【正文】 基于PLC與DCS的步進式加熱爐控制系統(tǒng)摘 要步進式加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上的關鍵設備之一，與軋制機組構成了軋制生產(chǎn)線的主體生產(chǎn)環(huán)節(jié)。為了提高步進式加熱爐產(chǎn)品的質量，本文研究主要是從工業(yè)控制的角度出發(fā)，對步進式加熱爐加熱的過程控制系統(tǒng)作了研究和探討。本文通過了解整個步進式加熱爐的生產(chǎn)工藝及影響因素，確定了燃料燃燒控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和爐膛壓力控制系統(tǒng)的控制方案，并對其控制規(guī)律及參數(shù)進行選擇。下位機采用PLC進行軟件編程，上位機采用DCS軟件進行畫面監(jiān)控顯示，實現(xiàn)了加熱爐溫度和爐膛壓力的自動控制功能。最終可達到加熱爐安全、經(jīng)濟、高效的運行。 關鍵詞：步進式加熱爐；自動控制系統(tǒng)；PID控制；PLC；DCSThe Steptype Of The Heating Furnace Control SystemBased On PLC And DCSAbstractSteptype of the heating furnace is one of the key equipment in the production line of rolling steel, it constitutes the main production processes of the rolling production line with the rolling unit. In order to improve the quality of products in the steptype of the heating furnace, in this paper, the research is mainly from the perspective of industrial control, it designs and explores the control system of the heating process about steptype of the heating furnace.This article designs the control plan of the fuel burning control system, the temperature control system and the chamber pressure control the system through understanding the entire steptype heating furnace39。s technique of production and influencing factors，and choses its control rule and the parameter. Nextbit machine uses the software of PLC to program the software，the host puter uses the software of MCGS to monitor and display screen，which realizes the automatic control function of the temperature and pressure of the furnace. Finally it achieves the heating furnace movement safely, economically, the highly effective. Key words: steptype of the heating furnace。automatic control system。PID control algorithm。PLC。DCS目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引言 1第二章 步進式加熱爐工藝 3 步進式加熱爐簡介 3 步進式加熱爐的概念 3 步進式爐的幾種類型 3 步進式爐的優(yōu)缺點 3 步進式加熱爐的工藝簡介 4 步進式加熱爐的生產(chǎn)工藝流程 4 影響鋼坯質量的若干因素 7第三章 步進式加熱爐控制系統(tǒng)硬件設計 9 控制方案 9 燃料燃燒的控制系統(tǒng)設計 9 爐溫的控制系統(tǒng)設計 10 爐膛壓力的控制系統(tǒng)設計 13 檢測元件的選擇 13 溫度檢測元件 13 流量檢測元件 14 壓力檢測元件 14 執(zhí)行器的選擇 15 執(zhí)行機構的選擇 15 調節(jié)機構的選擇 16 控制器的選擇 17 控制規(guī)律的選擇 17 控制器的正反作用選擇 18 PLC選型 20 S7200簡介 20 S7200的模塊選擇 21 PLC的I/O地址分配 21 DCS選型 22第四章 步進式加熱爐控制系統(tǒng)的軟件設計 25 軟件系統(tǒng)介紹 25 系統(tǒng)流程圖 33 主程序流程圖 33 燃料與空氣比值控制系統(tǒng) 34 溫度控制系統(tǒng) 34 爐膛壓力控制系統(tǒng) 36 程序編制 36 系統(tǒng)調試 37 系統(tǒng)軟件調試 37 系統(tǒng)硬件調試 37第五章 總結 38參考文獻 39附錄A 源程序 41附錄B 組態(tài)圖 56致 謝 57第一章 引言鋼鐵行業(yè)作為關系國計民生的基礎性行業(yè)，具有較高的產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度。鋼鐵工業(yè)是一個原材料的生產(chǎn)和加工部門，處于產(chǎn)業(yè)鏈的中間位置，它的發(fā)展與國家的基礎建設以及工業(yè)發(fā)展的速度關聯(lián)性很強。鋼鐵企業(yè)軋鋼領域蓄熱式換熱技術的應用，從爐型上分：有推鋼式加熱爐、步進梁式加熱爐、車底式爐、均熱爐、罩式爐、帶材連續(xù)式熱處理爐及冶煉連鑄領域的烘烤設備。加熱爐是軋線的龍頭，加熱爐運行狀況對鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品質量、效益有很大的影響。目前步進式加熱爐是各種機械化爐中使用最廣、發(fā)展最火的爐型，是取代推鋼式加熱爐的主要爐型。七十年代以來，世界各國新建的熱連軋機等大型軋機，幾乎都采用了步進式爐。連續(xù)加熱爐在軋鋼生產(chǎn)中占有十分重要的地位。它的任務是按軋機的軋制節(jié)奏將鋼坯加熱到工藝要求的溫度水平，并且在保證優(yōu)質、高產(chǎn)的前提下，盡可能地降低燃料消耗、減少氧化燒損。隨著軋鋼生產(chǎn)的大型化、連續(xù)化和對加熱爐高產(chǎn)、優(yōu)質和低消耗的要求不斷提高，采用計算機控制加熱爐生產(chǎn)已成為實現(xiàn)上述目標的發(fā)展方向和必然趨勢。加熱爐中鋼坯加熱過程優(yōu)化控制的目的不外乎優(yōu)質、高產(chǎn)和低消耗，其優(yōu)化控制目標主要包括：燃耗最低、氧化燒損最小、產(chǎn)量最高和目標出爐溫度最準等。此外，還可計入爐子運行折舊、加熱和軋制的總能耗等指標。加熱爐的主要任務是加熱鋼坯，使其在出爐時達到軋制所要求的溫度分布。由于加熱爐只是軋鋼工序的組成部分，許多不可預見的因素都將影響到加熱爐的穩(wěn)定生產(chǎn)，而待軋是爐子操作中一個典型的動態(tài)過程，也是不可避免的。一般將加熱爐的待軋狀態(tài)分為計劃性和非計劃性待軋，其中計劃待軋指計劃檢修或換班引起的停頓，其時間一般能準確確定；而非計劃待軋只由事故等隨機因素造成的，其時間一般不易預知。待軋一旦發(fā)生，鋼坯在爐內不再運動，如果供熱制度不做適當調整，鋼坯溫度將不斷上升，這不僅導致燃料浪費，而且還可能導致更多的氧化和脫碳，嚴重地影響到鋼坯的加熱質量。因此，必須對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的待軋情況進行動態(tài)的決策，使加熱爐在此不穩(wěn)定工況下仍能實現(xiàn)優(yōu)化操作，滿足加熱爐優(yōu)質、高產(chǎn)和低消耗的要求?，F(xiàn)代化的高產(chǎn)量熱軋帶鋼軋機，由于對軋制帶鋼的厚度尺寸公差、帶鋼表面質量和板型控制的要求日益嚴格，因而對板坯加熱溫度均勻性和熱板坯表面的質量要求也不斷提高，如何提高其質量一直是冶金行業(yè)密切關注的問題。加熱爐是熱軋帶鋼軋機必須配備的熱處理設備。提高板坯質量的方法多種多樣，在生產(chǎn)過程中運用自動控制即是其中之一。隨著工業(yè)自動化技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的熱連軋機應該配置大型化的、高度自動化的步進式加熱爐，其生產(chǎn)應符合高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、節(jié)能、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求，以提高其產(chǎn)品的質量,增強產(chǎn)品的市場競爭力[1]。第二章 步進式加熱爐工藝 步進式加熱爐簡介 步進式加熱爐的概念借助于爐底的升降和進退，使鋼坯在爐內做走步一樣，從裝料端一步一步地“走”到出料端。以這種方式運送爐內鋼坯的爐子叫做步進式爐。 步進式爐的幾種類型步進式爐從爐子構造上分目前有：單面供熱步進式爐、兩面供熱步進式爐、鋼料可以翻轉的步進式爐、交替步進式爐、爐底分段的步進式爐等等。單面供熱步進式爐也稱步進底式爐，鋼料放置在耐火材料爐底或鋪設在爐底上的鋼枕上。鋼坯吸熱主要來自上部爐膛，由于一面受熱，這種爐子的爐底強度較低。它適用于加熱薄板坯、小斷面方坯或有特殊要求的場合。兩面供熱步進式爐也稱步進梁式爐，活動梁和固定梁上都安設有能將鋼壞架空的爐底水管。在鋼坯的上部爐膛和下部爐膛都設置燒嘴，因此爐底強度較高，適用于產(chǎn)量很高的板坯或帶鋼軋前加熱。鋼坯可以翻轉的步進式爐是每走一步爐內鋼料可以翻轉某一角度，步進梁和固定梁都帶有鋸齒形耐熱鋼鋼枕，這是加熱鋼管的步進式爐，每走一步鋼管可以在鋸齒形鋼枕上滾動一小段距離，使受熱條件較差的底面逐步翻轉到上面，以求加熱均勻。交替步進式爐則有兩套步進機構交替動作。運送過程中，鋼坯不必上升和下降，振動較小，底面不會被劃傷，表面質量較好。爐底分段的步進式爐的加熱段和預熱段可以分開動作。例如預熱段每走一步，加熱段可以走兩步或兩步以上。這種構造是專門為易脫碳鋼的加熱而設計的。鋼坯在預熱段放置較密，可以得到正常的預熱作用，在加熱段鋼坯前進較快，達到快速加熱，以減少脫碳。 步進式爐的優(yōu)缺點步進式爐是借機械將爐內鋼坯托著一步一步前進，因此鋼坯與鋼坯還不必緊挨著，其間距可根據(jù)需要加以改變。 原始的步進式爐只用于加熱推鋼機無法推進的落板坯或異形坯，隨著軋機的大型化和連續(xù)化，推鋼式爐已不能滿足軋機產(chǎn)量和質量的要求。在這種情況下，近十年來造價較高的步進式爐得到了快速發(fā)展，其結構也日趨完善。步進式爐具有以下特點：（1）爐子長度不受鋼坯厚度的限制，不會拱鋼，爐子可以建得很長，目前有些爐子已接近60米長，—2個推鋼式爐。（2）操作上靈活性較大，可以通過改變裝料間隙調節(jié)鋼坯加熱時間，且更換品種方便。（3）爐內鋼料易于清空，減少停爐時清除爐內鋼料的時間。（4）鋼坯在爐內不與水管摩擦，不會造成通過軋制還不能消除的傷痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸準確的軋材。（6）兩面加熱步進式爐可以不要實底均熱段，因此加熱能力比推鋼式爐稍大。（7）沒有出料滑坡，減少了由于滑坡高差作用而吸入爐內的冷空氣。（8）鋼坯有側面加熱，這樣可實現(xiàn)三面或四面加熱，因此加熱時間短，鋼坯氧化少。(9)生產(chǎn)能耗大幅度降低,從煉鋼連鑄后開始全連續(xù)的直接生產(chǎn)。(10)產(chǎn)量大幅度提高,在100*t/a以上。(11)生產(chǎn)自動化水平非常高，原加熱爐的控制系統(tǒng)大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)也大多是模擬量控制式供電裝置，現(xiàn)在的加熱爐的控制系統(tǒng)大多數(shù)都具有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置。步進式爐的缺點是爐底機械設備龐大，維護和檢修都較復雜，爐子造價太高。兩面供熱的步進式爐爐底水管較多，熱損失大。單面供熱的步進式爐雖然無水冷熱損失，但產(chǎn)量較低。因此，盡管步進式爐有很多優(yōu)點，僅由于它造價太高，目前在中小型廠全面推廣還不適宜。 步進式加熱爐的工藝簡介 步進式加熱爐的生產(chǎn)工藝流程加熱爐生產(chǎn)時，根據(jù)軋制計劃，將板坯送至加熱爐上料運輸輥道，鋼坯經(jīng)稱重、測長、測溫后送至區(qū)域管理計算機指定的爐門裝料口，按布料圖進行定位，在確定爐內有足夠空間后，裝料爐門打開，裝鋼機將板坯送入爐內，板坯間隔50mm，完畢后裝料爐門關閉。爐內板坯通過步進梁的運動，經(jīng)過爐子的預熱段、加熱段、均熱段充分加熱，達到軋制要求溫度后，運行至出料端激光檢測處并完成最后一次步進運動，經(jīng)激光檢測器檢測及步進梁行程控制系統(tǒng)和爐內坯料跟蹤系統(tǒng)計算，鋼坯在爐內準確位置的信號被送往出鋼機，出鋼機托起鋼坯出爐，準確將鋼坯放在出爐輥道中心線上，再由出爐輥道輸送到粗軋機軋制[10]。 從初軋廠或連鑄車間來的板坯，一般經(jīng)火焰清理后送入熱軋廠加熱爐，鋼坯從爐尾裝入爐內，不斷前進，經(jīng)預熱段、加熱段和均熱段，最后被加熱到所需軋制溫度。加熱爐的特點是熱負荷不隨時間變化，爐內各段溫度要求比較穩(wěn)定，且分布均勻。加熱爐自裝料端至出料端沿爐長上分為預熱段、加熱段及均熱段，如圖21。預熱段長度較長，可以充分利用煙氣來預熱裝入爐內的鋼坯，從而提高燃料的利用率。鋼坯在加熱初期會因溫差過大而產(chǎn)生熱應力，因此要求控制升溫速度。鋼坯經(jīng)預熱段預熱后進入加熱段，加熱段是加熱爐中最重要的段，