热风炉系统设计毕业论文.doc

毕业设计说明书（论文） 第 38 页 共 39 页热风炉系统毕业设计1.绪论作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。其中热风炉的燃烧控制直接决定了热风炉的燃烧效率和送风温度,是整个热风炉控制系统的核心。如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热,达到最佳燃烧效率，又能最大限度的降低能耗、保护环境,防止热风炉拱顶过烧和延长热风炉使用寿命，是所有热风炉调试、生产中亟待解决的问题。1.1 课题背景课题来源于淮钢生产实践。热风炉是冶金行业的重要生产设备，其作用是将高炉布袋除尘器产生的净煤气在热风炉中进行燃烧，将热风炉内耐火球加热到一定温度后将风机房冷风管送来的冷风和耐火球进行热交换，经热风炉送风系统阀门送到高炉。2002年，公司兴建了国内先进水平的500m3高炉2100吨转炉LF钢包精炼炉RH真空脱气炉连铸配套中、小型棒型材连轧生产线各一条，并在该生产线炼铁高炉上，淮钢与北京钢铁研究总院、首钢设计院合作，引进俄罗斯卡鲁金热风炉技术，该技术应用使同类型高炉配套热风炉体积减少1/3，个数减少1/3，节约投资30%，而且煤气燃烧充分，热效率高，风温高，该技术应用后，当年高炉风温即达到了全国同类型高炉的最高风温。国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。传统的完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都是具有完善的基础自动化和使用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量，并对基础自动化的热风炉燃烧自动控制系统进行有关的设定。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说包括：煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。如图1所示，在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比（最好还设有燃烧废气成分分析，按残氧量来修正空燃比），以实行快速加热，使拱顶温度迅速达到规定值，然后逐步增加空气量以保持拱顶温度为规定值，当达到废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入，需分别设置其流量控制，该流量比例控制和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，因此使系统回路更多、更复杂。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量。除了数学模型相当复杂外，更需设置自动分析加热煤气的各种成分的分析器，这种仪器不仅昂贵，还需良好的维护，此外要使数学模型有效，必须依靠完善的基础自动化。1.2 热风炉简介1.2.1 热风炉的结构热风炉由炉衬、燃烧室、蓄热室、炉壳、炉篦子、支柱、管道及阀门等组成。燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳内，之间用隔墙隔开。热风炉有直接式和间接式之分，间接式又分为蓄热式和换热式，目前应用最广泛的是蓄热式。因为其换热温度高，热利用率高。蓄热式热风炉通过在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。但是这种热风炉热风温度不稳定，切换机构多。1.2.2 热风炉的工作原理燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳内，之间用隔墙隔开。煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室内燃烧，燃烧的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向，再向下穿过蓄热室，然后进入大烟道经烟囱排入大气。在热烟气穿过蓄热室时，将蓄热室内的格子砖加热。格子砖被加热并蓄存一定热量后，热风炉停止燃烧，转入送风。送风时冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室，空气通过格子砖时被加热，经拱顶进入燃烧室，再经热风出口、热风阀、热风总管送至高炉。 1.2.3 热风炉类型的比较图1.1所示为淮钢三种类型热风炉的剖面图，（a)为内燃式热风炉，（b）为球式热风炉，其中球式热风炉又可以改建成为内燃式和外燃式热风炉，传统的工艺都是采用这两种热风炉进行燃烧、供热，但是这两种类型的热风炉结构上存在很多缺陷。例如：内燃式热风炉由于蓄热室和燃烧室并列布置，所以其下部温度不一致；此外工作环境恶劣，易损坏蓄热室与燃烧室的隔墙；而且由于格子砖的结构不稳定，导致受热也不均匀，容易造成格子砖被挤乱和不均匀下沉。相比于内燃式，外燃式热风炉的投资更大，砖砌结构更复杂，对砖的加工制作要求更高，拱顶钢结构不对称，受力不均匀，不能够适应高温，高压的要求。基于内燃式和外燃式燃烧室的缺陷，前苏联科学家卡鲁金博士发明了顶燃式热风炉，即图1中的（c），它的占地更少、投资更小；燃烧产物均匀供给蓄热室，提高了热风炉的利用系数；可承受的煤气和空气预热达到500600；拱砖拱顶结构稳定，可长期运行。图 1.1 淮钢三种热风炉剖面图比较1-烟气出口；2-炉支柱；3-蓄热室；4-悬链线拱顶；5-燃烧室；6-热风出口；7-燃烧器；8-煤气入口；9-助燃空气入口2. 热风炉的工作流程与控制要求2.1热风炉工作流程热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。（1） 热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。（2） 热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。（3） 热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。其过程为燃烧状态时助燃空气和煤气按空燃比混合，在热风炉顶部燃烧，高温烟气从上向下经过球床体，将热量存储在热风炉内。当拱顶和烟道温度达到设定值，蓄热室储存足够热量，操作阀门使热风炉处于焖炉状态，等待送风。热风炉送风时，冷风从下向上经过热风炉球床体，被加热成温度略低于拱顶的热风，将存储于热风炉内的热量送往高炉。随着送风管时间的延长，风温逐渐下降，热风炉再转入燃烧状态，循环工作。大部分的工厂采用至少3座热风炉运行的高炉系统，通常采用的是“两烧一送”的方式，即其中2座热风炉在燃烧，剩下的1座热风炉送风，3座热风炉按燃烧、焖炉、送风的周期循环工作，向高炉连续供风。图 2.1 热风炉三炉工作系统图1冷风阀 2充风阀 3烟道阀 4废气阀 5助燃空气燃烧阀 6助燃空气调节阀 7热风阀 8煤气燃烧阀 9煤气切断阀 10煤气调节阀 11净煤气放散阀当一座热风炉送风一段时间后，输出的热风温度不能满足高炉所需温度时就需要换炉，改由另一座燃烧好的热风炉来送风，而原送风的热风炉则转为燃烧作业，燃烧好的热风炉在等待送风前要进行闷炉，所以热风炉有燃烧、焖炉和送风3种工作状态。设置3座热风炉的高炉通常采用“两烧一送”的工作模式。2.2 热风炉控制的现状与发展趋势目前许多钢厂热风炉控制系统采用由可编程控制器（PLC)与过程控制器（或集散系统）分别完成电气与仪表控制的方法进行控制。例如改造前的广钢3#高炉热风炉采用HONEYWELL S9000过程控制器完成仪表控制，采用西门子S5115U可编程控制器完成换炉控制；莱钢1#750M3高炉热风炉控制系统采用美国MODICON公司的E984-685 PLC完成顺序控制和回路控制；鞍钢10号高炉热风炉采用英国欧陆公司生产的网络6000过程自动化（DCS）控制系统完成热风炉燃烧控制，通过接口与MODICON(PLC)通讯，由PLC完成热风炉自动换炉、送风控制；宝钢1#高炉热风炉电控系统采用日本安川CP-3500H PLC,仪表控制系统采用日本横河CENTUM-CS集散控制系统，上位机采用HP-9000，电气的PLC和仪表的现场控制站间以V-NET网连接，上位机间通过以太网连接，V-NET网和以太网间通过ACG（通信接口）连接。这类热风炉存在的问题主要有两方面：（1）基础自动化控制系统设计不合理 大都采取用可编程序控制器和过程控制器（或集散系统）分别完成的方法进行控制。这种方法的缺点是为了将各部分连接成一个统一的系统，必须投入相当大的工程费用、时间和专门知识将不同类型的软件和用户接口予以配置、编程、调试和测试。这使得整个控制系统变得复杂、维护困难。（2）热风炉燃烧控制问题传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量,并计算出空燃比。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求,以获得最佳经济效益。由于热风炉的燃烧过程是一个连续的动态变化过程，控制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能通过输出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。因此，欲实现燃烧过程的实时控制，所需的数学模型相当复杂。此外，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气的具有三眼燃烧器的热风炉来说,由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入,因此需分别进行高炉煤气和焦炉煤气流量控制,且需进行高炉煤气和焦炉煤气流量比例控制,这使得系统回路更多、更复杂，同时还需设置煤气成分分析仪,这种仪器不仅昂贵,而且还需要良好的维护。一座高炉通常都带有4个(或3个)热风炉，如果每座热风炉都建立数学模型、设置煤气成分分析仪，不仅所设的仪表和控制回路较多,而且投资也相当大，因此国内很少有工厂采用。许多工厂,包括广钢3#号热风炉大都使用较简单的控制系统,即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位自动控制,而阀位的设定值或开度由人工控制。由于人工控制难以在预热煤气和空气温度、高炉所需鼓风温度和流量、助燃空气压力等变化时以及热风炉蓄热量尚有富裕时及时修正热风炉加热的煤气和空气量,因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热，达到最佳燃烧效率，以确保向高炉送风的温度和时间，又能最大限度的减少能源消耗，防止热风炉拱顶过烧，以延长热风炉寿命是各大钢厂亟待解决的问题之一。 2.3 本课题研究内容本课题的主要研究内容如下：（1）硬件系统采用西门子S7-300 PLC作为热风炉控制器，辅以温度、流量、压力传感器，电磁阀等构成热风炉控制系统。（2）软件采用STEP7进行PLC编程，实现热风炉的运行，主要包括单炉操作、三炉操作、手动操作和自动操作，其中三炉同时运行时的工作方式采用“两烧一送”。此外利用温度、压力、流量传感器将测到的实时数据传送到WINCC监控界面。 （3）利用WinCC组态软件，绘制监控画面，监控画面主要由主控画面、单炉调节画面、温度曲线图和故障报警画面组成。采用动态对话框、C动作等实现指示灯颜色的改变、温度的显示、流量的显示、管道中气体的模拟动作等功能。3. 开发工具简介本次设计中需要用到PLC和组态软件两种开发工具，在此我选择了西门子S7300 PLC和西门子WinCC V6组态软件，以下将简单介绍。3.1 PLC简介PLC（可编程控制器）是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来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过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。如下是 PLC的特点：（1） 环境要求低；（2） 体积小，能耗低；（3）安装简单，容易维修；（4）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强；（5） 抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型；（6） 易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受；（7） 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。3.2 STEP 7编程软件简介STEP 7是用于SIMATIC PLC组态和编程的标准软件包5。开发或设计一S7-300应用系统，必须基于STEP 7软件包进行组态和编程。STEP 7具有以下功能：硬件配置、参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。S7 系列PLC的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL(语句表)、SCL(标准控制语言)、GRAPH(顺序控制)、HiGraph(状态图)、CFC(连续功能图)、C for S7(C语言)等，用户可以选择一种语言，如果需要，也可混合几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改极为方便。3.3 WINCC简介3.3.1 WinCC的介绍SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC(Windows Control center)印象深刻。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。凭籍这种战略思想，WinCC，这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等现场设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。其设计思想应遵循以下原则:功能完备、方便直观、降低成本。 3.3.2 WINCC的设计结构 WinCC支持所有普通IBM/AT兼容的PC平台，本系统使用的软件版本为WinCC5.0 SP2HotFix5，购买时附带授权盘。授权方式为RC256，即允许在运行模式和项目编制模式下无时间限制地操作WinCC，项目可以使用的外部变量数是256个。管理级采用研祥工控机，配置EVOC FSC-1711VN工业级CPU卡(基于Intel RG82845MCH芯片集的Socket478 封装全长CPU卡)，内存DDR 266MB，高度集成ATI Rage128Pro AGP 4X图形加速控制器，具备32MB独立显存，CRT显示模式。 按照各站连接设备及完成功能的不同，我们把监控界面按结构化思想进行了编排。各界面控制功能明确，可以清晰直观的反映现场情况，便于操作人员进行处理。3.3.3 WinCC性能特点1）集成ODBC/SQL数据库2）集成与Windows交互的标准接口3）提供API编程接口4）提供与PLC通信通道5）全集成自动化TIA(Totally Integrated Automationmation) 部件6）提供了与WinAC的连接接口7）基于向导的在线组态，组态灵活3.3.4 WinCC的功能Wincc浏览器、图形编辑器、报警登录、变量登陆、报表编辑、用户管理器、全局脚本、通信通道、标准接口、编程接口。3.3.5 全集成自动化1） 在WinCC中直接访问STEP7符号变量2）在WinCC中调用STEP7功能块3）在WinCC中直接启动STEP7硬件诊断3.3.6 通信1）可提供的通信通道 连接SIMATIC S7协议集的通信类型、连接SIMATIC S5的通信类型、连接SIMATIC S505的通信类型、连接SIMENS控制器的通信类型、定义平台的通信类型、连接第三方的通信类型。2）OPC技术4.总体设计三座热风炉采用“两烧一送”的工作方式，PLC进行控制，WinCC实时监控。4.1 控制要求课题来源于淮钢生产实践。热风炉是冶金行业的重要生产设备，其作用是将高炉布袋除尘器产生的净煤气在热风炉中进行燃烧，将热风炉内耐火球加热到一定温度后将风机房冷风管送来的冷风和耐火球进行热交换，经热风炉送风系统阀门送到高炉。拟采用PLC对热风炉工作过程实施控制，同时利用监控软件开发运行界面实施运行监控。具体任务要求：（1）掌握热风炉系统组成、控制要求及加工工艺；（2）选择合适的组态软件开发热风炉系统运行界面，实现对其生产过程的监控，其中包括各种设备运行状态及现场参数实时显示、运行参数修改、工作方式切换、故障报警、运行参数记录等；（3）PLC与WINCC的连接运行。4.2 控制原理热风炉的工作状态有燃烧、焖炉、送风三种状态，状态的转换靠控制各 阀门的动作，本控制系统实现了热风炉状态转换时阀门联锁和自动开关，以及实现四座热风炉状态转换时的相互联锁。热风炉换炉设计有自动(四座热风炉顺序转换)、单炉自动以及手动(供检修时使用)等操作方式，操作方式灵活，满足各种生产条件的要求。热风炉燃烧所用的燃料为焦炉煤气()和高炉煤气(),两种燃料进入热风炉燃烧室后,在燃烧混合器内进行混合,再与助燃空气一起通过陶瓷烧嘴进行燃烧。热风炉的燃烧时间约为110min左右。燃烧时，炉体温度达1050左右，拱顶温度最高不得超过1300。热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值（空燃比）来实现。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说,包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。热风炉的燃烧过程如图4.1所示，它分为加热期和蓄热期。在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限(图3中350),否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。燃烧期蓄热期 t烟气温度煤气流量助燃空气量拱顶温度350280图 4.1 热风炉燃烧过程原理图在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350内，当废气温度达到350时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。4.2.1 控制内容1） 助燃空气总管压力检测和控制本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。2） 净煤气总管温度检测、压力检测和控制3） 热风炉燃烧控制高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。燃烧控制得好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。4） 热风炉混风温度控制热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。在基本工作制时,靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送,故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。4.2.2 自动控制 热风炉全自动换炉控制包括自动闭炉控制、自动送风控制以及自动烧炉控制。自动控制有单炉操作和三炉操作。单炉运作时，按下启动开关后，热风炉按照燃烧焖炉送风燃烧的顺序循环运行。图4.2所示为热风炉单炉工作流程图：图 4.2 热风炉单炉工作流程图三炉运作时，采用“两烧一送”的运行方式，按下启动开关后，其中一座热风炉执行送风程序，另外两座热风炉执行燃烧程序，送风结束后，转为燃烧状态，剩下两座热风炉中一座先打到废气温度标准的进行送风，以此不停地实现状态之间的切换。1） 助燃空气总管压力检测和控制本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。2） 净煤气总管温度检测、压力检测和控制3） 热风炉燃烧控制高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。燃烧控制得好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。4） 热风炉混风温度控制热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。在基本工作制时,靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送,故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。以下是热风炉三种状态下各阀门的动作顺序：1）自动闭炉控制燃烧终点由废气温度确定，当废气温度达到350时，结束燃烧期，进入焖炉期。按照程序设计自动完成烧炉转焖炉的操作过程：阀门动作顺序为：关煤气与助燃风调节润关煤气切断阀关煤气燃烧阀开煤气安全阀(放散阀)关助燃风切断阀关烟道阀。 2）自动送风控制 当控制器接收到通过网络由高炉工长发出的送风指令，程序执行焖炉转送风控制程序即：开冷风调节阀开充风阀充压完毕开冷风阀开热风阀。 3） 自动烧炉控制当前热风炉转为送风工作状态后，送风完毕的热风炉自动转为烧炉状态，阀门动作顺序为：关冷风阀关热风阀开废气阀开烟道关废气关煤气安全阀开助燃风切断阀开煤气燃烧阀开煤气切断阀助燃风调节阀及煤气调节阀小开进入燃烧控制状态。 图4.3所示是三炉运行时的流程图：图 4.3 热风炉三炉工作流程图4.2.3 手动控制 手动控制主要用于热风炉系统出现故障的时进行故障检修，每一个环节，每一个阀门，开关都设有手动开关，按照自动运行的流程，顺序检测，直到查出故障所在。5. WINCC监控系统设计为了能够实时地反映热风炉的工作状态，实现不需要到达现场就能对热风炉进行监控，并能检测到各项数据，本设计采用西门子WinCC V6作为上位机的管理软件，上位机系统的作用在于将下位PLC输出的信号采集进来实时显示热风炉拱顶的温度、废气的温度、煤气的流量、助燃空气的流量，手动切换热风炉的状态，同时还能对煤气、助燃空气调节阀进行调节以控制阀门打开的角度，控制燃烧室中煤气、助燃空气的比例以达到最佳空燃比，提高燃烧效率。5.1 组态工程 5.1.1 创建项目1）在WINCC工程管理器下创建“单用户项目”，创建一个“热风炉监控系统”的工程，在图形编辑器中绘制热风炉的监控画面图。2）设置各项参数的变量，并进行变量连接，进行画面的动态连接及设置，使得画面的图形对象与数据变量之间建立关系，当变量值改变时能够通过画面的动态效果呈现。3）编写命令语言来驱动应用程序，增强程序在不同条件下的功能。5.1.2 变量连接WINCC中变量分为内部变量和过程变量。1）内部变量：只用于WINCC内部，将在该通讯驱动程序的目录结构中创建相关变量。不是由过程提供数值的变量，将被当作“内部变量”，在“内部变量”目录中创建。外部变量比如CPU中数据块的值DB1.DBW0，而内部变量可定义一些仅在WINCC内部使用的变量，比如登录退出密码，画面号，或没有PLC模拟时用的一些试验变量等。2）过程变量：由过程提供值的变量，将被称之为WinCC中的过程或外部变量。对于过程变量，变量管理器可通过哪个WinCC与自动化系统的连接（比如S7）以及如何执行数据交换来确定通讯驱动程序（比如MPI）。如表1所示，所列为PLC与WINCC连接的时候所使用到的过程变量以及其所对应的地址。表 1 PLC与WINCC变量连接的地址编程元件IO端子对应的WINCC变量作用输入继电器I0.0zongtingzhi热风炉总停止开关I1.1ob1_fc1OB1调用单炉启动模块开关I1.2ob1_fc2OB1调用三炉启动模块开关I1.3fc1_fc3单炉模块调用1#炉工作I1.4fc1_fc4单炉模块调用2#炉工作I1.5fc1_fc5单炉模块调用3#炉工作I3.01_qidong1#炉启动开关I3.11_songfengzhiling1#炉送风指令开关I3.22_qidong2#炉启动开关I3.32_songfengzhiling2#炉送风指令开关I3.43_qidong3#炉启动开关I3.53_songfengzhiling3#炉送风指令开关输出继电器Q4.01_mqtiaojie1#炉煤气调节阀Q4.11_mqqieduan1#炉煤气切断阀Q4.21_mqanquan1#炉煤气安全阀Q4.31_mqranshao1#炉煤气燃烧阀Q4.41_zrtiaojie1#助燃空气调节阀Q4.51_zrqieduan1#助燃空气切断阀Q4.61_refeng1#炉热风阀Q4.71_lengfeng1#炉冷风阀Q5.01_chongfeng1#炉充风阀Q5.11_yandao1#炉烟道阀Q5.21_feiqi1#炉废气阀Q6.02_mqtiaojie2#炉煤气调节阀Q6.12_mqqieduan2#炉煤气切断阀Q6.22_mqanquan2#炉煤气安全阀Q6.32_mqranshao2#炉煤气燃烧阀Q6.42_zrtiaojie2#助燃空气调节阀Q6.52_zrqieduan2#助燃空气切断阀Q6.62_refeng2#炉热风阀Q6.72_lengfeng2#炉冷风阀Q7.02_chongfeng2#炉充风阀Q7.12_yandao2#炉烟道阀Q7.22_feiqi2#炉废气阀Q8.03_mqtiaojie3#炉煤气调节阀Q8.13_mqqieduan3#炉煤气切断阀Q8.23_mqanquan3#炉煤气安全阀Q8.33_mqranshao3#炉煤气燃烧阀Q8.43_zrtiaojie3#助燃空气调节阀Q8.53_zrqieduan3#助燃空气切断阀Q8.63_refeng3#炉热风阀Q8.73_lengfeng3#炉冷风阀Q9.03_chongfeng3#炉充风阀Q9.13_yandao3#炉烟道阀Q9.23_feiqi3#炉废气阀位内存MD1101_wendu1#废气温度MD1201_fengya1#充风阀风压MD1302_wendu2#废气温度MD1402_fengya2#充风阀风压MD1503_wendu3#废气温度MD1603_fengya3#充风阀风压MD2101_mqfa1#煤气调节阀打开角度MD2201_zrfa1#助燃空气调节阀打开角度MD2302_mqfa2#煤气调节阀打开角度MD2402_zrfa2#助燃空气调节阀打开角度MD2503_mqfa3#煤气调节阀打开角度MD1153_zrfa3#助燃空气调节阀打开角度MD125mqliuliang煤气总管流量MD135zrliuliang助燃空气总管流量MD145rfliuliang热风总管流量MD155lfliuliang冷风总管流量MD165yqliuliang烟气总管流量图5.1 所示是WINCC组态软件中在MPI驱动下创建的变量。在refenglu_PLC的驱动下，新建1_lu、2_lu、3_lu三个变量组，用以存放3座热风炉所对应的各类变量。如1_qidong等。下图所示是1#热风炉的变量。图 5.1 WINCC与PLC变量的连接5.2 监控画面的设计图 5.2所示为热风炉监控系统设计的总框图，监控画面总共由主控画面、1#热风炉调节画面、2#热风炉调节画面、3#热风炉调节画面、温度趋势曲线图和故障报警画面组成。3#热风炉调节画面故障报警画面温度趋势曲线图2#热风炉调节画面1#热风炉调节画面主控画面监控画面设计 图5.2 热风炉监控画面设计框图5.2.1 主控画面 热风炉监控系统的如图5.3所示，其中红色长管为热风管道，浅蓝色为助燃空气管道，黑色为煤气管道，深蓝色为烟气管道，黄色为冷风管道。在1#热风炉上，各阀门的名称均已标出，其中，煤气支管上装有煤气调节阀、煤气切断阀、煤气安全（放散）阀和煤气燃烧阀，助燃空气支管上装有助燃空气调节阀、助燃空气切断阀，右边红色热风管道上则是热风阀，用于向高炉送风。在热风炉的下方，自左向右，依次是冷风阀、充风阀、烟道阀和废气阀，其中充风阀是用于向热风炉中充入冷风，当风压达到一定的值时，充压完毕，开冷风阀、热风阀，进入送风状态。煤气支管和助燃空气支管上的调节阀，采用S7-300中的FC105模拟模块来进行仿真，当热风炉的废气温度达到350时，则由燃烧状态进入焖炉状态，然后等待工长的命令，准备进入送风状态，送风过程中，随着时间的推移，热风的温度也会随之下降，当温度低于200的时候，送风停止，热风炉再次进入燃烧状态。同样的，煤气和助燃空气总管的流量显示也是采用的模拟模块来模拟的。此外，在热风炉送风状态中，它的充压过程也是采用这种方法，在充压过程对热风炉的风压进行监控，当风压达到设定的值时，充压完毕，开始送风。图 5.3 热风炉监控系统主控画面1）输入输出域的设置在监控画面中药使用到温度、流量的显示，所以使用智能对象中的输入输出域进行显示，如图5.4所示，是对1#热风炉的温度所对应的输入输出域进行设置。因为此只用于输出，而不具有重新设定温度值的功能，所以在I/O域组态对话框中选择的类型是“输出”，一般的更新周期是250毫秒或者选择“根据变化”。图 5.4 输入输出域的设置2） 模拟输气管道动作的设置为了让监控画面更加生动，在主控画面的管道中加入白色的长方形，用以模拟管道中的气体的动作。当任一一座热风炉启动的时候，煤气管道和助燃空气管道中的白色长方形触发开始动作，以10个单位的速度向左运行，当达到设定的最左端界限的时候，再次返回最右端起点，以模拟煤气和助燃空气的不断输入。而烟气和冷风管道中的白色长方形则是在启动后以10个单位的速度向右运行。热风管道不通于以上四管，它的触发需要得到送风指令才能触发。以1#热风炉为例，当按下启动按钮后，煤气管道、助燃空气管道、冷风管道和烟气管道中的白色长方形开始以自己的轨道运行，此时当打开煤气和助燃空气切断阀的时候，煤气支管和助燃空气支管中的白色长方形才开始以5个单位的速度自上而下运行，表示开始有煤气和助燃空气进入到热风炉燃烧室中。当煤气和助燃空气的切断阀断开的时候，支管中气体不再运动，白色长方形停止。同样的，在热风、冷风、烟气支管中的气体也以同样的规律运动。图5.4 热风炉模拟输气管道动作的C语言编译过程a）如下是热风管道中右数第一个长方形的C动作代码，flag1,flag2,flag3分别对应着1#热风炉、2#热风炉和3#热风炉的送风指令，当其中任一一座热风炉得到送风指令的时候，即表示此时的热风管道中有热风由热风炉送往高炉，管中气体则会开始运动，长方形所代表的气体也会以10个单位的速度向左（高炉）方向运行。热风管道中设有4个类似的长方形以形成管中气体流动的模拟画面。另外三个长方形的代码与第一个长方形代码类似，在此不作列举。此外，煤气管道、助燃空气管道、烟气管道和冷风管道中也同样设有类似的长方形来模拟气体流行的画面，它们C动作的代码均与下面所附代码类似，唯一不同的是为实现循环往复运行时所设置的X位置不同。#include apdefap.h long _main(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName)BOOL flag1,flag2,flag3;long movex_11;flag1=GetTagBit(1_songfengzhiling);/Return-Type: BOOL flag2=GetTagBit(2_songfengzhiling);flag3=GetTagBit(3_songfengzhiling);movex_11=GetLeft(zhukong.Pdl,Polygon118);if(flag1|flag2|flag3) movex_11=movex_11-10; if(movex_11=225) movey_11=195; return movey_11;5.2.2 调节画面如图5.5所示，以1#热风炉为例，图中列出来1#炉各项参数，其中最左侧一栏时当前该热风炉的工作状态，比如1#炉处于燃烧状态，则其后的指示灯也会相应的亮起，状态的下方设有状态切换按钮，可以手动的切换当前热风炉的状态，比如强制让热风炉提前进入送风状态，在第一栏的最下方是空燃比，即助燃空气与煤气的比值，此时为了更好控制煤气和助燃空气的调节阀，以达到最佳空燃比，调高燃烧效率，之后的栏里，可以对煤气调节阀和助燃空气调节阀进行调节设置。在程序中，默认的系统的拱顶温度达到1300时，转为测量废气的温度，当废气温度达到相应的设定值时，则进入下一状态，同样的我们可以对热风炉的拱顶温度和废气温度进行设置，改变其温度，以满足不同的需求。最右边一栏是1#热风炉各个阀门的工作状态的显示，当该电磁阀处于工作的时候，其后面的指示灯就会相应的亮起，亦可由此判断电磁阀是否出现故障。图 5.5 1#热风炉调节画面图5.6所示就是调节画面中对指示灯进行“动态对话框”的设置，所对应的变量均为布尔类型，真的时候显示绿色，假的时候则为白色。图5.6 1#热风炉指示灯设置5.2.3 温度趋势画面在监控系统中插入趋势图控件，用于监测热风炉的温度，能实时的将热风炉的温度反馈到上位机中，能让工作人员不需到现场检测，就能了解热风炉的温度变化。从而能够针对温度的变化更好的观察热风炉的运行情况。图 5.7 温度趋势曲线图在设置温度曲线图之前，必须先要设置用户归档，将所需要显示的变量进行归档，然后在趋势图控件中进行设置，1#，2#，3#热风炉的温度曲线设置成不同的颜色，然后将其所对应的的变量1_wendu、2_wendu、3_wendu加入其中。图 5.8 温度趋势曲线控件的设置5.2.3 温度趋势画面图5.9所示为热风炉监控系统的故障报警画面，上面有热风炉监控系统中每一个设备的故障状态指示灯，当该设备故障的时候，其后面的指示灯会马上亮起，当故障排除后，按下其后的按钮，则会切除故障，系统又重新恢复运行。当热风炉在运行的时候，假如某一部分出现故障，在主控画面中的报警指示灯会马上亮起，这时候打开故障报警画面，会马上找出具体的故障设备，为查找故障原因，节省了大量时间和精力，方便、快捷、高效。图 5.9 故障报警画面结 论经过这学期的毕业设计，对西门子PLC S7-300和WINCC V6有了深入了解，学习了有关热风炉的工作原理、工作流程以及控制过程。结合热风炉实际运行的情况，选定了试用与目前工业设备的一套可行的方案。本文首先介绍了热风炉的在目前工业中的作用，课题的来源。选取目前社会上应用最广泛的卡鲁金顶燃式热风炉进行介绍，从其结构、类型、工作原理、发展和控制的现状等几方面展开讨论。然后对选择开发工具进行了介绍。监控画面的设计主要由主控画面、3座热风炉的调节画面、温度趋势图和报警画面组成。首先完成了监控画面的绘制，之后是与PLC连接部分变量以及内部变量的定义。在监控画面中加入各类设备的指示灯，采用动态对话框对其进行颜色的设置，使之随着其对应变量的值的改变颜色也会相应改变，同时在主控画面上加入了IO输入输出域，用以显示煤气等的流量，以及在管道中用C动作设置白色长方形用来模拟管道中气体的运行，这些都使得监控画面更加逼真、生动。更接近实际。同样的，调节画面中也是加入了指示灯和输入输出域。趋势图画面中加入了WINCC控件Function Trend来显示温度的变化，使之更加形象、直观。故障报警画面中，故障的设备其对应的指示灯会立即显示红色，同时在主控画面中也会显现出来，为排除故障节省时间，调高了效率。通过这次的毕业设计，我对热风炉的工作流程有了一个深入的了解，由于本人的水平和能力有限，对该课题的许多方面还没有深入研究。另外，论文难免在某些方面存在一些不成熟和欠妥之处，恳请各位老师、专家大力斧正，不吝赐教。致 谢在淮阴工学院，我度过了四年愉快的学习生活，在此期间我不但从我周围的老师那里学到了不少专业知识，而且也和多位老师建立了深厚的感情，在我的学业即将完成之时，我谨向辛勤培育和关心我的老师们致以崇高的敬意和深深的感谢！特别值得感谢的是我的指导老师刘斌副教授，在他的精心指导和耐心帮助下，本课题的研究工作才能顺利的进行。感谢学校在毕业设计期间为我们提供做好毕业设计的条件以及实验室全体老师的辛勤工作和支持！各位老师严谨的治学作风和科研态度，给予了我潜移默化的影响。他们广博的知识、严谨求实的工作作风、锐意创新的科研态度给我留下了深刻的印象。在此我再一次向各位老师致以最诚挚的感谢。同时，我的家人和朋友在生活上给予我极大的关心、支持和鼓励，使我能顺利完成论文的研究工作，在此向他们表示最深情的谢意！参 考 文 献1.张军强.淮钢6号高炉热风炉工艺配置.炼铁技术通讯.2009年02期.2.中国冶金网.热风炉自动控制系统是怎样构成的.2012年05期