【導讀】焦爐的加熱過程是單個燃燒室間歇，全爐連續(xù)，受多種因素干擾的熱工過程。降低煉焦能耗、確保焦炭均勻穩(wěn)定成熟、延長焦爐使用壽命，仍然是煉焦業(yè)界重大難題。本文在深入進行焦爐加熱燃燒過程工藝分析的基礎上，根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求，提出了控制系統(tǒng)的總體結構。系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC對各類參數(shù)（溫度、壓力和流。量等）實施在線檢測，并采用MCGS組態(tài)平臺完成工藝流程的實時監(jiān)視和控制。測量立火道溫度。長焦爐壽命,減少煉焦生產(chǎn)中的環(huán)境污染以及改善勞動條件具有重要的意義。業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　

【正文】 的， A、 B 就稱為熱電極 (或熱電偶絲 )。焊接起來的一端置于被測溫度 t 處，稱為熱電偶的熱端 (或稱測量端、工作端 )。非焊接端稱為冷端 (或參考端、自由端 )，冷端則置于內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被測對象之外溫度為 t0 的環(huán)境中。如把熱電偶的兩個冷端也連接起來則形成一個閉合回路，如圖 所示： tt 0t 0CAB 圖 熱電偶回路 則當熱端溫度和冷端溫度不相等，即 t≠t0 時，回路中有電流流過，這說明在回路中產(chǎn)生了電動勢，由于熱電偶兩個接點處的溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為熱電 (動 )勢，上述現(xiàn)象稱為熱電效應，或稱塞貝克效應。熱電偶就是利用熱電效應來測量溫度的。 由熱電效應可知，閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢有兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢，總電勢由 （ ） 式給出。實驗結果表明，溫差電勢比接觸電勢小很多，可以忽略不計，則熱電偶的電勢可表示為 )()(),(00 tetettE ABABAB ?? （ ） 這就是熱電偶測溫的基本公式。 當 t0 為一定時 , CteAB ?)( 0 為常數(shù)。則對確定的熱電偶電極，其總電勢就只與溫度 t成單值的函數(shù)關系，即 CtettEABAB ?? )(),( 0 （ ） 由于蓄熱室頂部溫度在 1200℃ 左右，熱電阻的測溫范圍不能滿足焦爐測溫要求，然而熱電偶的測溫范圍可以滿足焦爐測溫要求，因此采用熱電偶對蓄熱室頂部溫度進行測量。蓄頂溫度在鉑銠 10鉑熱電偶（ S 型）、鉑銠 30鉑銠 6 熱電偶（ B 型）和鎳鉻 鎳硅熱電偶（ K 型）的最大測溫范圍之內(nèi)。 K 型熱電偶在氧化性或中性介質中長時間地測量900℃ 以下的溫度，所以 K 型熱電偶不滿足蓄頂測溫的要求， S 型熱電偶和 B 型熱電偶內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 都能在氧化性或中性介質中長時間地測量 1200℃ 的溫度，但整個焦爐測溫點很多而且溫度高達 1200℃ ，使用的熱電偶的壽命很短，考慮到這兩種熱電偶都為貴金屬制成，價格昂貴，因此在滿足測溫要求的條件下，應該使用價格低廉的熱電偶來節(jié)約成本。 S 型熱電偶和 B 型熱電偶都能滿足測溫要求，但 S 型熱電偶較 B 型熱電偶價格低廉 ， S 型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理，化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。 故本設計使用 S 型熱電偶測量蓄頂溫度。 控制器 控制器（或稱調節(jié)器）將來自變送器的測量值與給定值相較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分運算，并 輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的 自 動控制。 在 焦爐加熱控制 系統(tǒng)中使用 了 溫度控制器，混煤壓控制器，吸力控制器。 溫度控制器 焦爐燃燒過程中溫度的變化是一個大慣性、大時滯的慢過程。 根據(jù)此溫度的特點，采用 S7300PLC 的步進溫度控制器 FB 59 TCONT_S。 FB 59 TCONT_S 模塊功能以 PID 控制算法為基礎，用于控制工藝溫度過程，通過設置參數(shù)，可以啟用或禁止 PI 步進控制器的子功能，使控制器和過程相適應?？刂茐K是純軟件控制器，在其中，一 個塊就包含了控制器的全部功能。 FB 59 TCONT_S 模塊如圖 所示： 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） E NC Y C L ES P _ I N TP V _ I NP V _ R E RD I S VL M N R _ H SL M N R _ L SL M N S _ O NL M N U PL M N O NC O M _ R S TE N 0Q L M N U PQ L M N D NP VE RT C O N T _ S 圖 FB 59 TCONT_S 模塊 混煤壓控制器和吸力控制器 混合煤氣壓力控制是壓力控制回路的一部分，屬于立火道溫度控制的內(nèi)環(huán)。其控制目標為控制 混合煤氣 閥門開度，保證混合煤氣壓力的穩(wěn)定 。 混合煤氣壓力受高爐煤氣主管壓力影響很大，混合煤氣壓力控制器采用 PI 控制規(guī)律由 PLC 編程實現(xiàn) 。 煙道吸力的控制屬于壓力控制器的一部分，通過控制分煙道擋板的開度，控制空氣的進入量，保證 煤氣的充分燃燒。煙道吸力受外界影響較小，閥門的特性也比較好，不靈敏區(qū)很小，為了保證控制精度，仍然將閥門開度的控制區(qū)間設置為 [10， 90]。吸力控制器也采用 PI 控制規(guī)律由 PLC 編程實現(xiàn)。 壓力檢測儀表、 流量計、變送器及執(zhí)行器 壓力檢測儀表 壓力檢測儀表的選用是一項重要的工作，如 果 選擇不當，不僅不能正確、及時地反映被測對象壓力的變化，還有 可 能引起事故。選用時根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被檢測介質 的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的類型、量程等。 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 彈簧管壓力表結構簡單，使 用方便，價格低廉和測量范圍寬，因此使用彈簧 管 壓力表對煤氣管道的壓力進行檢測。分煙道溫度特別高， 為了克服溫度對壓阻元件靈敏度的影響，應使用壓阻式壓力傳感器測量分煙道吸力。 其 優(yōu)點是 :頻率響應高 ,適于動態(tài)測量 ；精度高；無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。 流量計 流量計的選擇在本系統(tǒng)顯得極為重要，不論是焦爐煤氣量還是高爐煤氣量的控制都要用到流量計。因此，能否選擇出適合氣體測量、精度及量程滿足控制要求、安裝方便的流量計直接影響到控制系統(tǒng)的控制效果。 流量測量的方法和儀表的種 類繁多，而且分類方法也很多。目前，可供工業(yè)用的流量儀表的種類多達 60 余種 。 測量流量的儀表如此多的原因就是至今還沒有一種儀表可以對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)及在任何條件下使用的流量儀表。在這 60 多種流量儀表中，每種儀表都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計；按測量原理又可分為力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。目前使用最廣泛的 流量計 為：差壓式流量計、容積式流量計、轉子 流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質量流量計等。 焦爐煤氣和高爐煤氣具有管徑大、流速低、粉塵大、易堵塞等特點，因此采用煤氣流量計 測量流量 。 煤氣流量計是采用傳統(tǒng)的差壓式流量計 原理 ，它有 耐用、實用性好 ，使用壽命長等特點，同時測量精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。適用于各種純凈、贓污及腐蝕性煤氣的測量， 其 典型應用：高爐煤氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣等煤氣介質的測量。 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變送器 變送器的作用是將現(xiàn)場的壓力、溫度信號轉化成統(tǒng)一的標準信號（電壓 1~5V、電流 4~20mA） ，作為指示記錄儀、控制器或 計算機裝置的輸入信號，以實現(xiàn)對上述變量的顯示、記錄或自動控制。它是基于負反饋原理工作的，如圖 所示。 測 量 部分 C反 饋 部分 F放 大 器K調 零 、 零 點遷 移xZ0Zi+f y? 圖 變送器的構成原理圖 常用的壓力變送器有力平衡式差壓變送器、電容式差壓變送器和擴散硅式差壓變送器等。其中擴散硅式差壓變送器是無杠桿變送器，它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、重量輕、結構簡單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，精度也較高。綜合以上優(yōu)點，可采用薄膜式壓力變送器，它是基于擴散硅式差壓變送器的原理制造的。 溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻 配合使用，將溫度信號轉換成統(tǒng)一標準信號，作為指 示 記錄儀和控制器的輸入信號。溫度變送器還可以作為直流毫伏轉換器來使用，以將其他能夠轉換成直流毫伏信號的工藝參數(shù)也變成相應的統(tǒng)一標準信號。 溫度變送器有兩線制和四線制之分，各類變送器又有三個品種，即直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。前一種是將輸入的直流毫伏信號轉換成4~20mA 直流電流和 1~5V 直流電壓的統(tǒng)一輸出信號。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合，將溫度信號轉換成統(tǒng)一輸出信號。本控制系統(tǒng)測量溫度采用熱電偶，因此選擇熱電偶溫度變送器。四線制溫 度變送器具有如下特點：在熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測信號呈線性關系，便于指示和記錄；變送器的輸入與輸出之間具有隔離變壓器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干擾內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏信號或溫度信號。故溫度變送器采用四線制接法。 執(zhí)行器 執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構 是 指產(chǎn)生推力或位移的裝置，調節(jié)機構系指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱控制閥（調節(jié)閥）。執(zhí)行器按其使用的能源可分為氣動、電動和液動三大類。液動的很少用。 由于執(zhí)行器 安裝在現(xiàn)場，現(xiàn)場的煤氣管道周圍空氣中的煤氣含量較高，若采用電動執(zhí)行器容易引起爆炸，所以本系統(tǒng)使用氣動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行機構接受電 /氣轉換器 （或電 /氣閥門定位器） 輸出的氣壓信號，并將其轉換成相應的輸出力和推桿直線位移，以推動調節(jié)機構動作。氣動執(zhí)行機構有薄膜式和活塞式兩種。常見的氣動執(zhí)行機構均屬薄膜式，它的特點是結構簡單、動作可靠、維修方便、價格低廉，但輸出行程較小，只能直接帶動閥桿。活塞式執(zhí)行機構的特點是輸出推力大，行程長，但價格較高，只用于特殊需要的場合。薄膜式氣動執(zhí)行機構可以滿足控制系統(tǒng)的要求，所以本系統(tǒng)采 用薄膜式氣動執(zhí)行機構。氣動執(zhí)行 機構 的作用方式分為氣開式和氣關式兩種。焦爐的爐溫不得低于700℃ ，因此在壓力信號中斷時，應保持煤氣供應，所以選擇氣關式執(zhí)行 機構 。 調節(jié)機構又稱控制閥（調節(jié)閥），它和普通閥門一樣，是一個局部阻力可變的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內(nèi)的移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質的流量相應地改變，從而達到控制工藝變量的目的。 閥的 結 構形式很多，其中蝶閥的結構緊湊、成本低、流通能力大，特別的適用于低差壓、大口徑、大流量氣體和帶有懸浮物流體的場合。所以選擇蝶閥作為控制煤 氣管道的調節(jié)機構。 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 軟件系統(tǒng)設計 焦爐加熱控制系統(tǒng)軟件設計是采用 MCGS 組態(tài)軟件和西門子 PLC S7300 系列編程軟件的 STEP7 標準軟件進行設計的。 MCGS（ Monitor and Control Generated System） 是一套基于 Windows 平臺的，用于快 速 構 造 和 生 產(chǎn) 上 位 機 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 組 態(tài) 軟 件 系 統(tǒng) ， 可 運 行 于 Microsoft Windows95/Me/NT/20xx 等操作系統(tǒng)。 MCGS 具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應用于石油化工、鋼鐵等行業(yè)，經(jīng) 過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 STEP7 是用于 SIMATIC 可編程控制器組態(tài)和編程的標準軟件包，它是 SIMATIC 工業(yè)軟件的組成部分 。 STEP7 中集成的 SIMATIC 編程語言和語言表達式，符合 EN611313或 IEC11313 標準。標準軟件支持自動任務創(chuàng)建過程的各個階段，如：建立和管理項目，硬件、通信組態(tài)，為功能模塊和通訊處理器賦值參數(shù)，定義絕對地址和符號地址，創(chuàng)建程序并下載程序到可編程控制器，測試自動化系統(tǒng)，診斷設備故障等。 上位機軟件系統(tǒng)設計 上位機 工作平臺 由焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面和 數(shù) 據(jù) 顯示畫面組成。 上位機工作平臺如圖 所示： 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 工作平臺 焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面 焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面如附 錄 A 所示。焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面是采用動畫顯示畫面對焦爐加熱過程的實時監(jiān)控。動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，通過 MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內(nèi)“組合 ” 成焦爐加熱控制系統(tǒng)畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實施數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。 焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面還設計了報警 指示燈和報警數(shù)據(jù)顯示。 MCGS 把報警處理作為數(shù)據(jù)對象的屬性，封裝在數(shù)據(jù)對象內(nèi)，由實時數(shù)據(jù)來自動處理。當數(shù)據(jù)對象的值或狀態(tài)發(fā)生改變時，實時數(shù)據(jù)庫判斷對應的數(shù)據(jù)對象是否發(fā)生了報警或已產(chǎn)生的報警是否已經(jīng)結束，并把所產(chǎn)生的報警信息通知給系統(tǒng)的其他部分，同時，實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)報警的組態(tài)設定，把報警信息存入指定的存盤數(shù)據(jù)庫文件中。報警數(shù)據(jù)表如表 41 所示： 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 表 41 報警數(shù)據(jù)表 數(shù)據(jù) 顯示畫面 數(shù)據(jù) 顯示畫面由實時曲線 圖 和歷史曲線 圖 組成。如圖 和 所示： 內(nèi)蒙 古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 實時曲線圖 圖 歷史曲線圖