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加热炉温度控制系统
加热炉温度控制系统的设计
摘要
随着我国国民经济的快速发展,加热炉的使用范围越来越广泛。
而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响这场品的质量和产量。
以前加热炉的控制系统大多数是采用模拟控制系统,且各种数据只在加热炉系统中进行单独储存和通过加热炉自己的仪表进行观察、判断故障。
随着网络技术的发展和整个工厂完全实现两级自动化管理的寻妖,要求在过程级上通过相应的终端了解任何一个设备或任何一个装置的控制情况以及生产情况。
因此,过程控制系统在加热炉系统中得到广泛的应用,它是加热炉控制系统的重要部分,是对以及控制系统的一个总领和扩充。
现代加热炉的生产过程可以实现高度的过程控制,以保证在加热过程中温度的准确控制,这就为工业生产提供了有利条件。
加热炉是工业生产中的一个重要装置,它的任务是把原料加热到一定温度,以保证下道工序的顺利进行。
因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用,直接关系到产量﹑能源﹑污染﹑工人劳动强度等等。
以前加热炉的控制多数采用老式的人工控制,需要操作人员完全手动控制燃料﹑原料阀的开度,进行烧炉。
这样一来,流量控制的精度极差,操作的及时性也大大降低。
在引入了过程控制系统之后,这一情况得到了大大的改善。
如何保证原料出口处原料温度是实现加热炉温度控制的基本前提。
关键词:
加热炉;过程控制系统;出口温度;温度控制
Heatingfurnacetemperaturecontrolsystemdesign
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,thescopeofapplicationofheatingfurnacemoreandmorewidely.Andheatingfurnacetemperaturecontrolisintheprocessofindustrialproductionoftenmetinprocesscontrol,andsomeofthetemperatureofaprocesscontrolhasadirecteffectonthequalityofproductsandproduction.Alongwiththedevelopmentofnetworktechnologyandthewholefactoryfullyrealizedtheautomationmanagementleveltwosearchformonster,therequirementsintheprocesslevelthroughthecorrespondingterminalunderstandanyequipmentoranyadeviceandthecontroloftheproductionprocess.Therefore,processcontrolsysteminheatingfurnacesystemwidelyapplied,itisanimportantpartoftheheatingfurnacecontrolsystem,istoandcontrolsystemofatotalbroughtandexpandModernheatingfurnaceproductionprocesscanrealizetheheightoftheprocesscontroltoensuretheheatingprocessinthetemperatureoftheaccuratecontrol,industrialproductionprovidesfavorableconditions.Heatingfurnaceindustrialproductionisanimportantdevice,itisthetaskoftherawmaterialheatedtoadefinitetemperature,toensurethesmoothprogressofthenextworkingprocedure.Thecontroloftheheatingfurnacebeforemostoftheoldmanualcontrol,needoperatorsfullymanualcontrolvalveofrawmaterials,fuel,andtheopeningofthefurnace.Ontheintroductionoftheprocesscontrolsystemafter,thissituationgotbigimprovement.Howtoguaranteetherawmaterialsattheexittemperatureistorealizethebasicpremiseofheatingfurnacetemperaturecontrol.
Keywords:
heatingfurnace;Processcontrolsystem;Exporttemperature;Temperaturecontrol
目录
摘要2
Abstract3
1加热炉温度控制系统的目标5
2加热炉温度控制系统的任务5
2.1炉出口温度的稳定5
3加热炉一般结构与控制原理5
3.1两段式加热炉5
3.2三段式加热炉6
3.3步进式加热炉6
3.4推钢式加热炉6
4加热炉温度调节系统6
4.1简单控制系统6
4.2串级控制系统7
5加热炉温度控制系统原理7
6控制方案8
6.1简单控制系统8
6.2串级控制系统8
7仪表选型10
参考文献17
致谢18
引言
由于热炉的温度对于保证产品的指标是非常重要的,控制效果好,即能保证产品质量又能提高产量。
某些加热炉出口温度控制非常困难,波动幅度大,控制不理想的原因在于被控对象十分复杂:
1﹑原料的流量变化造成温度波动很大;
2﹑处理量频繁提降也造成出口温度的波动;
3﹑产品的不断切换也使炉口的温度产生较大的波动;
4﹑加热炉的温度存在较大的时滞。
可以看出,加热炉系统是一个时变,大时滞,多干扰的复杂系统。
从加热炉工作特性可以看出,燃料量的多少是加热炉温度变化的决定因素。
但其变化过程是:
燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的变化,由此可见,对炉出口温度的控制采用炉膛温度与炉出口温度进行控制方案是合理而且可行的,这种方案也有助于对一系列干扰的克服。
1加热炉温度控制系统的目标
利用对燃料量的控制最终来实现对原料出口处原料温度的控制。
加热温度的理论上应当是1400-1530℃,实际上由于钢中偏析及非金属夹杂质的存在,加热还不到理论温度就可能在晶界出现熔化而后氧化,晶粒间失去塑性,形成过烧。
所以终轧温度不能太高,最好在850℃左右,不要超过900℃,也不要低于700℃。
2加热炉温度控制系统的任务
在保证经济性和炉膛压力的稳定的情况下,加热炉温度控制系统的任务是原料出口处原料温度达到下一流程的要求。
一般来说控制系统任务包括以下部分:
2.1炉出口温度的稳定
燃料量的变化首先引起炉膛温度的变化,由于炉膛温度产生变化,进而引起炉出口温度的变化,温度调节器对被控参数精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合,先根据炉膛温度的变化,改变燃料量,快速消除来自燃料的干扰对炉膛温度的影响;然后再根据原料出口温度θ与设定值的偏差,改变炉膛温度调节器的设定值,进一步交接燃料量,使原料出口温度恒定,使终轧温度保持在850℃。
3加热炉一般结构与控制原理
目前,钢铁企业轧钢系统采用的加热炉一般为两段或三段式加热炉,钢坯在炉内的运动形式一般为步进式或推钢式,下面就将这几种形式简要介绍一下
3.1两段式加热炉
沿路长分为加热段和预热段两部分,按加热方式又可分为“单面加热”和“双面加热”两种炉型。
一般当坯料厚度大于100mm是采用双面加热。
在两段式加热炉的加热过程中,为保证产量通常加大加热段炉温设定点,这就使出炉钢坯表面和中心存在较大的温差,严重时影响正常轧制。
所以,两段式加热炉在实际使用中产量受到一定限制。
3.2三段式加热炉
目前钢铁企业各轧钢厂加热炉普遍使用的一种炉型。
它分为预热段、加热段和均热段,相对于两段式加热炉它增加了均热段。
该类型加热炉加热段炉温一般比两段式高出50——100℃,在进入均热段式钢坯表面温度已达到或高出出钢温度,在均热段钢坯断面温度逐步均匀,并在一定程度上消除“黑印”。
三段式加热炉非常有利于轧机产量的提高。
3.3步进式加热炉
依靠步进梁的顺序、往复运动使被加热钢坯从炉尾移动到出料端,中间经过各加热段,最终是钢坯达到规定的温度后出炉。
由于钢坯在加热炉内前、后、上、下均匀受热,所以加热效果良好。
加热后,钢坯断面受热均匀,钢坯表面不产生“黑印”、不“粘钢”,工人操作方便,所以目前加热炉内钢坯的运动形式大部分采用“步进式”。
3.4推钢式加热炉
将钢坯用推钢机从炉尾推入加热炉内,靠推力使钢坯在炉内移动的一种加热炉。
推钢式加热炉具有炉内钢坯排列紧密、生产率高的特点,但他对加热控制要求较严格,对操作工人的经验要求较高,容易出现“过烧”、“粘钢”等现象。
目前在棒线材生产中已逐渐被“步进式”加热炉取代。
4加热炉温度调节系统
4.1简单控制系统
利用对燃料量的控制最终来实现对原料出口处原料温度的控制。
在原料出口处设置温度传送器,由其带动回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制,这样便构成了以原料出口温度为主要被控参数的加热炉简单温度控制系统如图1所示。
图1.加热炉简单控制系统
4.2串级控制系统
在图1基础上再在炉膛设置主回路温度传送器,由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。
这样,便构成了以原料出口温度为主要被控参数,以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统如图2所示。
图2.加热炉温度串级控制系统
5加热炉温度控制系统原理
加热炉沿路长分为预热段、加热段、均热段。
预热段不布置烧嘴。
钢坯进入加热炉后,首先利用加热段和均热段排出的高温烟气缓慢加热钢坯,这是考虑到钢坯加热速度在塑性范围外不能太大,这样钢坯开始升温速度不大,温度应力小,不会造成裂纹或断裂。
钢坯运行到加热段时,钢坯中心温度已超过500℃,进入塑性范围。
此时快速加热钢坯表面,温度迅速上升到出炉温度,当钢坯进入均热段时表面温度不再升高,各断面温差逐步缩小达到均热。
这样,钢坯经过预热、加热、均热三个过程就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的钢坯。
6控制方案
6.1简单控制系统
简单控制系统温度调节器T1C是根据原料的出口温度θ1(t)与设定值的偏差进行控制。
当燃料部分出现干扰后,控制系统并不能及时产生控制作用,克服干扰对被控参数θ1(t)的影响控制质量差。
当生产工艺对原料出口温度θ1(t)要求很严格时,简单控制系统很难满足要求。
6.2串级控制系统
串级控制系统中,由于引入了副回路,不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰,也能加速克服主回路的干扰。
副回路具有先调﹑粗调﹑快调的特点;主回路具有后调﹑细调﹑慢调的特点,对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。
由于主副回路相互配合﹑相互补充,使得控制质量显著提高。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。
中间被控变量:
炉膛温度;
操纵变量:
燃料流量。
炉膛温度变化时,TsC可以及时动作,克服干扰。
系统图如图3所示。
图3.加热炉温度串级控制系统结构框图
在系统结构上,串级控制系统有两个闭合的回路:
主回路和副回路,主﹑副调节器串联工作;主调节器输出作副调节器设定值,系统通过副调节器输出控制执行器动作,实现对参数的设定控制。
串级控制系统的主回路是定值控制系统,副回路是随动控制系统,通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。
串级控制系统中,由于引入了副回路,不仅能够迅速克服作用于副回路内的干扰,也能加速克服主回路的干扰。
副回路具有先调﹑粗调﹑快调的特点;主回路具有后调﹑细调﹑慢调的特点,对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。
由于主副回路相互配合﹑相互补充,使控制质量显著提高。
调节器正反作用方式
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。
串级控制系统有两个回路,主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。
副调节器作用方式的确定:
处于生产工艺安全的考虑,燃料调节阀选用气开式,这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态,防止燃料进入加热炉,确保设备安全,调节阀的Kv>0。
然后确定副被控过程的K02,当调节阀开度增大,燃料量增大,炉膛温度上升,所以K02>0。
最后确定副调节器,为保证副回路是负反馈,各环节放大系数乘积必须为正,所以副调节器大于0,负调节器作用方式为反作用方式。
主调节器作用方式的确定:
炉膛温度升高,物料出口温度也升高,主被控过程K01>0。
为保证主回路为负反馈,各环节放大系数乘积必须为正,所以副调节器的放大系数K1>0,主调节器作用方式为反作用方式。
例如图2所示加热炉温度串级控制系统示意图,从加热炉安全角度考虑,调节阀应选气开阀,即如果调节阀的控制信号中断,阀门应处于关闭状态,控制信号上升,阀门开度增大,流量增加,是正作用方式。
反之,为负作用方式。
副对象的输入信号时燃料流量,输入信号时发后燃料压力,流量上升,压力亦增加时正作用。
测量变送单元作用方式均为正。
7仪表选型
DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构,提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性,适应了大型工业生产的防爆要求。
DDZ-III型仪表具有以下主要特点:
(1)采用国际电工委员会(IEC)推荐的统一信号标准,现场传输信号为DC4~20mA,控制室联络信号为DC1~5V,信号电流与电压的转换电阻为250
。
(2)广泛采用集成电路,仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
(3)整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的,而且增加了安全栅,实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离,使仪表能在危险的场所中使用。
DTZ-2400DDZ-III型PID调节器的接线端子图如图4。
主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。
调节器接收变送器送来的测量信号(DC4~20mA或DC1~5V),在输入电路中与给定信号进行比较,得出偏差信号,然后在PD与PI电路中进行PID运算,最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。
DTZ-2400仪表技术参数:
1、输入信号:
1~5V.DC
2、内给定信号:
1~5V.DC
3、外给定信号:
4~20mA.DC
4、调节作用:
比例+积分+微分
比例带:
2~500%
积分时间:
0.01~2.5分
微分时间:
0.04~10分(可切除)
5、输入、给定指示表:
指示范围:
0~100%
误差:
±1%
6、输出指示表:
指示范围:
0~100%误差:
±25%
7、输出信号:
4~20mA.DC
8、负载电阻:
250~750Ω
9、切换特性:
属于无平衡无扰动切换。
自动/软手动切换扰动量小于满度的±0.25%
硬手动/自动或软手动切换扰动量小于满度的±0.25%
软手动/硬手动切换予调后扰动量小于满度±5%
10、最大工作电流:
约200mA
11、工作条件:
环境温度:
0~45℃相对湿度:
≤85%
工作振动:
频率≤25Hz全振幅≤0.1mm
周围空气中不应有对铬、镍镀层、有色金属及其合金起腐蚀作用的介质。
12、电源电压:
24V.DC
13、功耗:
6W
14、重量:
6kg
15、前馈信号:
1~5VDC4~20mA.DC(适用于前馈调节器)
16、前馈系数:
0.8~1.2(适用于前馈调节器)
17、刻度误差:
±0.5%(适用于前馈调节器)
18、限制范围:
高限:
75~105%(适用于抗积分饱和调节器)
低限:
-5~25%(适用于抗积分饱和调节器)
刻度误差:
±0.5%(适用于抗积分饱和调节器)
主、副电路检测变送器的确定
主回路热电偶温度检测元件
热电偶作为温度传感元件,能将温度信号转换成电动势(mV)信号,配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温,可以在1600°C高温下长期使用。
主回路温度变送器:
DBW-1190型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。
本温度变送器用热电偶作为测温元件,将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出,供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统
技术参数:
输入:
标准热电偶
输出:
输出电流:
4~20mADC
输出电压:
1~5VDC
输出电阻:
250Ω
允许负载变化范围:
100Ω
冷端补偿误差:
≤1℃
温度漂移:
≤0.1×基本误差/1℃
绝缘电阻:
电源、输入与输出端子间≤100MΩ
绝缘强度:
电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟
工作条件:
环境温度:
0~50℃
相对湿度:
≤90%(RH)
电源电压:
24VDC±5%
功耗:
<2W
防爆等级:
(ib)IICT6
重量:
<2Kg
图4.DBW-1190热电偶温度变送器
副回路温度检测原件
采用热电阻测量温度,一般将电阻测量信号通过电桥转换成电压,当热电阻的连接导线很长时,导线电阻对电桥的影响不容忽视。
为了消除导线电阻带来的误差,不管热电阻和测量一边之间的距离远近,必须使导线的阻值符合规定的数值,如果不足,用锰铜电阻丝凑足。
同时,热电阻必须用三线接法,如图67所示
图5.热电阻三线制接线图
图6.三线制接线引脚图
副回路温度变送器
Pt100热电阻温度变送器是一种将热电阻信号,经全隔离放大转换成与温度成正比的标准直流信号,从而实现对被测温度信号精确测量的仪器。
该变送器输入、输出、电源三方全隔离,抗干扰能力强,远传不受其它设备影响。
输入、输出选择范围宽,准确度高,电源可选择,导轨安装便于检测与维护。
广泛用于各种对温度进行测量的监控系统中。
图7.PT100热电阻温度变送器
技术指标
精确度:
±0.2%FS
输入信号:
PT100,CU50
对应温度范围:
-200---600℃内各量程
输出信号:
0-100mV,0-5V,0-10V,0-20mA,4-20mA
隔离方式:
:
输入/输出/电源三方全隔离
输入阻抗:
10MΩ
输出负载:
≥5K(电压输出);≤250Ω(电流输出)
辅助电源:
DC12V,15V,24V
安装导轨:
标准DIN35
外形尺寸:
96*24*40mm
频率响应:
≤45HZ
使用温度范围:
-10-60℃
贮存温度范围:
-20-70℃
温度系数:
150ppm/℃
满量程调整范围:
20% (SPAN电位器)
调节阀的确定
从生产工艺安全出发,燃料油调节阀选用气开式,即一旦出现故障或气源断气,调节阀应完全关闭,切断燃料油进入加热炉,确保设备安全为了保证。
由于本系统存在易爆环境,所以应选用气动调节阀,且为气开形式。
ZJHP型气动单座调节阀由气动多弹簧薄膜执行机构和低流阻单座阀组成,新型执行机构高度低、装校简便,新型阀体结构紧凑、流道通畅,具有大的流量系数。
本阀操作稳定,具有可靠的动作特性,微小的阀座泄漏、精确的流量特性、宽大的可调范围等特点
调节机构主要技术参数
气动阀门定位器
ZPQ-01型气动单座阀门的配套附件
输出压力:
20-10040-20060-100Kpa
供气压力:
140-250Kpa
图8.气动阀门定位器接线图
仪表配接说明
标准热电偶的正负极分接DBW-1190型热电偶温度变送器1、2号引脚,DBW-1190型热电偶温度变送器5、6号引脚接主调节器的1、2号引脚,主调节器的13、14号输出引脚接副调节器的7、8号引脚作为副调节器的外给定电流。
铂电阻采用三线制解法接到副温度变送器Pt100型热电阻温度变送器的1、2、3号引脚,副温度变送器7、8号输出引脚接到副调节器的1、2号输入引脚,副调节器的13、14号输出引脚接到气动阀门定位器的输入来控制调节阀的开度。
参考文献
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上海交通大学出版社,1993.
[2]金以慧.过程控制[C].第4版.北京:
清华大学出版社,1993.
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武汉理工大学出版社,2002.
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北京机械工业出版社,2006.
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清华大学出版社,1993.
[10]翁维勤.过程控制系统及工程[M].北京:
化学工业出版社,2002.7.
致谢
经过几天的努力,我完成了这篇《过程控制课程》设计。
我非常感谢老师,他们在百忙之中抽出宝贵的时间指导我完成这篇课程设计并且申阅了本设计,详细的指出了设计中的不足和错误,而且提出了宝贵的意见和建议。
在设计过程中,还得到了同学的大量帮助,通过和他们讨论设计内容和借见相关的书籍、经验,使我能更好的完成这篇设计!
在此谨向他们表示衷心的感谢!
并希望以后能更好的合作!
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