過控課設——熱風爐送風溫度控制

1、學 號： 012121136 課 程 設 計題 目熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)的設計學 院自動化專 業(yè)自動化卓越工程師班 級自動化卓越1202班姓 名指導教師傅 劍2015年11月9日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 自動化卓越1202班 指導教師： 傅 劍 工作單位： 自動化學院 題 目: 熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)的設計 初始條件：煉鋼 高爐采用內(nèi)燃式熱風爐,燃燒所采用的燃料為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。兩種燃料混合后進入熱風爐燃燒室,再與助燃空氣一起燃燒, 要求向高爐送風溫度達到1300 ，則爐頂溫度必須達到1450 ±8。要求完成的主要任務: 1、了解內(nèi)燃式熱風爐工藝設備2、繪制內(nèi)燃式熱風

2、爐溫度控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術參數(shù)4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過程說明書時間安排11月3日 選題、理解課題任務、要求 11月4日 方案設計 11月5日-11月8日 參數(shù)計算撰寫說明書11月9日 答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘 要 作為熱動力機械的熱風爐于20世紀70年代末在我國開始廣泛應用，它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動力熱源的換代產(chǎn)品。通過長時間的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)認識到，只有利用熱風作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動力在輸送過程中往往配置多臺循環(huán)風機，使之最終還是間接形成熱

3、風進行烘干或供暖操作。這種過程顯然存在大量浪費能源及造成附屬設備過多、工藝過程復雜等諸多缺點。在本設計系統(tǒng)中采用了串級與比例控制，通過微機控制熱風爐拱頂溫度和煤氣流量，使系統(tǒng)能夠很好的保持拱頂溫度和高爐送風溫度，而且通過廢氣中的含氧量調(diào)節(jié)空燃比的大小從而實現(xiàn)最佳燃料。系統(tǒng)設計中還介紹了主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并按系統(tǒng)要求選擇檢測元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表的技術參數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并進行參數(shù)近似計算。關鍵字 熱風爐 送風溫度 PID控制 Matlab仿真目錄1高爐煉鐵工藝11.1高爐煉鐵工藝流程11.2 熱風爐設備工藝21.3 熱風爐工作原理31.4熱風爐燃燒分析42熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)設計42.1控制變

4、量選擇42.2控制對象數(shù)學模型52.2熱風爐送風溫度控制方案63控制系統(tǒng)元件選擇63.1執(zhí)行器的選擇63.2傳感器的選擇73.3變送器的選擇83.4控制器的選擇84 Matlab仿真設計以及PID參數(shù)整定104.1仿真方案設計104.2 仿真參數(shù)PID整定115 仿真結(jié)果以及分析126 總結(jié)157參考文獻16武漢理工大學儀表與過程控制系統(tǒng)課程設計說明書熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)設計1高爐煉鐵工藝 1.1高爐煉鐵工藝流程圖1-1 高爐煉鐵工藝流程高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。 焦炭和礦石在爐

5、內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。 鼓風機送出的冷空氣 在熱風爐加熱到8001350以后，經(jīng)風口連續(xù)而穩(wěn)定地進入爐缸，熱風使風口前的焦炭燃燒，產(chǎn)生2000以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加 熱鐵礦石和熔劑，使成為液態(tài)；并使鐵礦石完成一系列物理化學變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動量的過程。 下降爐料中的毛細水分當受熱到100200即蒸發(fā)，褐鐵礦和某些脈石中的結(jié)晶水要到500800才分解蒸發(fā)。主要的熔劑石灰石和白云石，以及其他 碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白云

6、石中MgCO3的分解溫度分別為9001000和740900。鐵礦石在高爐中于 400或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再從渣中還原出鐵。 焦炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化, 少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到10001100時就開始軟化；到13501400時完全熔化；超過1400就 滴落。焦炭和礦石在下降過程中，一直保持交替分層的結(jié)構(gòu)。由于高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區(qū)域，區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱塊狀 帶，沒有液體；區(qū)為由軟熔層和焦炭夾層組成的軟熔帶，礦石開始軟化到完全熔化；區(qū)是液態(tài)渣、鐵的滴落帶，帶內(nèi)只有焦炭

7、仍是固體；風口前有一個袋形的 焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強烈地回旋和燃燒，是爐內(nèi)熱量和氣體還原劑的主要產(chǎn)生地。1.2 熱風爐設備工藝高爐熱風爐按工作原理可分為蓄熱式和換熱式兩種。蓄熱式熱風爐，按熱風爐內(nèi)部的蓄熱體分球式熱風爐（簡稱球爐）和采用格子磚的熱風爐，按燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種，提高熱風爐熱風溫度是高爐強化冶煉的關鍵技術。傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風爐及主要組織部分（如圖1-2所示4）包括燃燒室和蓄熱室兩大部分，并由爐基、爐底、爐襯、爐箅子、支柱等構(gòu)成。熱風爐主要尺寸決定于高爐有效容積、冶煉強度要求的風溫。 圖1-2 熱風爐主體結(jié)構(gòu)圖1.3 熱風爐工作原理圖1-3 熱風爐功能結(jié)構(gòu)圖熱

8、風爐主要有三種工作狀態(tài)：即燃燒狀態(tài)、送風狀態(tài)和悶爐工作狀態(tài)。(1) 熱風爐燃燒狀態(tài)熱風爐處于燃燒狀態(tài)時，通過熱風爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風爐送入高爐煤氣和助燃空氣，高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱煙氣使熱風爐蓄熱；熱風爐處于燃燒狀態(tài)時，其廢氣閥、煙道閥、助燃空氣燃燒閥、高爐煤氣燃燒閥、高爐煤氣切斷閥等閥均處于開啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關閉狀態(tài)。(2) 熱風爐送風狀態(tài)熱風爐處于送風狀態(tài)時，向燃燒結(jié)束蓄有一定熱量的熱風爐送入冷風，冷風經(jīng)熱風爐加熱后再送入高爐。熱風爐處于送風狀態(tài)時，其冷風閥、熱風閥、冷風充壓閥等處于開啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關閉狀態(tài)。(3) 熱風爐悶爐狀態(tài)熱風爐處于

9、悶爐狀態(tài)時，為保持溫度，熱風爐所有的閥門均處于關閉狀態(tài)。熱風爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程定義為換爐過程。在熱風爐的操作過程中最基本的工作過程是換爐。換爐時，應保證整個熱風爐系統(tǒng)不間斷的向高爐送風，并應盡量使進入高爐的風量、風壓波動很小，還要注意煤氣安全。1.4熱風爐燃燒分析煤氣和空氣的混合是一種物理過程，需要消耗能量和一定的時間才能完成。而混合后的可燃氣體只有加熱到它的著火溫度時才能進行燃燒反應，點火以后可燃氣體的加熱是靠其本身燃燒的熱量而實現(xiàn)的。而且燃燒化學反應是一種激烈的氧化反應，其燃燒速度主要取決于煤氣和空氣的混合比，因此，空燃比是描述燃料燃燒完全程度的重要指標。煤氣最大流量為0.1

10、1m3/s5，在熱風爐僅燒高爐煤氣時空燃比最佳為0.59。當然實際煤氣成分可能有波動，但應該以0.59為基準進行調(diào)節(jié)6。但不同情況下空燃比不同，如果一直采用固定的空燃比進行燃燒，則無法適應這個變化。2熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)設計2.1控制變量選擇高爐煉鐵對于熱風爐送進高爐的熱風溫度有著嚴格的要求，從鼓風機來的風溫約150-200，經(jīng)過熱風爐加熱提高風溫后可達1300以上。根據(jù)熱風爐送風溫度控制任務書要求，拱頂溫度應穩(wěn)定在1450±8，使得熱風爐送風溫度能達到1300 。因此，本設計選取熱風爐拱頂溫度為被控對象。而在通過改變?nèi)剂蠞舛然蛄髁靠梢杂行Ц淖儫犸L爐內(nèi)溫度，從節(jié)省燃料并且本著安全的

11、原則，本設計選擇燃料（即煤氣和空氣送入流量）為控制量，但為簡化系統(tǒng)，就默認為1來進行調(diào)節(jié)。如圖2-1 即熱風爐送風溫度控制原理圖圖2-1 熱風爐送風溫度控制原理圖2.2控制對象數(shù)學模型熱風爐爐頂溫度的數(shù)學模型可用帶時延的近似一階慣性系統(tǒng)來描述，慣性時間常數(shù)T=150s，滯后時間=10s5，則被控對象傳遞函數(shù)為：Gos=132150s+1e-10s (2-1)而把除被控對象外包括調(diào)節(jié)閥，測量傳送等環(huán)節(jié)在內(nèi)的傳遞函數(shù)近似等效為：Grsts=110s+1 (2-2)2.2熱風爐送風溫度控制方案圖2-2 熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)框圖設計由于控制對象T<0.3，整個控制過程純滯后不大，而時間常數(shù)T較

12、大，被控變量的變化比較緩慢，此時過程比較平穩(wěn)，容易進行控制。因此，采用單閉環(huán)PI控制即可達到不錯的控制效果。如圖2-2即本設計熱風爐送風溫度控制系統(tǒng)方框圖。3控制系統(tǒng)元件選擇3.1執(zhí)行器的選擇由于我們選擇的是燃料送入率作為操作變量，因此，從安全角度和燃料節(jié)約角度，選擇的執(zhí)行器煤氣流量調(diào)節(jié)閥應為氣開型，這樣當控制器發(fā)生故障或控制器信號傳送異常時燃料流量控制為最小，這樣能盡可能減少損失。而相應地，空氣調(diào)節(jié)閥也取為氣開型。如圖即幾種常見調(diào)節(jié)閥流量特性曲線，為了使控制簡單，本設計選用線性流量特性的調(diào)節(jié)閥，即流量特性參數(shù)為Kv，結(jié)合上文所述氣開特性，本設計中Kv>0。圖3-1 氣開調(diào)節(jié)閥流量特性曲

13、線圖3.2傳感器的選擇由工藝可知，熱風溫度一般在0-1400之間。熱電偶是在工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 滿足熱風爐工藝要求的熱電偶型號有B型和S型，B型測溫范圍是0-1700，S型測溫范圍是0-1450，由于所測溫度（爐頂溫度）應

14、長期保持1450，因此選擇B型鉑銠30-鉑銠6熱電偶。具體參數(shù)見圖3-2:圖3-2 標準化熱電偶技術數(shù)據(jù)用鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。采用三線制會大大減小導線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。3.3變送器的選擇熱電偶的輸出信號為mV級電信號，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以要經(jīng)過溫度變送器則可以將熱電偶輸出的mV信號轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號供調(diào)節(jié)器使用。而DDZ-III型溫度變送器有：（1）采用集成電路

15、溫度變送器放大單元采用高增益、低漂移集成運算放大器進行直流放大，較型儀表的調(diào)制放大器線路簡單、元件少、可靠性高。（2）采用了線性化線路熱電偶溫度變送器采用非線性負反饋回路，熱電阻溫度變送器采用線性化電路。使變送器的輸出信號和被測溫度間呈線性關系，提高了精度，有利于指示，記錄。（3）增加了安全措施現(xiàn)場的測溫元件（熱電偶或電阻體）與控制室溫度變送器相連的線路是安全火花線路。不必再經(jīng)任何安全設備可使測量元件工作在危險場所等優(yōu)點。還可以有效的對熱電偶進行有效的冷端補償，所以可以選擇DDZ-III型溫度變送器。3.4控制器的選擇由于執(zhí)行器（煤氣流量調(diào)節(jié)閥）環(huán)節(jié)系數(shù)為Kv>0，因此為保證閉環(huán)PI控制

16、系統(tǒng)的正常工作，控制器環(huán)節(jié)的系數(shù)需滿足Kc=KpKi>0，且比例系數(shù)Kp>0，積分系數(shù)Ki>0，即使控制器為反作用控制器，這樣單閉環(huán)控制系統(tǒng)就能構(gòu)成負反饋，實現(xiàn)控制作用：當溫度低于設定值時，控制器輸出ut 為正，使得煤氣流量調(diào)節(jié)閥開度增大，煤氣流量增大，爐內(nèi)溫度上升；而當溫度高于設定值時，控制器輸出ut 為負，使得煤氣通入流量減少，使爐內(nèi)溫度下降。工業(yè)控制領域常用的控制器有工業(yè)控制計算機、單片機和可編程邏輯控制器（即PLC）等。與其它幾種控制器相比較，PLC是綜合了計算機技術、自動化技術與繼電器邏輯控制概念而開發(fā)的一代新型工業(yè)控制器，是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它可以取代傳統(tǒng)

17、的繼電器完成開關量的控制，比如，將行程開關、按鈕開關、無觸點開關或敏感元器件作為輸入信號，輸出信號可控制電動閥門、開關、電磁閥和步進電機等執(zhí)行機構(gòu)。它采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲，執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時計數(shù)和算術運算等操作的指令，通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化。工業(yè)控制采用PLC，顯示了突出的優(yōu)越性，因它可對用戶提出的生產(chǎn)控制要求和意見，能方便地在現(xiàn)場進行程序修改和調(diào)試，使系統(tǒng)的靈活性大大增強。內(nèi)部的軟繼電器使系統(tǒng)在控制中能嚴格地起到互鎖作用，增加了系統(tǒng)的可靠性，簡化設備，維修方便。而且，隨著PLC的發(fā)展，在硬件、軟件方面都會有更先進的計數(shù)出現(xiàn)。

18、針對系統(tǒng)的特點，分析各控制器的優(yōu)缺點，采用PLC作為本次設計的控制器。具體比較如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下優(yōu)點：(1)對低端應用,PLC具有極大的性能價格比優(yōu)勢.工控機的價格較高,將它用于小型開關量控制系統(tǒng)以取代繼電器控制,無論是在體積和價格上都很難接受,可靠性也遠不如PLC。(2)PLC的可靠性無可比擬,故障停機時間最少.基本W(wǎng)indowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)的IPC控制系統(tǒng),在實時任務處理,長期穩(wěn)定運行,抗病毒和惡意攻擊等方面還存在較大的問題.IPC控制系統(tǒng)在可靠性和安全性等方面還未獲得廣泛的認同。(3)PLC是專為工廠現(xiàn)場應用環(huán)境設計的,結(jié)構(gòu)上采取整體密封或插件組合

19、型,對印制板,電源,機架,插座的制造和安裝,均采取了嚴密的措施。(4)PLC是使用專門為工業(yè)設計的編程語言,這些語言簡單易學.工控機如果用VB,VC等語言來編程,需要花更多時間來學習,編程的效率也沒有PLC高.如果使用Windows操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定性遠遠不如PLC,時間控制精度也較差。(5)與PC機發(fā)展太快相比,PLC產(chǎn)品可以長期供貨,并提供長期的技術支持。(6)PLC有龐大的有經(jīng)驗的設計人員,維護人員和技術支持系統(tǒng)。其次，與單片機相比，具有以下優(yōu)點：1.由專業(yè)大公司精心設計的硬件和軟件系統(tǒng)，功能強大、可靠性好。2.編程簡單易學，即使不熟悉電腦的工程師也能用它開發(fā)復雜的控制系統(tǒng)。3.抗干擾能力

20、強，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場合。4.有豐富的擴展模塊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以做成大型復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，目前在張力、速度、液位特別是溫度等過程控制中，經(jīng)常使用溫控器等專用控制器或用戶自制設備。近年來，隨著技術的發(fā)展，PLC的處理速度越來越快，功能也越來越豐富。因此，采用PLC進行PID控制可以逐漸取代一些傳統(tǒng)的控制手段。就以溫度為例，可以比較出采用PLC的優(yōu)點。通常所使用的溫度控制器適用于單純的單回路溫度控制，而PLC可以實現(xiàn)多回路的整體控制，相比主要有以下的特點：在多點加熱時，可以錯開加熱導通時序，避免同時導通引起的大電流;在控制過程中可以自由簡便地修改設定值及其它參數(shù)；可以定時自動執(zhí)行所需

21、的控制曲線；可以使用相位控制，降低沖擊電流、峰值電流，減少加熱器頻繁冷熱變化引起的熱壓力；可以同時控制系統(tǒng)或機械中的其它動作；可以實現(xiàn)多種報警功能等等。最初的PLC主要是用于取代繼電器進行順序控制，其后又逐步擴充了數(shù)值運算、模擬量、電機控制、網(wǎng)絡通信。從發(fā)展趨勢看，PID控制特別是溫度控制將是今后PLC應有的功能。4 Matlab仿真設計以及PID參數(shù)整定4.1仿真方案設計本設計運用Matlab軟件中Simulink庫對所設計控制系統(tǒng)進行仿真以及性能分析。階躍輸入為煤氣（空氣）流量最大為11m3/s5，因此k=145011=132。控制器選用PI控制，并且在600s時刻模擬為系統(tǒng)引入一幅值20

22、0的階躍干擾以測試系統(tǒng)的魯棒性。得到仿真圖如圖4-1:圖4-1熱風爐拱頂溫度Simulink仿真圖4.2 仿真參數(shù)PID整定 在Matlab軟件2012a版本以及之后發(fā)行的Matlab版本軟件Simulink庫中，都新增入了PID輔助整定功能“Tune”（功能界面見圖4-2），借助“Tune”背后強大的最優(yōu)算法輔助，現(xiàn)在整定PID參數(shù)不再像之前那樣費時費力。 圖4-2 新版本Matlab新增PID調(diào)諧功能“Tune”如圖4-2，該功能可以直觀地進行PID參數(shù)整定，左邊窗口正上方可以直接對響應時間和瞬態(tài)性能進行調(diào)試，還可以點按Reset Design得到系統(tǒng)認為的一個各參數(shù)相對平衡的最優(yōu)響應曲線

23、。而所需的PID值隨著曲線的調(diào)整，同步更新并顯示在右下角，并且可同步上載到仿真系統(tǒng)中。而右邊小窗口則同步顯示當前左窗曲線的峰值，超調(diào)，衰減（或增益）的等參數(shù)，功能十分強大，大大縮減了控制領域的系統(tǒng)研發(fā)周期。 5 仿真結(jié)果以及分析在本設計中，先使用Matlab中“Tune”得到系統(tǒng)最優(yōu)曲線（如圖5-1）圖5-1 熱風爐溫度控制Matlab系統(tǒng)最優(yōu)曲線調(diào)諧如右邊小窗口所示，該曲線超調(diào)10.8%，上升時間106s，調(diào)節(jié)時間443s，而上載到仿真系統(tǒng)中運行結(jié)果如圖5-2：S圖5-2 熱風爐溫度控制Matlab系統(tǒng)最優(yōu)曲線但從圖5-2可以很清晰看出峰值超出1600，而由于傳感器的選擇緣故，這個超調(diào)顯然對于本設計來說顯然動態(tài)性能還不是很理想，因此，在此基礎上運用試湊法得到本設計所允許的相對最優(yōu)的整定曲線如圖5-3：圖5-3 熱風爐溫度控制整定曲線而這條響應曲線如右邊小窗口所示，該曲線超調(diào)5.03%，上升時間70.7s，調(diào)節(jié)時間309s，因此得到對應PID參數(shù)為：