【正文】 歡迎；④系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便、易于改造；⑤體積小、質(zhì)量輕、功耗低。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該以易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器完成開關(guān)量的控制, 比如,將行程開關(guān)、按鈕開關(guān)、無觸點(diǎn)開關(guān)或敏感元器作為輸入信號(hào), 輸出信號(hào)可控制電動(dòng)閥門、開關(guān)、電磁閥和步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)以上判別準(zhǔn)則，可以方便地確定溫度控制器、流量控制器和壓力控制器均為反作用控制器。實(shí)際上，主變送器放大倍數(shù)符號(hào)一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)，因此，主控制器的正、反作用實(shí)際上只取決于主對(duì)象放大倍數(shù)的符號(hào)。因此，整個(gè)副回路可視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)看待。對(duì)于副回路可將它視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況來確定?？紤]問題的出發(fā)點(diǎn)仍與單回路控制系統(tǒng)相同，即為了使副回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為“正”。 串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。判別準(zhǔn)則：只要控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)規(guī)定符號(hào)的乘積為正，則該系統(tǒng)是一負(fù)反饋系統(tǒng)。又因?yàn)楸豢貙?duì)象、測量變送器和執(zhí)行器的作用方向是不能隨意選定的，所以，要想使控制系統(tǒng)具有閉環(huán)負(fù)反饋特征，只有通過正確地選擇控制器的正、反作用來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谝粋€(gè)控制系統(tǒng)中，除了控制器外，其它各個(gè)環(huán)節(jié)(被控對(duì)象、測量變送據(jù)、執(zhí)行器)都有各自的作用方向。當(dāng)控制器的輸出信號(hào)隨著被控變量的增大而增加時(shí)，控制器工作于正作用方式；當(dāng)控制器輸出信號(hào)隨著被控變量的增大而減小時(shí)，控制器工作于反作用方式。在爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大，控制要求不高，被控變量只要控制在微正壓即可，允許它在一定范圍內(nèi)有余差，所以壓力控制器應(yīng)選用比例控制規(guī)律（P）。所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中的流量控制器即副控制器需要采用比例積分控制規(guī)律（PI）。然而副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速、精確地跟隨主控制器的輸出而變化，副控器最好不帶積分作用，因?yàn)榉e分作用會(huì)使跟蹤變得緩慢，當(dāng)選流量作為副參數(shù)時(shí)，為保穩(wěn)定，P較大，可引入積分，即采用PI，以增強(qiáng)控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因?yàn)楫?dāng)副控制器有微分作用時(shí)，一旦主控制器的輸出稍有變化，控制閥就將大幅度地變化，這對(duì)控制也是不利的。根據(jù)工藝的要求和控制規(guī)律的特點(diǎn)，從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看,主環(huán)是一個(gè)定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用。適合于調(diào)節(jié)通道時(shí)間或容量滯后較大、負(fù)荷變化大、對(duì)控制質(zhì)量要求較高的場合。比例積分微分控制規(guī)律(PID)的特點(diǎn)是：在增加了微分作用后，控制器的輸出不僅與偏差的大小和存在的時(shí)間有關(guān)，而且還與偏差的變化速度成比例，這就可以對(duì)系統(tǒng)小的容量滯后起到超前補(bǔ)償作用，并且對(duì)積分作用造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定性也有所改善。它適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控變量又不允許有余差的場合。比例積分控制規(guī)律(PI)的特點(diǎn)是：控制器的輸出不僅與偏差的大小成比例，而且與偏差存在一定的函數(shù)關(guān)系。比例控制器適用于調(diào)節(jié)通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控變量允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。只具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器。它能較快地克服擾動(dòng)的影響，過渡過程時(shí)間短。 控制規(guī)律的選擇控制器主要有三種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例積分微分控制規(guī)律，分別簡寫為P、PI和PID。擔(dān)負(fù)著整個(gè)控制系統(tǒng)的“指揮”工作，正確地選用控制器，可以大大改善和提高整個(gè)過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。為防止在異常情況下爐膛壓力過高會(huì)產(chǎn)生爆炸，壓力調(diào)節(jié)閥（或煙道百葉窗）應(yīng)選氣閉式，一旦壓力過高發(fā)生故障時(shí)，則壓力執(zhí)行器立即處于全開狀態(tài)，從而避免了壓力過高時(shí)產(chǎn)生不良后果。而且要注意原料或產(chǎn)品是否易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料時(shí)，以防控制閥失去能源時(shí)，會(huì)造成不良的后果[2]。(3)從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來考慮。(2)從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)。信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的安全。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則來進(jìn)行選擇。反之，當(dāng)膜頭輸入壓力增大時(shí)，控制閥開度減小，則稱之為氣閉閥[2]。因此，對(duì)它必須給予足夠的重視?？刂崎y是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，它接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)。其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、流通能力大、特別適用于低壓差、大口徑、大流量氣體和帶有懸浮物流體的場合，但泄漏量較大。煙道百葉窗的擋板以轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來控制流體的流量。在高壓場合，為了延長閥芯使用壽命，可采用側(cè)進(jìn)底出。角形閥的閥體為直角形，其流路簡單，阻力小，適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物料流量的控制。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，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(zhì)的流量相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量的目的。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)又稱控制閥（或調(diào)節(jié)閥）。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇生產(chǎn)過程中，被控介質(zhì)的特性千差萬別，有高壓的，高粘度的，強(qiáng)腐蝕的；流體的流動(dòng)狀態(tài)也各不相同，有的流量小，有的流量大；有的是分流，有的是合流。活塞式的持點(diǎn)是行程長，但價(jià)格昂貴，只用于特殊需要的場合。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電/氣轉(zhuǎn)換器(或電/氣閥門定位器)輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)格便宜，維護(hù)方便和防火防爆等優(yōu)點(diǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)系指產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常指調(diào)節(jié)閥[22]。使被控參數(shù)符合預(yù)期要求。由于步進(jìn)式加熱爐爐膛壓力需控制在5～20Pa，屬于微正壓，所以選用彈簧管壓力表[3]。本設(shè)計(jì)選用彈簧管壓力表配壓力變送器來檢測爐膛壓力，彈簧管壓力表是一種指示型儀表，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它的使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。目前，用作壓力檢測的彈性元件主要有膜片、波紋管和彈簧管。彈性式壓力檢測是用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法。 壓力檢測元件壓力檢測的方法很多，按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同，一般分為四類：液柱式壓力檢測、彈性式壓力檢測、電氣式壓力檢測、活塞式壓力檢測。這種檢測方法的特點(diǎn)是管道內(nèi)無可動(dòng)部件，使用壽命長，壓力損失小，測量精度高(約為5％～1％)，量程比可達(dá)100：1，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，幾乎不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，故用水或空氣標(biāo)定的漩渦流量計(jì)可用于其他液體和氣體的流量測量而不需標(biāo)定，尤其適用于大口徑管道的流量測量?？紤]到使用的燃料即焦?fàn)t煤氣中含有焦油、萘、氨、硫化物和氰化物等雜質(zhì)，若使用流量孔板，則取壓孔易堵塞，雜質(zhì)附著在孔板上，影響測量的準(zhǔn)確性。電容式差壓變送器是沒有杠桿的變送器，它采用差壓電容為檢測元件，整個(gè)變送器無機(jī)械傳動(dòng)、調(diào)整裝置，而且測量部分采用全封閉焊接的固體化結(jié)構(gòu)。 流量檢測元件作為流量檢測用的節(jié)流件有標(biāo)準(zhǔn)的和特殊的兩種。它的熱電極材料具有較好的高溫抗氧化性，可以滿足加熱爐的溫度要求，并且可在氧化性或中性介質(zhì)中長時(shí)間地測量900℃以下的溫度?？紤]測溫的準(zhǔn)確可靠和反應(yīng)靈敏，而且預(yù)熱段溫度為750℃～1100℃，加熱段的溫度為1250℃～1300℃，均熱段的溫度為1150℃～1250℃，所以采用鎳鉻—鎳硅熱電偶(K型) ，這是一種使用面十分廣泛的賤金屬熱電偶，—，它的測溫范圍為270℃～1372℃。設(shè)計(jì)中對(duì)爐壓的控制采用的是單回路控制策略，它是通過調(diào)整煙道百葉窗的開度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，進(jìn)而控制爐膛壓力，爐壓檢測點(diǎn)位于出料端。單回路控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象（簡稱對(duì)象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，卻能解決生產(chǎn)過程中的大量控制問題。 爐膛壓力的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了提量時(shí)先提空氣量，后提燃料量，降量時(shí)先降燃料量，后降空氣量的邏輯要求[2]。燃料量降低，經(jīng)變送器的測量信號(hào)被高選器選中，作為空氣流量控制器的給定值，命令空氣降量。整個(gè)提量過程直至＝=時(shí)，系統(tǒng)又恢復(fù)到正常工況時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此時(shí)＜，被低選器選中，從而改變?nèi)剂狭髁靠刂破鹘o定值，命令提量。當(dāng)系統(tǒng)中的爐膛溫度降低時(shí)，溫度控制器的輸出增加(根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的要求，溫度控制器應(yīng)選用反作用式控制器)，這個(gè)增加了的信號(hào)不被低選器選中，而卻被高選器選中，它直接改變空氣流量控制器的給定值，命令空氣量增加。在正常工況下，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度控制器的輸出，等于燃料流量變送器的輸出，也等于空氣流量變送器的輸出。爐溫的單交叉限幅控制的檢測流程圖如下： 圖33 單交叉限幅控制的檢測流程圖圖33所示為“串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)，由爐膛溫度與燃料、空氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)和燃料與空氣的流量比值控制系統(tǒng)相組合。在控制爐溫的過程，當(dāng)爐溫偏低時(shí)，先增加空氣量，后增加煤氣量，當(dāng)爐溫偏高時(shí)，先減煤氣量，后減空氣量，實(shí)現(xiàn)空氣煤氣交叉控制，以保證燃料的完全燃燒。溫度控制器與煤氣流量控制器或空氣流量控制器構(gòu)成一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度控制器根據(jù)實(shí)測溫度，按照PID控制策略，產(chǎn)生一個(gè)輸出。設(shè)計(jì)的爐溫與流量的串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖32。一般來說，主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，它是一個(gè)定值，在該系統(tǒng)中主參數(shù)溫度是一個(gè)定值，工業(yè)上要求步進(jìn)式加熱爐預(yù)熱段溫度為750℃～1100℃，加熱時(shí)間15～30分鐘；加熱段的溫度為1250℃～1300℃，加熱時(shí)間40～60分鐘；均熱段的溫度為1150℃～ 1250℃，保溫時(shí)間20～30分鐘；連鑄冷坯料、模鑄冷坯料的總加熱時(shí)間為90～120分鐘；因此，主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的定值控制。串級(jí)控制系統(tǒng)是由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名的。所以為了控制溫度，工藝上不但要求燃料量與空氣量成一定的比例，而且要求在溫度發(fā)生變化時(shí)，燃料與空氣的提降量有一定的先后次序，以保證空燃比的合理性及供熱區(qū)段溫度的可控性。這種方案能夠適用于主流量干擾頻繁及工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場合，實(shí)用性強(qiáng)[2]。這不僅實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個(gè)主要特點(diǎn)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主流量控制回路的存在，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干擾的影響，使燃料流量變得比較平穩(wěn)。 燃料燃燒的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的不足而設(shè)計(jì)的。對(duì)于溫度的控制采用單交叉限幅方式的串級(jí)控制系統(tǒng)，這樣可以在爐溫偏低時(shí)，先增加空氣量，后增加煤氣量；爐溫偏高時(shí)，先減煤氣量，后減空氣量，實(shí)現(xiàn)空氣、煤氣交叉控制，保證了燃料的完全燃燒，最終通過控制燃料和空氣流量以達(dá)到控制爐溫的目的。 控制方案 步進(jìn)式加熱爐的熱工制度主要包括:溫度制度、燃料燃燒制度和爐壓制度等。綜合考慮影響加熱過程的各個(gè)因素，加熱溫度和爐膛壓力對(duì)于鋼坯質(zhì)量的影響頗大，而且是一個(gè)可以控制的量，所以選擇溫度和爐膛壓力作為被控參數(shù)。實(shí)際選擇加熱溫度，通常應(yīng)兼顧上述兩個(gè)方面。因?yàn)椋邷丶訜嵩O(shè)備的投資與能耗巨大，所以盡可能的降低加熱溫度以提高設(shè)備使用年限和降低燃料、電力消耗是十分重要的。但若超過最適宜值，則會(huì)使鋼坯抗壓強(qiáng)度迅速下降，嚴(yán)重時(shí)有可能造成鋼坯熔融粘結(jié)。加熱溫度對(duì)鋼坯的影響特性顯示：(1)從提高質(zhì)量和產(chǎn)量的角度出發(fā)，應(yīng)盡可能選擇較高溫度。若溫度偏低則不能很好的進(jìn)行軋制，以致難以達(dá)到所需固定成型效果。如遇到上述情況，應(yīng)對(duì)爐子結(jié)構(gòu)及操作方式作合理的改造或調(diào)整，使?fàn)t子產(chǎn)量和軋機(jī)產(chǎn)量相適應(yīng)。在生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程中，爐子生產(chǎn)率小于軋機(jī)的產(chǎn)量時(shí)，常常為了趕上軋機(jī)的產(chǎn)量而造成加熱不均，內(nèi)外溫差大，甚至有時(shí)為了提高出爐溫度而將鋼表面燒化，而其中間溫度尚很低，造成加熱質(zhì)量很差。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼坯的加熱時(shí)間往往是變化的。其中加熱溫度和爐膛壓力對(duì)鋼坯質(zhì)量影響較大，而且可控。加熱爐采用端進(jìn)料、端出料，這樣由爐尾推料機(jī)直接推送出料，不需要單獨(dú)設(shè)出料機(jī)，而且適合較寬的料坯，可以幾個(gè)爐子共用一個(gè)輥道，占用車間面積小，操作也比較方便。在加熱特殊鋼種時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況關(guān)閉加熱段靠近爐尾的部分燒嘴，延長預(yù)熱段長度，方便的實(shí)現(xiàn)低溫入爐。全爐采用32臺(tái)蓄熱式燒嘴，每套燒嘴配備一套獨(dú)立的換向系統(tǒng)，最大限度的保證了生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。移動(dòng)梁的運(yùn)動(dòng)是可逆的，當(dāng)軋機(jī)故障要停爐檢修，或因其他情況需要將物料退出爐子時(shí)，移動(dòng)梁可以逆向工作，把料坯由裝料端退出爐外。移動(dòng)梁往復(fù)—個(gè)周期所需要的時(shí)間和升降進(jìn)退的距離，是按設(shè)計(jì)或操作規(guī)程的要求確定的。這樣移動(dòng)梁經(jīng)過上升—前進(jìn)—下降—后退四個(gè)動(dòng)作，完成了一個(gè)周期，料坯便前進(jìn)(也可以后退)一步。開始動(dòng)作時(shí)，移動(dòng)梁由1點(diǎn)垂直上升到2點(diǎn)的位置，在到達(dá)固