加热炉设计正文

加热炉控制系统设计

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乡村秩序：村社自治与政府治理——以漳州市朝阳镇“庙会宴客禁令”的个案分析为进路

摘要

随着经济的不断发展，人们对资源的开发利用也越来越多，资源浪费现象也随之加剧，如何进一步提高产品质量，同时降低能耗意义重大。笔者希望通过对加热炉控制系统的优化设计来起到节约能源，降低能耗的目的。

笔者将把蓄热式加热炉的控制系统设计作为此次设计的背景，在对蓄热燃料技术及其控制方法进行分析，设计以SIEMENS—PLC的加热炉计算机控制系统的结构为基础。以加热炉基础自动化设计内容为主要分析对象，针对炉温控制功能、炉膛压力控制功能、排烟温度控制功能进行分析并作出设计。

加热炉运行有两项主要的质量指标，一个是按照理想曲线加热的钢坯，另一个是准确的出炉温度。钢坯在炉内的温度分布会影响到加热炉的闭环控制和预测钢坯的轧制效果。出炉口处钢坯表面和中心的温度对其影响效果显著。因此，要达到提高加热炉工作效率、确保轧制质量，把加热炉燃料的损失率降低到最低程度的目的，需要合理控制钢坯出炉温度并且保证其均匀分布。

由于加热炉的基础自动化控制在实际应用中是根据预先设定好的炉内温度制度来实现将钢坯以合适的温度加热的，但这种加热炉的控制方式存在不能提前预知钢坯出炉温度是否合格的弊端，即使不合格也没有补救措施可以采取。为了将传统加热炉基础自动化控制存在的这一弊端带来的损失降到最低，在实际应用中一般采取建立能够预报加热炉钢温的模型、通过这个虚拟的模型预测钢温的措施，从而使钢坯的温度得到优化控制。

现在，很少有采用传热机理以外的方法建立钢温预报模型的加热炉自动控制措施。采用传热机理的方法在其应用过程中，实际使用效果往往会受制于边界条件和热力学参数的选取。本文采用多元统计的方法力图解决钢温预报问题。多元统计方法是由生产过程检测数据的建模方法演变而来的，多元统计方法因其过程数据主要来源于现场实践，不是数学模型的产物，因此，颇具实用性。本文涉及的数据来源于以往现场实践，质量指标是以钢坯出炉的温度界定的，在充分分析加热炉独具的生产特点后建立钢坯质量模型，再通过这个模型预报产品质量。

通过大量的实验发现，出钢温度可以通过统计方法建立的模型来预报，这种做法也能够为今后创建预测模型起到抛砖引玉的作用。笔者希望通过此种方法进行加热炉控制系统的设计，以此来提高加热炉使用效率，避免资源浪费。

乡村秩序：村社自治与政府治理——以漳州市朝阳镇“庙会宴客禁令”的个案分析为进路[关键词]:加热炉控制系统多元统计设计

Abstract

With the development of economy, people in the exploitation and utilization of resources is also increasing, resources waste phenomenon also increased, how to further improve the quality of products, reducing the energy consumption of great significance. The author hopes that through the optimization of the design of control system of heating furnace to save energy, reduce energy consumption goal.

I will take the design of the control system of the regenerative heating furnace as the design background, in regenerative fuel technology and its control method to analyze, design by SIEMENS PLC of the heating furnace computer control system structure based. In heating furnace foundation automation design content analysis as the main object, for the temperature control function, furnace pressure control function, the exhaust gas temperature control function analysis and making design.

Heating furnace operation has two main quality indicators, one is in accordance with the ideal curve of heating billet tapping temperature, another is accurate. Steel billet in the furnace temperature distribution will affect the effect of rolling heating furnace closed loop control and predict billet. Steel mouth out surface and center temperature on its significant effect. Therefore, to improve the working efficiency of the heating furnace, ensure rolling quality, the heating furnace fuel loss rate decreased to the lowest degree of purpose, need to reasonably control the discharging temperature and ensure its uniform distribution.

Because the basic automation control of furnace in practical application according to the preset temperature system good furnace to achieve the billet to a proper heating temperature control, but this way of heating furnace existence cannot predict discharging disadvantages temperature whether or not qualified, if not qualified no remedial measures can be taken. In order to make traditional heating furnace basic automation control to bring this malpractice losses to a minimum, in the practical application in general to take the establishment to steel temperature prediction of heating furnace model, through this virtual prediction model of steel temperature measures, so that the billet temperature to obtain optimal control.

Now, there are few automatic control measures of heating furnace of steel temperature prediction model by using the method of establishing the mechanism of heat transfer outside the. Methods using the heat transfer mechanism in its application process, choosing the actual use effect is often

subject to the boundary conditions and the thermodynamic parameters. This paper uses the method of multivariate statistical analysis to try to solve the problems of steel temperature prediction. Multivariate statistical method is by the modeling method of the production process of detecting data evolved, multivariate statistical methods for the process data mainly comes from the field practice, the product is not the mathematical model, therefore, quite practical. This paper relates to the data from the previous field practice, quality indicators is the discharging temperature limits, in the full analysis set up after the production of heating furnace billet quality model is unique, then through the model prediction of product quality.

Through large amount of experiments, the tapping temperature may be established through statistical methods to forecast model, this approach can also create a prediction model for future play a valuable role. The author hopes that the design of control system of heating furnace by this method, so as to improve the use efficiency of the heating furnace, avoid the waste of resources.

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目录

一、绪论 (6)

（一）本课题设计的目的及意义 (6)

（二）国内发展现状和趋势 (7)

（三）本课题研究内容 (7)

二、加热炉控制系统的总体设计 (8)

（一）上位机的软件实现与功能 (9)

（二）上位机达成的基础能力 (12)

（三）下位机PLC体系的硬件资源和软件资源的设计 (15)

三、加热炉基础自动化系统设计 (19)

（一）炉温控制 (19)

（二）炉膛压力与均热段烟温控制 (22)

四、总结 (26)

五、致谢 (26)

一、绪论

（一）本课题设计的目的及意义

本课题设计的目的在于通过多元统计的方法来建立模型预报钢坯的出钢温度，以此来提高加热炉的使用效率，降

低燃料的损失率。因蓄热式加热炉具有显著的节能效果，达到同样的加热质量氧化烧损最少，能够创造良好的环保条件，为绿色工业炉的创造提供保障的作用，本文将论述其设计方法。

（二）国内发展现状和趋势

第一台单体的蓄热式燃烧器于1982年问世，十年后，日本率先实现了该技术的商品化。从1982到1992年，短短十年间，蓄热式燃烧技术突飞猛进的发展。蓄热式燃烧技术从仅仅单一运用于工业炉发展到由燃烧系统、排烟系统、蓄热室和炉体为一体的蓄热式工业炉。

目前国内采用3种型式的蓄热室加热炉，其主要不同表现在蓄热室与加热炉体的关系上，主要分为二者一体化通道置于内部式，二者分开并且通道置于其外部式，还有蓄热式烧嘴加热炉。国内外目前采用的加热炉多数采用集中或分段两种换向方式。由于此种换向方式具有燃料流量和空气流量变动大的缺点，国内没有很多能够通过计算机自动控制得蓄热式加热炉。

（三）本课题研究内容

本课题主要对加热炉的具体情况作一概述，通过对加热炉控制系统的总体结构及上位机和下位机所实现的功能与加热炉基础自动化的设计详尽的做出介绍。笔者希望本课题研究可以为加热炉控制系统地设计提供依据。

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二、加热炉控制系统的总体设计

本蓄热式加热炉是以预热、加热、均热三个阶段连续加热为生产工艺的加热炉。在这个过程中，双交叉限幅控制方案是其采用的温度控制方案。每个供热段都是一个换向单元，并且是相互独立的。加热炉的均热和预热阶段由12个烧嘴组成，而加热炉的加热阶段则有16个烧嘴。如图所示，温度是以加热炉顶部的温度为准，每个加热炉在加热阶段的炉膛温度是由分为上侧温度和下侧温度的三个热电偶检测点监测的。加热炉外围的管路分为装有压力测点的煤气总管和装有调节阀的空气总管及烟气总管构成。在实际运行正常状态下，须将压力控制在一定范围内。加热炉将煤气流量测点设在煤气总管上。当煤气总管通到加热炉时，通煤气的总管和通空气的总管分别有三条支路，使燃料和空气能够输送到三段炉膛。为确保其正常输送，加热炉将其流量测点和调节阀安装在每一条支路上。当需要控制流量的大小时，需要根据系统的负荷变化、炉膛温度与设定温度的差异来调节。加热炉蓄热室的烟气被按照各自的通道汇集在一起，然后排放到烟气总管，在引风机的作用下通过烟囱排出。控制排烟温度的是三个排烟阀。通常情况下，排烟量和排烟温度成正比。另外，在整个加热炉的控制中，出钢口的压力也就是通常说的均热段炉膛压力是控制的关键点。为避免炉膛口进入冷空气使炉膛内的加热效果受到影响，保证露堂内的微正

压，在相对较低的排烟温度、蓄热体能在正常负荷范围内时，加热炉为达到调节均热段的炉膛压力的作用，直接通过控制加热段的排烟阀来调节，以实现预期效果。

（一）上位机的软件实现与功能

1、简单介绍上位机组态软件Wincc

Wincc是一种控制软件包，由西门子公司开发，主要作用是进行监视和控制，主要用于自动控制设备生产过程中。这种软件包通过面向过程控制的HIM产品，主要有监视、控制盒采集数据的功能。这种软件包具有很强的扩展性，能够达到很好的监视作用，并且其具有丰富的利用价值。能够提供适合对象需求的动画图形，可以开放的数据库格式，存储历史数据，强大的趋势分析和报警功能。

Wincc具有强大、丰富的功能。Wincc能够实现实时提供数据采集的结果，监测加热炉工作过程的参数并在需要的

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时候启动报警装置，存储数据报表并打印，修改系统参数等功能。能够实现建立将生产过程同用户连接起来的通俗移动的人机交互界面。用户可以通过编辑动画画面跟踪实际的生产流程；监测、显示实际过程中的重要过程参数，对参数的失控和现场的异常实时报警并且能够按照不同的方式通知用户，同时还提供了对报警信息进行归档，打印等功能；对现场测量数据进行记录、归档，通过实时趋势图或历史趋势图的形式显示给用户；另外还可为不同用户提供级别不同的注册权限。[1]

下面将从I/O驱动映像表、画面编辑、数据库管理、报警处理、报表管理、用户管理的方面进行具体介绍。

当场传输感应设备感应到的过程会被记录在PLC或者别的智能检测设备储存器中，因为这些储存器的读取接口是由WINCC提供的所以其接口就被称为I/O驱动。驱动的图像是在I/O驱动设备的内部记录区，进行检测、警报和掌控使驱动的图像在信息系统中持续更新，同时对供给设备进行控制升级。

采集工业过程中的数据是任何一个自动化软件都必须要最先完成的工作。驱动图形中的需要给出定义的是一系列的参数，比如说信息的类别、检测时间等等。能够把所有的信息图像看成是一个集合场所，在这个集合当中的单独个体就是一组样本记录，单一的记录能够是单一信息或者一部分

地址空间连接同时信息类别一致的信息集合。要想多增加一组样本记录，就一定要规划出一个起点和一个终点，以及全程的历程长度，起始点是传达驱动这一段通讯信息在PLC记录器中的第一个地址，历程长度是传达驱动这一次通讯需要使用的信息量；然后定义信息的类型、确定采样时间，同时记录下来。WINCC当中的采用时间一般为0至255秒。

面板设计

WINCC有着十分强力的面板设计能力。体系中给于的制图工具和图形信息库的类别繁杂、多样，包含了基础绘图工具、WINCC内部建设的样本图形、通用的工业图形、Windows系统图形等等。图形能够被设计成动态的性质，而且图形的运行和设计也多变、简单，能够实现较为繁琐的动态性质图形。而且用C语言进行现实编辑，可以实现更加繁琐的动态图形和控制效果。

信息库管理

信息库也是WINCC的数据记录中心，它能够同外界的数据沟通，以I/O驱动反映表，以现实中过程参数的变化为基础，进行信息库的持续升级，而且也把上级使用者操作信息反映给I/O驱动反映表，再发送给控制设备。这就导致一切的动态图像都能够伴随着心虚库的内容升级而不断变化。

警报解决

当控制设备出现了反常情况，以及过程参数不可控现象

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时，WINCC能够及时的发出警报，同时在警报显示器里给出具体的问题，包括反常开始时间、报警的信号、出现异常的原因等等。然后经过检查、解决后，警报的信息会自动取消。

报表管制

使用者能够不受限制的选取一些报表格局，然后根据时间不同、事项引发等达到信息运作、目前信息入档、进行报告回复。能够在打印机上反映，也可以在电子文件上表现。

使用者管理

运作中心上可以为项目设置不同的权利级别限制使用者。如此就可以让每一个使用者在本身的权利等级内运作，这样对体系的记录、控制、管理都有着积极作用，避免了没有权限的人员进行失误运作，造成不必要的麻烦。

（二）上位机达成的基础能力

上位机监视控制软件在WINCC条件下研发使用的程序，能够进行简便的运作、提供全面的人机交流面板。

1）储热式加热炉的制造过程监控图像：通过模仿图形的方式来表达出加热炉内燃烧情况下的燃烧部分的排版，划分为上下两个加热平板图形，监控图像由一个主要图像和其他次要图像组成，所有图像满足随时、无限制的切换的要求。如下图所示，大致情况集合在一个图像中主要监管制造设备以及工艺的全部过程，其中包含了各个切换设备中的快速切

换控制器和三向些换控制器的运行情况以及一系列的重要过程参数。例如钢温度、炉内温度、炉内压力、废气排出温度、制造效率、空气管总压强和煤管压强等。

2）反常情况的警报：为了生产过程安全性的提升得到保障，就需要对生产机器的状况进和过程参数的变化进行时时监控，一旦出现反常状况，就会立即发出警报，然后相关工作人员就会做出相应的措施。在对加热炉进行设计的时候，要把警报进行等级划分，当出现不能立即得到解决就会造成严重后果的事件，就会闹铃警告，比如空气总管的压强低、煤气管的压强低、切换设备的快速控制器或者三向切换器出现异常状态等；当过程参数超标这样的不严重的事件发生时，就会在监控图像中警报器上闪烁红灯进行警报，比如说废气温度过高（排出了过多热量，影响了体系工作状态，也有可能是储热设备温度过高，使其寿命减少）。前者的警报出现时会在监控图像上的警报显示中显示具体的警报数据，通过表格的方式根据警报发生时间为基础进行摆列和记录，记录的内容包括警报发生时间、警报级别、警报内容、解决时间、确切时间。然后在警报显示的右边，有一个确认的按键，点击之后第一种警报级别就会取消，但是第二种警报级别虽然信息不在记录但是，警示灯还是红色，直到警报信号取消后，警示灯才会变回绿色。

3）过程参数的更正：过程参数设置面板给出了一系列

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重要的过程参数以及设置运行面板，包含了切换向总历程、切换间隔、快速切换控制器和三向切换控制器的作用反映时间、所有环节参数的滤波时间常数、废气温度警报面板的设定等等。但是并不是所有的使用者都有权限对这些进行设置，不同的参数设定了不同的设置级别，这就防止了无权限的人出现失误运作，带来不必要的麻烦，只有拥有一定的权限等级的人员才能对这些系统数据进行更改。

4）过程信息的实时形势以及以往形势：监管制造过程中，要对一系列过程参数进行随时的监视，或者计算以往的发展形势，然后总结出一些经验、以帮助监控体系的能力升级。WINCC的定义确定之后，能够很简单的绘制出过程参数的实时变化图像以及以记录的历史信息为依据的历史数据发展形势。在这一加热炉的制造中，以变化量的形式，给出总多的现今和以往数据发展形势图像。包括煤气流量、空气流

量、排出气体温度等，还有间隔的排烟温度、炉内压力等等。5）报表打印：这一加热炉的制造中，报表被划分为生产报表和资源报表两种，根据时间的不同也可以分为工作报表、日报表以及月报表。主要是为了记录过程中的重要指数的标准量，例如煤气总量。钢温度、炉内温度、炉内压力、各部分排烟温度、生产效率等等。，为生产质量的检测、计算提供了方便，减少了审核的时间消耗。

（三）下位机PLC体系的硬件资源和软件资源的设计

储热式加热炉的监控系统的根本使用了西门子集团的S7—400和S7—300型号的PLC商品成为对下监控级别，他主要针对过程参数的随时收集、信息的处理（滤波、流量堆积等）以及过程参数的调节（炉内温度、炉内压强、排烟温度等监控方法的达成）、烧嘴切换装置的控制等一切能力，同时达成同上位机之间的信息交流。S7—400和S7—300型号的PLC使用模版化的构型，其体系构造使用的范围大，能够提供性能优秀的、全面兼顾的自动化监控商品，能够提供有效的解决控制方法。

S7—400以及S7—300类型的PLC商品的硬件和软件都是国际化的标准，同时还附带了全面的专业软件包裹和先关系统。而且升级的新型商品和原来的系统能够兼容，是建立在原来系统上的最新应用技术。

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1、PLC系统硬件配置

因为控制点数过多，设计这个系统用到六个机架，二个主机架（S7—300主机架远程I/O站有两个、S7—400主机架扩展机架有两个）。下图为其结构图：

由连接电缆连接这里的S7—400主机架两个扩展机架，S7—300主机架及其两个远程I/O站之间的连接则运用了PROFIBUS通讯电缆，采用PROFIBUS通信。所有站均存在它们自己的CPS电源模块，便于独立供电操作，全部系统存在二块CPU处理器模块，全部数据的处理任务均由它们实现。S7—400主机架及其两个I/O模块（扩展机架的）的主要功能为模拟量信号处理，模拟量输入（出）、热电阻、热电偶等模块均包括其中，阀位、压力、流量、温度等信号检测和输出控制部分阀位信号由其负责；数字量输入（出）模块：这个模块的主要功能在于：司职处理诸如开（关）到位

快切阀、三通换向阀信号和输出控制等换向装置信号。而且，S7—300主机架及其两个远程I/O站机架属于数字量的输入（出）模块，这个模块的主要功能在于，对控制液压系统、控制上料轨道以及电气连锁负责。

2、应用程序结构、作用

大多由LD（梯形图）构成下位PLC应用程序。从功能来看，S7—400系统包括二部分，即换向控制（蓄热式烧嘴）、控制系统内流量和压力以及温度等控制。

换向控制（蓄热式烧嘴）、控制系统内流量和压力以及温度等控制互不干涉。电气控制由S7—300系统负责等。如图，是PLC控制程序总体结构框架图。

全部控制程序任务包括以下各部分。

1）信号处理：涵盖了信号断路保护、阀位偏差报警、煤气流量累计、模拟量信号滤波处理等内容。

2）流量控制器前馈处理、生产率计算：生产率计算的依据是某段时期中出钢速度的快慢，基于炉温控制回路有关快速性提高所需，PID控制器（温度、流量调节器）能运用生产率前馈。

3）数学模型：依据经验公式，依据生产率大小、目前炉温设定值与实测值偏差等因素对1个合适炉温设定值进行确定，保持在生产负荷变化中，控制系统可以适当、较快把炉温设定值改变，保持控制系统可以相对平稳。

乡村秩序：村社自治与政府治理——以漳州市朝阳镇“庙会宴客禁令”的个案分析为进路4）压力控制：控制煤气总管、空气总管以及均热段炉膛压力等的压力。

5）温度控制：炉温控制，也就是排烟温度控制包括其中（炉温控制试验过双交叉限幅控制、串级以及根据平衡关系进行空气与燃料流量调节等办法）。

6）两段的烧嘴换向处理：分层、独立处理两段烧嘴换向。每段、每层烧嘴自成换向单元（1个），定时、定温换向是自动换向的二种原则。

三、加热炉基础自动化系统设计

（一）炉温控制

在温度控制方面，本加热炉的工作阶段分为三个部分，一是预热段，二是加热短，三是均热段。它们在控制时所参照的方案是相同的，均是使用双交叉限幅燃烧方案，其介质则主要是煤气和空气。同时，辅以教学模型进行分析，以使得生产率的前馈控制得以实现。

本项目在实施时主要是利用采用双限幅系统来进行工作的，与此同时，还有一种使用面较广的单、双交叉控制方案，如图3.1所示。虽然与传统的随动控制相比，它的性能具有明显的优势性，但是其工作速率较低，限幅不够灵活，对于现场的要求不具有广泛的适用性。所以，对于这种方案的采纳选择可根据具体的现场情况来决定。

1、双交叉限幅控制

这种控制方式对于设定值限幅的主体有两种：一是空气流量，二是煤气流量，两者均存在于副回路控制器中，工作过程中相互制约，而具体的限幅依据则是项目里所实际测量

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出的燃料和空气流量的数值，该方案的限幅目标是避免负荷时的状态变化过于迅猛而剩余过量的燃料或者空气。采用了这种限幅方式后，副回路控制器就会选择一个具体的测定值，所参照的依据主要是以下两项：一是缺氧和过氧燃烧的避免，二是主回路的输出，以此为基点，在其的最小和最大限度中选择一个合适的阀值。通过这种方式，空气流量与燃料流量在相互交替上升的过程中就会以一个较为合适的比例进行工作，使两者在方案实施过程中更为完美地协调配合。下面是这种控制方案的模式图：

2、煤气空气分离控制

这个时候双交叉方案停止实施，煤气控制器的设定值的确定参照此时温度控制器的输出值；然后通过关于生产率定量计算得出空气的设定数值。