【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過(guò)高，爐門(mén)會(huì)發(fā)生噴火，并有可能會(huì)損壞爐體或設(shè)備；過(guò)低，爐內(nèi)可能會(huì)吸進(jìn)冷空氣，進(jìn)而對(duì)加熱爐的燃燒質(zhì)量和效果造成一定的影響 [6]，并增加鋼坯的氧化燒損，影響經(jīng)濟(jì)效益。 加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成 加熱爐控制系統(tǒng)采用分級(jí)控制的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖 所示 。 工 程 師 站工 業(yè) 以 太 網(wǎng)H M Is e r v e r 2H M Is e r v e r 1 以 太 網(wǎng) 層壓 力模 塊 圖 加熱爐控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 加熱爐控制系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接下位機(jī) PLC， 上位機(jī)發(fā)出的命令首先給攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加熱爐壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變量及 設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)， 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 。 上位機(jī)運(yùn)行用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫(huà)面，對(duì)加熱爐生產(chǎn)過(guò)程及控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以保證加熱爐正常運(yùn)行。 加熱爐壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 助燃空氣壓力控制系統(tǒng) 確保噴嘴正常工作的一個(gè)重要條件就是有效地控制燃燒空氣壓力的大小。采用單回路控制系統(tǒng)，燃燒空氣壓力調(diào)節(jié)器選用 PID 調(diào)節(jié)器。當(dāng)設(shè)定值與反饋值出 現(xiàn)偏差時(shí)， PID調(diào)節(jié)起作用，并確保在最短的時(shí)間內(nèi)使其達(dá)到最小。若給定值大于反饋值，偏差信號(hào)經(jīng)PID 運(yùn)算后輸出，閥門(mén)隨之關(guān)小，接著壓力開(kāi)始下降；反之，當(dāng)給定值小于反饋值時(shí)，偏差信號(hào)經(jīng) PID 運(yùn)算后，閥門(mén)隨之開(kāi)大，接著壓力開(kāi)始升高。 煤氣壓力控制 從安全方面著手，煤氣和空氣發(fā)生低壓現(xiàn)象，氣體壓力控制閥會(huì)有意外。因此，從燃?xì)夂涂諝獾闹饕艿郎希寂鋫淞藘蓚€(gè)低電壓開(kāi)關(guān)，熱交換器前后，也分別配備了一個(gè)。任何低電壓開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作，都將會(huì)使煤氣主切斷閥進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)作，然后停爐，以保證加熱爐的安全。 爐膛壓力控制 影響爐膛壓力的最主要的因素是高爐內(nèi)氣體的具體流動(dòng)狀況，但直接影響氣體的具體流動(dòng)狀況的是煙道窗口的開(kāi)度大小。單回路控制系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)方案的控制策略，改變煙道窗口的大小，進(jìn)而控制煙囪的吸力和爐膛的壓力，而爐壓的檢測(cè)點(diǎn)的具體位置是在均熱段爐頂出料上方。 本設(shè)計(jì)的爐膛壓力、煤氣總管壓力和空氣總管壓力均為單回路控制系統(tǒng)，其方框圖如圖 所示。 壓 力 控 制 器 控 制 閥 壓 力 對(duì) 象壓 力 變 送 器給 定_ 圖 爐膛壓力控制系統(tǒng)方框圖 壓力檢測(cè)元件的選擇 壓力檢測(cè)的方法雖然有很多，但是按照轉(zhuǎn)換 原理和敏感元件特性的不同，一般可將攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加熱爐壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 其分為四類(lèi)，包括：彈性式壓力檢測(cè)、液柱式壓力檢測(cè)、活塞式壓力檢測(cè)和電氣式壓力檢測(cè) [7]?？紤]到加熱爐的工藝，檢測(cè)爐膛壓力時(shí)，用彈性式壓力檢測(cè)是不錯(cuò)的選擇。彈性式壓力檢測(cè)是指壓力敏感元件的彈性元件將壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的原理而進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)方法。彈性元件所受壓力超過(guò)其彈性限度后，將會(huì)發(fā)生變形，而此變形的大小又與被測(cè)量的壓力存在正比的關(guān)系。 波紋管、膜片和彈簧管是目前常用的壓力檢測(cè)彈性元件。彈簧管不僅能用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器件將其自由端的位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行輸出，而且可以使用傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行被測(cè)壓力的直接指示。在此設(shè)計(jì)中，壓力變送器和彈簧管壓力表的組合對(duì)爐膛壓力進(jìn)行檢測(cè)，而彈簧管壓力表屬于指示型儀表的一種，不僅使用便捷、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且其測(cè)量范圍非常廣，可對(duì)低壓、微壓、中壓、高壓和負(fù)壓等進(jìn)行測(cè)量，由此可見(jiàn)其測(cè)量范圍之寬廣。彈簧管壓力表的最高精度等級(jí)是 級(jí)，以滿足制造要求。因?yàn)闋t膛壓力必須滿足 5～ 20KPa 的控制要求，而煤氣總管壓力范圍為 30～ 150KPa 以及空氣總管壓力范圍為 20～ 130KPa。因此，本設(shè)計(jì)選用彈簧管壓力表和壓力變送器的組合。 執(zhí)行器的選擇 調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)由執(zhí)行器進(jìn)行接收，再經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)把它轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直線位移或角位移，進(jìn)而對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行操作，將控制變量改變后，使控制參數(shù)滿足原先預(yù)想的要求。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二者構(gòu)成了執(zhí)行器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是產(chǎn)生位移或推力的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是可以對(duì)能量或物料輸送量直接進(jìn)行改變的裝置。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇就是從以上三者中進(jìn)行選擇的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇不僅需要考慮以下幾點(diǎn)，包括經(jīng)濟(jì)效益、控制精度和現(xiàn)場(chǎng)狀況，還需要滿足介質(zhì)和能源的工藝要求。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠、價(jià)格 低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)便捷，還可以預(yù)防火災(zāi)和爆炸。本設(shè)計(jì)之所以使用氣動(dòng)執(zhí)行器，是因?yàn)榻範(fàn)t煤氣極其容易燃燒、爆炸。氣動(dòng)執(zhí)行器不但使用便捷，成本降低，還能對(duì)煤氣的燃燒和爆炸進(jìn)行有效地預(yù)防，以減少意外事故發(fā)生的概率 [8]。 來(lái)自電 /氣轉(zhuǎn)換器的輸出氣壓信號(hào)被氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收，然后把它轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的推桿直線位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)。壓縮空氣是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源泉，來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)被氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收，由膜片或氣缸對(duì)閥門(mén)連桿動(dòng)作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)被控介質(zhì)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終把被控變量控制在此系統(tǒng)允許的范圍里。 活塞式和 薄膜式是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩種形式，而薄膜式中最常見(jiàn)的就是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠直接對(duì)閥桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出行程偏小是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) [9]。活塞式因其行程長(zhǎng)，所以只能用于有特殊需要的場(chǎng)合，但其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。本設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是屬于薄膜式的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 被控介質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中的特性存在很大區(qū)別，有的是高粘度的，有的是強(qiáng)腐蝕的，還有的是高壓的；有的流量是合流，有的流量是分流，且流量大小各不相同，所以流體攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加熱爐壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 的流動(dòng)狀態(tài)也都不一樣。所以其結(jié)構(gòu)形式的選取不僅需要考慮流體的流動(dòng)狀態(tài)、被控介質(zhì)的特點(diǎn)、過(guò)程控制的要 求和工藝要求，還需要考慮閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)性和合理性。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)又名調(diào)節(jié)閥，它無(wú)異于普通閥門(mén)，是一個(gè)可以改變局部阻力的節(jié)流元件。隨著閥芯在閥體內(nèi)的位置發(fā)生變化，閥座和閥芯間的流通面積也發(fā)生了改變，也就是閥的阻力系數(shù)發(fā)生了變化，與此同時(shí)，被控介質(zhì)的流量也發(fā)生了改變，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝變量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目標(biāo)。 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式因不同的使用要求而有很多種，下面介紹主要的幾種 : 角形閥、直通單座閥、三通閥、直通雙座閥、套筒閥、高壓閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥。角形閥因其阻力小，流路簡(jiǎn)單，且閥體呈現(xiàn)直角形，所以常被用于高粘度、高 差壓、有顆?；驊腋∥镂锪狭髁靠刂频膱?chǎng)合。調(diào)節(jié)閥使用底進(jìn)側(cè)出的方式會(huì)獲得很好的穩(wěn)定性。出于考慮閥芯使用壽命長(zhǎng)久的考慮，高壓場(chǎng)合時(shí)調(diào)節(jié)閥使用側(cè)進(jìn)底出的方式會(huì)獲得良好的穩(wěn)定性。此設(shè)計(jì)的全部空氣閥和煤氣閥使用的都是角形閥。 煙道百葉窗擋板利用轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)達(dá)到控制流體流量的目的。擋板軸、擋板、軸封和閥體共同構(gòu)成煙道窗口的擋板。因其成本微小、結(jié)構(gòu)緊密，且流通能力大的特性被應(yīng)用在大流量、大口徑、低差壓，且存在懸浮物流體的場(chǎng)合，但泄漏量偏大是其缺點(diǎn)。因本設(shè)計(jì)的控制爐膛壓力的煙道百葉窗壓差小，口徑大，流通量大，且存在一定的泄漏 量對(duì)爐壓控制影響較小，所以選用煙道百葉窗。 控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件就是控制閥，控制器發(fā)出的命令被控制閥接收并執(zhí)行。直接影響控制作用好壞的因素是看控制閥的選擇是否適當(dāng)。所以，就控制閥的選擇，一定要慎重?？刂崎y接收氣壓信號(hào)，隨著輸入壓力的變大，控制閥的開(kāi)度也變大，這就是氣開(kāi)閥；相反，控制閥接收氣壓信號(hào)，隨著輸入壓力的減小，控制閥的開(kāi)度也變小，就是氣閉閥。 就一個(gè)相對(duì)完整、具體的控制系統(tǒng)而言，具體的生產(chǎn)工藝決定了氣閉閥或者氣開(kāi)閥的選擇。對(duì)于一般情況，氣閉閥或者氣開(kāi)閥的選擇需要滿足一下幾點(diǎn)要求。 第一，要考慮生產(chǎn)安全。 如果發(fā)生信號(hào)中斷，首先應(yīng)該確保工作人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全。換言之，控制器因故障而沒(méi)有輸出，氣源供氣停止，控制網(wǎng)的膜片因破裂而導(dǎo)致氣體外泄，若以上任一情況導(dǎo)致控制閥無(wú)法進(jìn)行正常的工作，因而導(dǎo)致氣閉閥變成全開(kāi)，氣開(kāi)閥變成全閉，也要保障人員和設(shè)備的安全，將發(fā)生事故的概率降到最低。第二，要確保產(chǎn)品的質(zhì)量。若控制閥因處于無(wú)能源狀態(tài)（即氣閉閥變成全開(kāi)，氣開(kāi)閥變成全閉）變回其起始位置時(shí)，也要確保產(chǎn)品的質(zhì)量。第三，要考慮動(dòng)力、成品和原料的低損耗。要考慮介質(zhì)的特性。若控制閥處在失去能源的狀態(tài)時(shí)，也能盡量把產(chǎn)品和原料浪費(fèi)降到最低 。此外，當(dāng)產(chǎn)品和原料發(fā)生結(jié)晶、易凝或聚合后，盡量防止控制閥因失去能源而造成嚴(yán)重的后果 [10]。 就生產(chǎn)安全而言，若控制器因故障沒(méi)有信號(hào)輸出，或煤氣系統(tǒng)中斷沒(méi)有信號(hào)輸出時(shí)，執(zhí)行器的閥芯回到原始狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。考慮到異常情況下的爆炸，壓力調(diào)節(jié)閥攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加熱爐壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 選擇氣閉式是合理的，倘若因壓力過(guò)高而致使事故的發(fā)生，壓力執(zhí)行器全開(kāi)，以防因壓力過(guò)高而造成嚴(yán)重的不良后果 [11]。 控制器的選擇 控制器是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)的核心部分。負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的“命令”，控制器的正確選擇，不僅可以對(duì)控制品質(zhì)進(jìn)行改善，而且能夠提高系 統(tǒng)的控制品質(zhì)。壓力控制器是此控制系統(tǒng)的控制器，因?yàn)榭刂破鞯倪x擇一定要符合實(shí)際工藝要求，所以有必要選擇合適的控制器。 控制規(guī)律的選擇： 比例控制、比例積分控制、比例積分微分控制是控制器的三種最基本的控制規(guī)律。 比例控制規(guī)律的特征是：控制器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)成比例，也就是閥門(mén)的變化和偏差變化有相應(yīng)的關(guān)系。它可以很好的避免擾動(dòng)的影響，過(guò)渡時(shí)間快。可是，單一的比例控制器在整個(gè)過(guò)程結(jié)束后仍有余差存在，并且負(fù)荷的變化大，余差也大。三種控制規(guī)律中最基本的控制規(guī)律是比例控制規(guī)律，它可以獨(dú)立使用，也可以和其它規(guī)律結(jié)合使用。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整定方便。該控制器適合調(diào)節(jié)通道滯后很小、負(fù)荷變化小、控制要求低、被控量可以有一定余差的場(chǎng)合。比如，可以使用比例控制器的場(chǎng)合有；冷凝器液面、一般的精餾塔塔底液面和次要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)。 比例積分控制規(guī)律的特征是：控制器的輸出信號(hào)不但和偏差的大小成一定比例，還和偏差有著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。同時(shí)具有比例和積分兩種控制規(guī)律的控制器叫做比例積分控制器。它的應(yīng)用最為廣泛。適用于調(diào)節(jié)的場(chǎng)合為 。通道滯后很小、負(fù)荷變化小、被控的變量不能有余差。采用該控制器的控制系統(tǒng)有：管道的壓力控制系統(tǒng)和一些嚴(yán)格要求的 液位控制系統(tǒng)。 比例積分微分控制規(guī)律的特征是：較其它兩種增加了微分作用，因此控制器的輸出不但和偏差的存在時(shí)間和大小有關(guān)，并且還和偏差的變化快慢成比例，所以對(duì)于系統(tǒng)小的容量滯后可以起到提前補(bǔ)償作用，而且可以改善積分作用引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定。三種控制規(guī)律都具備的控制器叫做比例積分微分控制器，還稱三作用控制器，其綜合和三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，所以是一種較理想的控制規(guī)律。適用于調(diào)節(jié)的場(chǎng)合有：容量滯后大、負(fù)荷變化不小、控制效果要求高的場(chǎng)合。 根據(jù)控制規(guī)律的特征和工藝要求，單回路控制系統(tǒng)，選壓力作為其參數(shù)，為了保證穩(wěn)定，比例 較大，可以加入積分，采用比例積分控制器，因此可增強(qiáng)控制作用；控制器不需要微分作用，如果要加微分作用，只有當(dāng)對(duì)象容量滯后大時(shí)才可以 [12]。因此在單回路控制系統(tǒng)中控制器的控制規(guī)律采用 PI 控制規(guī)律。即爐膛壓力控制器、煤氣壓力控制器和空氣壓力控制器都是采用 PI控制規(guī)律。 控制器的正反作用的選擇： 正作用和反作用一般是工業(yè)控制器都具備的兩種工作方式。當(dāng)控制器的輸出信號(hào)跟攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加熱爐壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 著被控量的增大而增大時(shí)，此時(shí)控制器的工作方式為正作用；相反，當(dāng)控制器輸出信號(hào)跟著被控量的增大而降低時(shí)，控制器的工作方式為反作用。為了適應(yīng)不同 的被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的控制要求，控制器設(shè)定了正作用和反作用。在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象、變送器以及執(zhí)行器等各個(gè)環(huán)節(jié)都有它們各自的作用。如果各個(gè)部分的組合不妥，讓系統(tǒng)構(gòu)成正反饋，控制系統(tǒng)就起不到控制作用，并且生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定也會(huì)被破壞。由于不能隨意選定變送器、被控變量和執(zhí)行器的正反作用方向，所以要通過(guò)正確的選用控制器的作用方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋特點(diǎn)。 假如規(guī)定控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)作用方式如下： 1．控制器工作于正作用為“ — ”，工作于反作用為“十”； 2．執(zhí)行器的閥門(mén)氣開(kāi)式為“十”；氣關(guān)式為“ 一”； 3．被控變量隨操縱變量的增加而增加為“十”，隨操縱變量的增加而減小為“一”； 4．測(cè)量變送器肯定為 “十”。 判斷規(guī)則：控制系統(tǒng)中如果各環(huán)節(jié)規(guī)定符號(hào)的乘積為正，則為負(fù)反饋系統(tǒng)。 首先考慮爐膛壓力控制系統(tǒng)， 變送器的靜態(tài)放大系數(shù) Km 通常為正，所以只需要調(diào)節(jié)器放大系數(shù) Kc，調(diào)節(jié)閥放大系數(shù) Kv， 被控過(guò)程放大系數(shù) KO相乘為正即可。 根據(jù)調(diào)節(jié)閥正反作用的控制規(guī)律，因調(diào)節(jié)閥為氣閉形式，所以 Kv 為負(fù)， 由于煙道 百葉窗開(kāi)度變大， 煙囪吸力變大， 其爐膛 負(fù)壓 變 大 ，所以為反作用過(guò)程，即 KO 為負(fù) 。因?yàn)楦鶕?jù)單回路系統(tǒng)的各部分增益乘積 應(yīng)為正的原則，即 Kc*Kv*Ko*Km0,所以調(diào)節(jié)器的 Kc應(yīng)為正，即反作用方式的調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器設(shè)置正反作用的目的是使控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。 依據(jù)上面分析的判斷規(guī)則，判斷出爐膛壓力控制系統(tǒng)的壓力控制器為反作用控制器。 同理，可判斷出 3個(gè)單回路控制系統(tǒng)的壓力控制器均為反作用控制器。 PLC 選型 PLC(Programmable Logic Controller)是可編程序控制器的英文縮寫(xiě) , 在我國(guó)的應(yīng)用非常廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線領(lǐng)域等都有應(yīng)用 [13]。西門(mén)子 S7系列 PLC體積小、 速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成開(kāi)關(guān)量的控制