煤气快切阀 两个煤气烧嘴和一个空 气烧嘴组成 根据换向阀的位置和快切阀的开关状态 每个烧嘴都有燃烧和排烟两种 状态 如图 3 2 所示 当左边的两位三通阀在位置一 即通空气 时 左边的煤气快切 阀开通 此时左边烧嘴处于燃烧状态 同时 右边的两位三通阀在位置二 即排烟气 辽宁科技大学本科生毕业设计 第15页 右边的快切阀关闭 右边的烧嘴处于排烟状态 右边的空气烧嘴蓄热室蓄热 换向后 通过蓄热 图 3 2 烧嘴换向示意图 室把热烟气的热量传递给冷空气 大大降低了加热炉的高温烟气带走的那部分热损失 为了不使烧嘴换向时给流量带来太大的波动 以致给炉膛内的温度场和炉膛压力 带来很大影响 此蓄热式均热炉在设计时 没有采用集中换向控制策略 而是采用分 散式换向的控制策略 即每个换向单元内的换向装置轮流地换向 并采用预估换向控 制 有效避免了因排烟温度过高而烧坏换向阀和蓄热体的情况 3 2 2 换向控制功能 换向阀换向周期设为 20s 70s 换向控制系统与烟气排烟温度控制联锁 具有定时 换向 定温换向和手动强制换向功能 正常情况下 根据设定的换向周期采用定时换 向控制方式 如果烟气排烟温度超高 则系统转入定温换向 换向系统功能如下 三种换向方式结合 定时自动换向 定温自动换向 手动强制换向 正常情况下 采用定时自动换向 如果烟气排烟温度超高 则系统转入定温换向 在特殊情况下 如调试 可以手动强制换向 任意设定参数 定时换向周期 定温换向的温度值 最小允许换向时间等参数可 任意设定 换向系统报警 如果阀位不到位 进行声光报警 系统停止运转 如果排烟温度 超温报警 换向系统强制自动换向 并和温度控制系统联锁 自动调节使排烟温度降 辽宁科技大学本科生毕业设计 第16页 低 3 2 3 换向装置空转状态 有两种情况下可以将一套换向装置置于空转状态 故障状态 2 换向装置需置成 空闲状态 换向系统空转的流程如下图 3 3 所示 1 当其中的一套换向装置的快切阀有故障时 快切阀开不到位故障 快切阀关不 到位故障 不能让蓄热体一直排烟吸收热量 温度过高会影响蓄热体和换向阀的寿命 为了保护蓄热体和换向阀 该换向装置设置成空转状态 空转时 换向装置的两个煤 气烧嘴都会被切断 换向阀坚持空转换向 2 当均热炉南北两侧温差过高 要闲置一个烧嘴时 此时可将一个烧嘴置成空转 状态 即关闭该换向装置的煤气快切阀 同时为保护蓄热体 换向阀坚持换向 图 3 3 换向系统空转流程图 3 3 本章小结 根据工艺要求和现场实际情况 制定了蓄热式均热炉控制系统的整体方案 对实 际情况分析 确立采用何种控制算法和实现手段 根据分析可知 方案制定合理 具 辽宁科技大学本科生毕业设计 第17页 有很强的可实施性 实践证明 本方案完全可行 并满足现场要求 4 蓄热式均热炉控制系统软硬件配置 蓄热式均热炉共有 4 套烧嘴 每套烧嘴均可单独调节空煤气流量 可灵活调节供 热量 又可调节南北温差 这样炉子的供热能力可根据需要灵活调整南北墙各设一只 热电偶 检测炉子南北温差 为调节炉温提供依据 煤气和空气管路设置流量 压力 检测和手动调节装置 煤气设有压力报警 烟气管路设有温度检测和流量调节 从每 个烧嘴出来的烟气都有相应的支路 然后汇集到烟气总管 经引风机排出烟囱 4 1 控制系统硬件配置 蓄热式均热炉采用两极控制系统 实现了炉温 炉压 排烟温度 兑冷风温度等 全过程自动控制 控制系统以 Siemens S7 300 的 PLC 及 TP270 10 触摸屏作为均热炉 控制部分的核心硬件 采用 Protool 和 Step7 系统软件为开发平台 在人机界面上集成 了系统的全部操作 并对加热炉的热工参数监测及运行控制 手操器可以在自控系统 失灵时手动调节控制 保证整个系统的安全可靠 每个模拟信号都配有手操器 可以 手动对流量 辽宁科技大学本科生毕业设计 第18页 图 4 1 控制系统硬件配置 阀门开度等进行调节 当手操器在手动状态时 系统只能进行手动控制 自动系统起 监控作用 当手操器处于自动状态时 自控系统进入自动调节状态 PLC 主要负责过 程参数的采集 对过程数据的处理并实现对象的控制 将采集到的数据送与触摸屏显 示 同时亦接收来自上位用户的操作指令 系统硬件配置如图 4 1 4 2 人机界面监控系统 人机接口界面 HMI 通过 MPI 通讯电缆与下位的 PLC 系统进行可靠通讯 PLC 系统联合各级仪表和现场控制设备完成各系统的控制 硬件采用 Siemens 的 S7 300 系列 PLC 模块 PLC 用 step7 软件开发 TP270 触摸 屏用 ProTool 软件开发人机接口界面 以直观的动态图形画面 文字表格形式显示设备 的运行状况 并接受操作人员的指令来控制运行 从而实现人机交互 操作简单 直 观 方便 4 2 1 监控软件 ProTool 简介 ProTool 是用于整个 SIMATIC HMI 系列的改进的组态软件包 使用同样的组态软 辽宁科技大学本科生毕业设计 第19页 件来组态系列中的所有设备 无论为哪个设备创建项目 ProTool 总是提供相同的用户 界面 ProTool 可用于 Windows 95 Windows 98 Windows 2000 和 Windows NT 的 Windows 应用软件 完整的图形用户界面允许用鼠标键来创建面向对象的 基于符号 的项目 不需要特殊的编程知识 ProTool 功能丰富齐全 它提供了方便的实时数据采 集 过程参数监测与报警 数据报表存档与打印 直观的人机交互界面 系统参数修 改等功能 为实际生产过程和用户之间建立起桥梁 用户可以通过编辑动态画面跟踪 实际的生产流程 监测 显示实际过程中的重要过程参数 对参数的失控和现场的异 常实时报警并且能够按照不同的方式通知用户 同时还提供了对报警信息进行归档 打印等功能 对现场测量数据进行记录 归档 通过实时趋势图或历史趋势图的形式 显示给用户 另外还可为不同用户提供级别不同的注册权限 画面编辑 ProTool 提供了功能强大的画面编辑器 系统提供的画图工具及图库种类非常丰富 包括基本的画图工具 ProTool 内建的样本图库 常用工业对象图形 Windows 系统图 库对象等 图形可以编辑其动态属性 图形组态操作与编程灵活方便 可实现复杂的 动态画面 数据管理 数据库是 ProTool 信息的储存中心 它保持着与外界信息的联系 通过 I O 接口可 以插入 MMC 卡对系统进行扩容 根据实际过程参数的变化可实时更新数据库 也同 时将上位用户操作指令传给 UO 驱动映射表 并发给控制设备 所有动态画面的状态 都随着数据库中内容的变化而更新 报警处理 对控制设备的异常和过程参数的失控事件等 ProTool 能很方便地给出报警 并在 报警栏里给出详细的报警信息 包括报警时间 报警信号 故障原因等等 经确认后 报警信息会自动删除 报表管理 用户可以自由选择一定的报表格式 按时间顺序 事件触发等实现信息操作 当 前数据归档 进行报表输出 既可输出到打印机 也可输出到报表文件 用户管理 在操作站上可以为项目建立多个权限等级不同的用户执行相应权限内的操作 便 辽宁科技大学本科生毕业设计 第20页 于系统的备份 监控与管理 这样每个用户只允许进行相应权限的操作 防止由于非 权限内人员的误操作而造成不必要的损失 4 2 2 监控系统的基本功能 监控系统提供了操作简单 功能齐全的人机对话界面 热式均热炉工艺过程模拟 界面 图 4 2 工艺流程模拟画面是根据实际设备及管道设施的位置走向而制作的 通 过画面可以直观地了解到当前系统的运行状况 在不同的工况和设备状态下 画面的 显示不同 以模拟图的形式显示加热炉燃烧状态及燃烧设备布置 主要监视生产设备 以及整个工艺流程的工作状态包括各个换向装置中的快切阀和换向阀的工作状态以及 一些重要的过程参数 如炉膛温度 炉膛压力 排烟温度 气源压力 总管风压力和 总管煤气压力等 图 4 2 工艺过程模拟画面 热工参数曲线画面 辽宁科技大学本科生毕业设计 第21页 图 4 3 热工参数曲线画面 在任何画面上部点击 趋势曲线 按钮 则会切换到热工参数曲线画面 如图 4 3 在这个画面中 同时显示了所有的当前系统的热工参数 点击参数右边的 曲线 按钮 则会切换到相应的参数曲线画面 如图 4 4 以炉膛温度为例 辽宁科技大学本科生毕业设计 第22页 图 4 4 参数曲线画面 4 3 下位 PLC 系统 蓄热式均热炉控制系统的基础级采用 SIEMENS 公司的 S7 300 系列的 PLC 产品作 为下位控制级 它负责完成对过程参数的实时采集 数据信号处理 滤波 流量累计 等 及过程参数控制 炉温 炉压 排烟温度等等控制算法的实现 烧嘴换向控制等 一系列功能 并实现与上位机之间的数据交换 S7 300 系列的 PLC 采用模块化结构 系统结构适用范围广 可提供性能卓越的 全系列兼容的自动化控制器产品 为控制 需求提供最恰当的解决方案 S7 300 系列的 PLC 产品的硬件 软件都采用国际标准 并提供了全方位的专用软 件包及子系统 其更新产品与原系统兼容 在原系统基础上提供最新技术 S7 300 系列的 PLC 系列产品的硬件具有以下性能 使用基于高性能的 CPU 控制器 扫描速率极高 提高系统输出速度 将运动功能 ASCII 通讯和过程控制等自动化技术紧密地结合于一体 针对要求严格的应用 可采 用冗余的控制器 电源和 I O 连接电缆 使系统可靠性最高 要求严格的应用中 输 出模块的输出点可预设 故障 状态 绝缘电平高 恶劣电气环境下的抗噪声干扰性能 好 高精度模拟 I O 适用于过程的紧密监视与控制 可 带电插拔 的设计 简化维护 并增加系统的可靠性 中断处理和高速通断电路相结合 使系统性能更高 下位 PLC 的应用程序基本上都由梯形图 LD 组成 S7 300 系统从功能上分成两大部分 控制系 统中的温度 压力 流量等控制和蓄热式烧嘴的换向控制 这两大部分的控制完全是 独立的 即他们俩互不干扰 同时 S7 300 系统进行电气控制等 PLC 控制程序总体程 序流程如下所述 初始化 包括各种工艺参数的初始化 对相关的内存储区 计数器 计时器清零 数据采集 该部分内容包括各种模拟量信号滤波处理 煤气流量累计 阀位偏差 报警等等 变量计算 根据公式计算当前的炉温的设定值和实测值的偏差 偏差变化大小等 压力控制 根据偏差采取相应炉膛压力控制策略 同时对空气总管 煤气总管等 辽宁科技大学本科生毕业设计 第23页 压力进行监控 温度控制 根据偏差采取响应控制算法进行温度控制 包括炉温控制 排烟温度 控制和兑冷风温度控制 烧嘴的换向控制 每个烧嘴自成一个换向单元 自动换向原则分定温换向和定时 换向两种 报警 对现场产生的情况时时监测 如有异常立即报警 4 4 本章小结 本章详细的介绍了系统的硬件配置 软件功能及人机界面实现的功能 符合现场 实际需求 控制系统操作简单 灵活 5 PLC 控制系统 5 1 PLC 的编程语言 5 1 1 PLC 的编程方法 可编程序控制器 PLC 编程简单 可靠性高 通用性好及控制功能强等优点使 其在交通 机械 能源 石油和化工等行业中得到充分的应用 编程语言是 PLC 的重 要组成部分 PLC 为用户提供了完整的编程语言 以适应编制用户程序的需要 PLC 提供的编程语言通常有以下几种 梯形图 LD 语句表 IL 功能模块 FBD 顺 序功能图 SFC 结构化文本 ST 等 其中最常用的是梯形图和 SFC 过去一般的 PLC 都不提供 ST 编程语言 辽宁科技大学本科生毕业设计 第24页 图 5 1 组态图 梯形图是 PLC 的一种主要编程语言 设计好梯形图程序是用好 PLC 的关键 逻辑 控制的梯形图设计主要有时序图法 逻辑法 经验法和顺序控制法 对复杂的工艺控 制 更能显示其优越性 经验法 这种方法没有普遍的规律可循 对于复杂的控制系 统 需要考虑的因素很多 分析起来非常困难 并且容易遗漏 顺序控制法是依据控 制工艺预先规定的顺序 在各个输入信号的作用下 根据内容状态和时间的顺序 控 制生产过程中的各个执行机构自动有步骤地运作 该方法逻辑明确 有规律可循 程 序的阅读和改进也比较容易 可极大地提高程序的设计效率 PLC 控制程序组态图如 图 5 1 5 2 人机界面监控系统 人机接口界面 HMI 通过 MPI 通讯电缆与下位的 PLC 系统进行可靠通讯 TP270 触摸屏用 ProTool 软件开发人机接口界面 以直观的动态图形画面 文字表格形 式显示设备的运行状况 并接受操作人员的指令来控制运行 从而实现人机交互 操 作简单 直观 方便 系统通过 MPI 多点通信接口实现主站 S7 300PLC 和上位机之间 的数据通信 人机画面显示全部现场设备状态和工艺参数 并在画面内集成了全部设备的操作 画面主要组成有 开机起始画面 主画面 参数设定画面 趋势曲线画面 报警画面 等 在主画面上可以直观了解点火和加热过程中烧嘴的燃烧状态及切除投入情况 换 辽宁科技大学本科生毕业设计 第25页 向阀的运行情况 炉膛温度 压