基于PLC的加热炉控制系统设计文献综述--张志兵

内蒙古科技大学信息工程学院测控专业毕业实习报告文献综述题 目：基于PLC的加热炉控制系统设计学生姓名：张志兵学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：测控2010-1指导教师：左鸿飞第一章 步进式加热炉背景及工艺1.1加热炉简介加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建才、电字、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉，炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。70年代以来，由于轧机的大型化，步进梁式炉得到了广泛应用。1.1.1 步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。同推钢式炉相比，它的优点是：运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。1.1.2 步进式炉的几种类型步进式炉从炉子构造上分目前有：单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好。炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。例如预热段每走一步，加热段可以走两步或两步以上。这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。1.1.3 步进式炉的优缺点步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。步进式炉具有以下特点： (1) 炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60米长，一个步进式炉可以代替1.52个推钢式炉。（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。(9)生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。(10)产量大幅度提高, 每年在100万吨以上。步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。1.2 步进式加热炉的工艺简介1.2.1 步进式加热炉的生产工艺流程加热炉生产时，根据轧制计划，将板坯送至加热炉上料运输辊道，钢坯经称重、测长、测温后送至区域管理计算机指定的炉门装料口，按布料图进行定位，在确定炉内有足够空间后，装料炉门打开，装钢机将板坯送入炉内，板坯间隔50mm，完毕后装料炉门关闭。炉内板坯通过步进梁的运动，经过炉子的预热段、加热段、均热段充分加热，达到轧制要求温度后，运行至出料端激光检测处并完成最后一次步进运动，经激光检测器检测及步进梁行程控制系统和炉内坯料跟踪系统计算，钢坯在炉内准确位置的信号被送往出钢机，出钢机托起钢坯出炉，准确将钢坯放在出炉辊道中心线上，再由出炉辊道输送到粗轧机轧制。 为了便于灵活调节各段炉温，在预热段与加热段，加热段与均热段之间设有无水冷隔墙。用无水冷隔墙隔开，可以精确控制各段炉温以及炉膛压力，减少各段之间的辐射干扰。各段均为上加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。通过每对蓄热式烧嘴的切换燃烧，加强了炉气在炉内的扰动，增强了炉气对钢坯的传热。空气预热温度100以上，排烟温度150以下。图1-1 步进式加热炉工艺图加热炉采用端进料、端出料，这样由炉尾推料机直接推送出料，不需要单独设出料机，而且适合较宽的料坯，可以几个炉子共用一个辊道，占用车间面积小，操作也比较方便。1.2.2 影响钢坯加热质量的若干因素影响钢坯加热质量的因素较多，如加热温度、断面温差、长度方向的温差、水印温差、加热速度、加热时间、气氛待性、钢坯间距、钢坯尺寸、燃料燃烧、冷却方法、炉子的密封程度、炉壁炉顶的散热、步进梁速度、废气带走热量等，都会对钢坯质量产生显著影响。其中加热温度和炉膛压力对钢坯质量影响较大，而且可控。钢坯的加热制度应保证在加热装置最大生产率和最适宜的气(液)体燃料耗量的前提下达到尽可能高的加热效果，最终得到断面均一、温度均匀的优质产品。钢坯温度对钢坯质量的影响较大，钢坯加热温度是产品质量保证的关键。若温度偏低则不能很好的进行轧制，以致难以达到所需固定成型效果。随温度逐渐升高，烙蜕固结的效果亦逐渐显著。综合考虑影响加热过程的各个因素，加热温度和炉膛压力对于钢坯质量的影响颇大，而且是一个可以控制的量，所以选择炉膛温度和炉膛压力作为被控参数。第二章 控制方案设计本设计硬件系统将采用西门子s7-300来实现，软件系统将利用Win CC系统来实现,下面详细介绍硬件系统。2.1 控制方案步进式加热炉的热工制度主要包括:温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。 根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入喷嘴，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量；炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气、煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。对于炉膛压力，采用单回路控制，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，达到控制炉膛压力的目的。2.1.1 燃料燃烧的控制系统设计双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路而构成2。双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干扰的影响，使燃料流量变得比较平稳。通过比值控制副流量即空气流量也将比较平稳。这不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要特点。另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值，就可以提降燃料流量，同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合，实用性强。设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下：图2-1 燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图2.1.2 炉温的控制系统设计在步进式加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费了燃料并污染了环境。所以为了控制温度，工艺上不但要求燃料量与空气量成一定的比例，而且要求在温度发生变化时，燃料与空气的提降量有一定的先后次序，以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。本设计采用单交叉限幅控制，即以炉内温度为主环，空、煤气为副环的串级炉温控制回路。串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。在这个设计中，主控制器是温度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空气控制器，这要依据提降时的先后顺序而定。一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，在该系统中主参数温度是一个定值，工业上要求步进式加热炉预热段温度为7501100，加热时间1530分钟；加热段的温度为12501300，加热时间4060分钟；均热段的温度为1150 1250，保温时间2030分钟；连铸冷坯料、模铸冷坯料的总加热时间为90120分钟；因此，主环是一个定值控制系统。而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。设计的炉温与流量的串级控制系统方框图如图2-2。图2-2 炉温与流量串级控制系统方框图加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的。温度控制器根据实测温度，按照PID控制策略，产生一个输出。该输出作为煤气控制器和空气控制器的设定值，去控制煤气和空气流量。温度控制器与煤气流量控制器或空气流量控制器构成一个串级控制系统。其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器或空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。在控制炉温的过程，当炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量，当炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气煤气交叉控制，以保证燃料的完全燃烧。而完成具有逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS、低选择器LS。炉温的单交叉限幅控制的检测流程图如下： 图2-3 单交叉限幅控制的检测流程图图2-3所示为“串级和比值控制组合的系统，由炉膛温度与燃料、空气流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS、低选择器LS。在正常工况下，即系统处于稳定状态时，温度控制器的输出，等于燃料流量变送器的输出，也等于空气流量变送器的输出。2.1.3 炉膛压力的控制系统设计单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此又称为简单控制系统。单回路控制系统虽然简单，却能解决生产过程中的大量控制问题。单回路控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。炉内气体流动状况是炉膛压力的主要影响因素，而气体流动状况又受到烟道百叶窗的开度的直接影响。设计中对炉压的控制采用的是单回路控制策略，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，进而控制炉膛压力，炉压检测点位于出料端。设计的炉膛压力单回路控制系统方框图如下：图2-4 炉膛压力控制系统方框图2.2 控制规律的选择控制器主要有三种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。比例控制规律（P）的特点是：控制器的输出信号与输入信号(偏差)成比例，即阀门的开度变化与偏差变化有对应关系。它能较快地克服扰动的影响，过渡过程时间短。但是，纯比例控制器在过渡过程结束后仍然存在余差，而且负荷变化越大，余差也越大。只具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。比例控制规律是最基本的控制规律，它既可以单独采用，又可以与其他控制规律结合在一起用，具有结构简单，整定方便的优点。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量允许在一定范围内有余差的场合。比例积分控制规律(PI)的特点是：控制器的输出不仅与偏差的大小成比例，而且与偏差存在一定的函数关系。具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。例如，流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器。比例积分微分控制规律(PID)的特点是：在增加了微分作用后，控制器的输出不仅与偏差的大小和存在的时间有关，而且还与偏差的变化速度成比例，这就可以对系统小的容量滞后起到超前补偿作用，并且对积分作用造成的系统不稳定性也有所改善。把具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为PID控制器，又称三作用控制器，比例积分微分控制规律综合了多种控制规律的优点，是一种比较理想的控制规律。根据工艺的要求和控制规律的特点，从串级控制系统的结构看,主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。温度是主变量，为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用，它的控制通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高，在这种情况下，为保证主变量的控制精度，故温度控制器应选用比例积分微分控制规律(PID)。然而副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速、精确地跟随主控制器的输出而变化，副控器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢，当选流量作为副参数时，为保稳定，P较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度地变化，这对控制也是不利的。只有当副对象容量滞后较大时，可适当加一点微分作用。所以在串级控制系统中的流量控制器即副控制器需要采用比例积分控制规律（PI）。在比值控制系统中流量的控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差，所以流量控制器应选用比例积分控制规律(PI)。在炉膛压力单回路控制系统中压力调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量只要控制在微正压即可，允许它在一定范围内有余差，所以压力控制器应选用比例控制规律（P）第三章 仪表选型3.1 检测仪表的选择3.1.1 温度检测仪表炉膛测温热电偶是系统的主要检测元件。考虑测温的准确可靠和反应灵敏，而且预热段温度为7501100，加热段的温度为12501300，均热段的温度为11501250，所以采用镍铬镍硅热电偶(K型) ，这是一种使用面十分广泛的廉价金属热电偶，热电丝直径一般为1.22.5mm，它的测温范围为-2701372。由于钢坯在加热炉设备上干燥，加热炉的三段温度都在其测温范围之内，所以使用K型热电偶。它的热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可以满足加热炉的温度要求，并且可在氧化性或中性介质中长时间地测量900以下的温度。K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且线性好，价格便宜等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求3。3.1.2 流量检测仪表作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管，空气流量测量采用标准孔板配电容式差压变送器。电容式差压变送器是没有杠杆的变送器，它采用差压电容为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，而且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。因此，仪表结构简单，性能稳定、可靠，具有较高的温度。考虑到使用的燃料即焦炉煤气中含有焦油、萘、氨、硫化物和氰化物等杂质，若使用流量孔板，则取压孔易堵塞，杂质附着在孔板上，影响测量的准确性。漩涡式流量计是按流体振荡原理，应用强迫振荡的漩涡旋进原理进行流量检测的。这种检测方法的特点是管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小，测量精度高(约为51)，量程比可达100：1，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定，尤其适用于大口径管道的流量测量。因此，设计选用漩涡式流量计测量煤气流量3。3.1.3 压力检测仪表单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。3.2 PLC选型PLC(Programmable Logic Controller)是可编程序控制器的英文缩写, 它是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器,是专为工业环境应用而设计的。PLC及其有关的外围设备都应该以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。它的主要功能有：在线数据采集和输出；控制功能，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；数据处理功能，既能进行基本数学、逻辑运算，还可通过编程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，可进行远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等；支持人机界面功能；编程、调试等。PLC的特点是：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；体积小、质量轻、功耗低。S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。（1）产品特点循环周期短、处理速度高、指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能、产品设计紧凑，可用于空间有限的场合、模块化结构，设计更加灵活、有不同性能档次的CPU模块可供选用、功能模块和I/O模块可选择、有可在露天恶劣条件下使用的模块类型。（2）工作原理编辑 PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区（在CPU的系统存储区）（3）编程工具编辑使用STEP7软件对S7-300进行编程，目前S7-300最新的编程软件版本为STEP7 V5.5 SP2。STEP7包含了自动化项目从项目的启动、实施到测试以及服务每一个阶段所需的全部功能。（4）STEP7中的编程语言顺序功能图、梯形图、语句表、功能块图 （5）组成部件导轨（Rail）S7-300的模块机架（起物理支撑作用，无背板总线），西门子提供一下五种规格的导轨：导轨长度产品订货号160mm6ES7390-1AB60-0AA0482mm6ES7390-1AE80-0AA0530mm6ES7390-1AF30-0AA0830mm6ES7390-1AJ30-0AA02000mm6ES7390-1BC00-0AA0 电源模块（PS）将市电电压（AC120/230V）转换为DC24V，为CPU和24V直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）提供直流电源。输出电流有2A、5A、10A三种正常：绿色LED灯亮过载：绿色LED灯闪短路：绿色LED灯暗（电压跌落，短路消失后自动恢复）电压波动范围：5% CPU模块各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUSDP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU没有） 信号模块（SM）数字量输入模块：24V DC，120/230V AC数字量输出模块：24V DC，继电器模拟量输入模块：电压，电流，电阻，热电偶模拟量输出模块：电压，电流 功能模块 (FM)功能模块主要用于对时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务。计数：计数器模块定位：快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块等闭环控制：闭环控制模块工业标识系统：接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。 接口模块 (IM)接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。连接：IMS 360发送、IMR 361接收；对于双层组态，常用硬连线的IM 365 接口模块距离：采用IM 365 、两层机架，电缆最大长度可达1米；采用IM 360 / 361 、多层机架，机架之间电缆最大长度10米 通讯处理器(CP)扩展中央处理单元的通讯任务，提供以下的连网能力：点到点连接、PROFIBUS、工业以太网3.3 Win CC简介从面市伊始，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。通