加热炉控制

目录

第1章加热炉控制系统工艺分析 (2)

第2章加热炉控制系统设计 (3)

2.1生产节奏的控制 (3)

2.2加热炉燃烧控制 (3)

第3章基于组态王的加热炉系统监控程序设计 (8)

第4章结论与体会 (10)

参考文献 (11)

第1章加热炉控制系统工艺分析

加热炉是轧钢工业必须配备的热处理设备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。

我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、

产量低，烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送钢管，钢管之间可以留出空隙，钢管和步进梁之间没有摩擦，出炉钢管通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢管加热断面温差小、加热均匀，炉长不受限制，产量高，生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。

全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点:

①生产能耗大幅度降低。

②产量大幅度提高。

③生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大多是单回路仪表和继电逻

辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热炉的控制

系统都是PLC或DCS系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系

统。传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。

第2章加热炉控制系统设计

2.1 生产节奏的控制

步进式加热炉生产中的生产节奏的控制是非常重要的，在管材线全自动、全连续工作时，加热炉区的机械设备如进料辊道、步进梁、出料辊道、液压站及其它公辅设施，设备运行节奏必须高度统一，才能实现管材物流全过程准确定位，以实现全自动、全连续工作。

依据生产调度计划而需要装炉时，通过上料台架输送至装料辊道，经光电开关及金属探测器而自动输送到炉外辊道上。待炉内装料端空出位置时，自动开启炉门，由其及炉内辊道托入炉内放置到固定梁上，并由此开始进行炉内的管材物流跟踪。管材通过炉子步进梁自装料端一步步地移送到炉子的出料端。由装在出料端的光电开关检测到管材边缘并在步进梁完成此时的步距运行后，暂停步进梁的移送动作，PLC同时测算等待出炉管材的位置。在加热炉接到出钢信号后，再自动开启出料炉门，由出料辊道运至炉外出料辊道上。当金属检测器探测到管材时，在由出料辊道输送至其他设备，进行下一道工艺。

管材输送、测量、装出料、物流跟踪以及管材的数据信息交换通过PLC和二级计算机系统进行顺序、定时、联锁与逻辑控制，实现操作自动化和计算机管理。

2.2 加热炉燃烧控制

工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，例如：产品质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，所以目前大多数工业炉的控制效果不佳。随着工业炉工业的迅猛发展，脉冲式燃烧控制技术也应运而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。

目前高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高，对燃烧气氛的稳定可控性要求较高，使用传统的连续燃烧控制无法实现。随着宽断面、大容量的工业炉的出现，必须采用脉冲燃烧控制技术才能控制炉内温度场的均匀性。

本系统主要采用脉冲燃烧系统。它是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现窑炉的温度控制。燃烧状态下的燃料流量可通过主燃料控制阀门在线调节，燃烧器一旦燃烧，就处于其设计的

最佳燃烧状态，保证燃烧器燃烧时的燃气出口速度不变。控制系统使炉内燃烧器交替燃烧，通过燃气在炉内的不断搅拌，使炉内温度场均匀分布。当需要升温时，燃烧器燃烧时间加长，间断时间减小;需要降温时，燃烧器燃烧时间减小，间断时间加长。并根据炉内的设定温度来控制燃烧时的燃料流量，当设定温度较低时，将主燃料控制阀门关小，当设定温度较高时，将主燃料控制阀门开大，避免炉内处于低温状态时，燃气与炉内的温度差过大，对炉内制品造成的直接热冲击。

脉冲燃烧系统的主要优点为：

1）系统简单可靠，造价低。

2）可提高炉内温度场的均匀性。

3）传热效率高，大大降低能耗。

4）燃烧器的负荷调节比大。

5）无需在线调整，即可实现空燃比的精确控制。

与传统的比例燃烧控制相比，脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少，仅有温度传感器、控制器和执行器，省略了大量价格昂贵的流量、压力检测控制机构。并且，由于只需两位式开关控制，执行器也由原来的气动（电动）控制阀门变为电磁阀门，增加了系统的可靠性，大大降低了系统造价。

普通烧嘴的空燃比一般为1：4左右，当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，但当烧嘴流量接近其最小流量时，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰形状达不到要求，热效率急剧下降，高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时，上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃烧则不然，无论在何种情况下，烧嘴只有两种工作状态，一种是满负荷工作，另一种是不工作，只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节，所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷，需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时，燃气喷出速度快，使周围形成负压，将大量炉内烟气吸人主燃气内，进行充分搅拌混合，延长了烟气在炉内的滞留时间，增加了烟气与制品的接触时间，从而提高了对流传热效率

2.2.1步进梁控制

步进梁的动作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于运送钢管向前移动，而踏步方式用于等待出钢。

步进梁的周期方式：

活动梁上升180mm，前进145mm，下降180mm，后退145mm，钢管前进一个齿距。

其运行轨迹如下：

图3 步进梁动作轨迹图

其运行速度如下图所示：

图4 步进梁运行速度图

在步进梁接近固定梁面时，放慢步进梁的上升速度，以使步进梁轻接触固定梁上的钢管，同样下降时也是如此。

步进梁的控制系统如图

图5 步进梁控制原理图

步进梁踏步方式：

活动梁上升180mm，后退45mm，下降180mm，前进45mm

钢管在固定梁原齿槽内转动。运行轨迹如下图所示：

图6 步进梁踏步轨迹图

2.2.2 炉温控制

●炉子温区划分

淬火炉共8个控温区。加热段沿炉宽分四个区，即加热1、加热2、加热3、加热4、。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。

回火炉共10个控温区。加热段沿炉宽分二个区，加热1为中间段，加热2为左右两段组成。均温段沿炉宽分4个区，即均温1、均温2、均温3、均温4。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。

以上每个区均为独立控温。

●各区炉温的设定方式

各区的温度有二种设定方式：

手动设定方式：

即在工控机上手动改变各区温度设定值对炉温进行设定。

程序设定方式：

对于不同规格及材质的钢管，按工艺要求对应不同的设定温度，操作者可予先将不同规格和材质的钢管的炉温设定值以数据库形式保存在PLC内，并在工控机CRT的钢管选择界面上，可按需要，通过“一触式”软按键对各区炉温进行批量设定。

●各区温度的调节方式

采用PID调节方式，其过程是由热电偶检测来的实际炉温传给FM355 PID 模块，并与该区设定值进行比较，由该模块实现PID运算并输出4～20mA信号，并将此信号传输至Krom公司的连续控制或脉冲控制器的输入端，再去控制燃烧系统，实现温度控制。

其体控制过程如下：

对于淬火炉加热1、加热2、加热3、加热4四个温区，是采用德国Krom公司的比例燃烧连续控制系统，温度模块的PID输出4～20mA信号控制系统的

空气电磁蝶阀。空气电磁蝶阀开度发生变化，通过空/燃比例调节阀使烧嘴前煤气压力发生变化，从而使供热发生变化，实现炉温的自动控制。见图7

1燃气电磁阀2烧嘴控制器3

点火变压器4空燃比例阀5流

量调节阀6手动蝶7波纹管8

烧嘴

图7 连续燃烧控制原理图

对于淬火炉的保温1、保温2、保温3、保温4四个区和回火炉的各区而言，是采用德国Krom公司的脉冲燃烧控制系统，脉冲控制器MPT-700，接受PID模块的PID输出信号并将该信号变成具有脉冲调宽时序信号去控制脉冲烧嘴的开关时序及开关时间比例，从而达到调节空气、煤气的流量，达到控制炉温的目的。

为保证炉温均匀度±5℃和沿钢管全长温度均匀性小于10℃要求，淬火炉的保温段及回火炉均采用脉冲燃烧控制，在脉冲燃烧控制中，烧嘴只工作在开或关两种状态下，根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求，将烧嘴一次性调至最佳工作状态，我们采用的是Krom公司的调温烧嘴，这样对于提高燃烧效率，降低排放物污染程度都有明显效果。其控制系统示意图见图8

图8 脉冲燃烧控制原理图

2.2.3 紧急停炉保护和连锁

（1）自动停炉

当发生以下情况时应自动停炉：

●车间煤气总管压力超低限;

●热风压力超低限;

●冷却水压力超低限或断水;

●助燃风机故障停转;

●停电。

自动停炉过程：总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。（2）紧急手动停炉

它用于控制系统出现故障等特殊情况。

该系统为独立于PLC控制的联锁系统，由操作者按急停按钮完成停炉。停炉过程仍具有下面联锁功能：

总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。

第3章基于组态王的加热炉系统监控程序设计

图3-1 加热炉系统工艺流程

对加热炉的出口温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动控制。早期加热炉的自动控制仅限控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。为了保证安全生产，在生产线中增加了安全联锁保护系统。

出口温度控制：影响加热炉出口温度的干扰因素很多，炉子的动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不同，可组成多参数的串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器，还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。这种方案比较简单，在炼油厂中应用广泛。

燃烧过程控制：这种控制的主要目的是在工艺允许的条件下尽量降低过剩空气量，保证加热炉高效率燃烧。简单的控制方案是通过测量烟道气中的含氧量，组成含氧量控制系统,或设计燃料量和空气量比值调节系统,再利用含氧量信号修正比值系数。含氧量控制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两部分。现代工业中都趋向于用氧化锆测氧技术检测烟道气中的含氧量。应用时需要注意测量点的选择、参比气体流量和锆管温度控制等问题。加热炉燃烧控制系统中的执行机构特性往往都较差，影响系统的稳定性。一般通过引入阻尼滞后或增加非线性环节来改善控制品质。

联锁保护系统：在加热炉燃烧过程中，若工艺介质流量过低或中断烧嘴火焰熄灭和燃料管道压力过低,都会导致回火事故，而当燃料管道压力过高时又会造成脱火事故。为了防止事故，设计了联锁保护系统防止回火和温度压力选择性控制系统防止脱火。

联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。

发展趋势：随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。

第4章结论与体会

步进式加热炉是近年来加热炉设计中的一种热门的新型炉子，其自动控制水平的高低对钢坯的出炉温度，加热炉设备的寿命，加热炉的能耗等因素都具有直接的决定作用。随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。

在这次课程设计的完成过程中，我体会到了很多书本上没有的东西。我不但掌握了组态王软件的操作,并且学会了怎么样在做课程设计中克服一个有一个困难，还学会了和搭档的团队合作。通过这次课程设计，我把我的理论知识与实践相结合，提高了我的实际动手操作能力。感谢东北石油大学开设了这样一门有意义的课程，感谢自动化系的老师们，工作认真严谨，无私帮助我为我以后工作添加了一枚含金量十足的砝码。

参考文献

[1] 胡仁安.钢铁工业自动化上的新技术《冶金自动化》2001.2

[2] 武文裴.加热炉设计实例[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3] 蔡乔方.加热炉[M].北京：冶金工业出版社，2005.

[4] 奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南[M].兰州：化工部自控设计技术中心站，

1991.

[5] 陈南岳.现代加热炉过程控制技术及其数学模型《冶金自动化》1995.5

[6] 董德发，张天春.自控工程设计基础[M].大庆：东北石油大学，1999.

[7] 王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2003.