過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、目錄一、設(shè)計目的2二、設(shè)計要求3三、實現(xiàn)過程31、系統(tǒng)概述31.1 加熱爐31.2 加熱爐工藝過程41.3 控制參數(shù)的選擇及控制燃燒方案的確定51.4 加熱爐的工藝結(jié)構(gòu)及其設(shè)備組成61.5 生產(chǎn)線的特點62、設(shè)計與分析7加熱爐生產(chǎn)工藝和控制要求7燃燒控制系統(tǒng)及仿真7四.總結(jié)11五、附錄12六、參考文獻12一、設(shè)計目的經(jīng)過一個學(xué)期的過程控制系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，對過程控制有了一個基本的了解。然而僅僅在理論方面是遠遠不夠的，需要將所學(xué)的應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中，只有這樣才能真正的對過程控制有一個比較深入的認識，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下一個良好的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我們可以了解具體生產(chǎn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計的

2、基本步驟和方法。同時也對氧化鋁的生產(chǎn)工藝有一個大概的認識，只有弄清楚生產(chǎn)工藝對控制的具體要求，才能去設(shè)計一個過程控制系統(tǒng)。同時：1、提高對所學(xué)自動化儀表和過程控制的原理、結(jié)構(gòu)、特性的認識和理解，加深對所學(xué)知識的鞏固和融會貫通。2、針對一個小型課題的設(shè)計開發(fā)，培養(yǎng)查閱參考書籍資料的自學(xué)能力，通過獨立思考，學(xué)會分析問題的方法。3、綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，相互合作的團隊精神，提高其綜合素質(zhì)，獲得初級工程應(yīng)用經(jīng)驗，為將來從事專業(yè)工作建立基礎(chǔ)二、設(shè)計要求燃燒量對蒸汽母線壓力:、1G二s100s11、查閱資料，深入掌握鋼鐵工業(yè)過程的工作原理及控制要求

3、，繪制出鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程工藝流程圖2、設(shè)計控制方案。(1)根據(jù)燃燒對象特性及控制要求，完成燃燒量的選擇、執(zhí)行器、變送器的選擇、控制儀表選擇等方案設(shè)計。(2)繪制完整的系統(tǒng)工藝流程圖，按工程要求標(biāo)注所有儀表和變量。3、采用MATLAB/Matlab工具，完成系統(tǒng)仿真，驗證以下內(nèi)容：(1)系統(tǒng)跟蹤能力、抗干擾能力的仿真。(2)控制器參數(shù)整定過程。三、實現(xiàn)過程1、系統(tǒng)概述加熱爐熱連軋是鋼鐵工業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)。煉鋼連鑄的鋼坯在鋼坯庫冷卻后，必須經(jīng)過加熱爐按照特定的工藝曲線加熱后才能送往熱軋線進行軋制，它在煉鋼生產(chǎn)和連續(xù)性軋鋼生產(chǎn)之間起緩沖、平衡作用。加熱爐是熱連軋廠中鋼坯加熱用的設(shè)備，它將冷鋼坯加熱到

4、軋制要求的目標(biāo)溫度，并使其溫度均勻。加熱爐的控制系統(tǒng)直接影響到鋼坯的產(chǎn)量、質(zhì)量和成本。為了充分發(fā)揮連軋機的生產(chǎn)能力，要求加熱爐提高爐床負荷，因此有必要增強對加熱爐的控制。加熱爐屬室狀爐類型，即爐溫是隨時間而變的。加熱爐要根據(jù)鋼坯的材質(zhì)、尺寸規(guī)格、裝爐溫度、出爐溫度等，確定爐子的加熱制度，即確定加熱升溫曲線，包括各階段的加熱溫度、加熱時間、加熱速度、保溫時間。加熱爐在保證安全運行及完成加熱鋼坯任務(wù)的同時，還要考慮高效及經(jīng)濟地燃燒。因此當(dāng)加熱爐控制系統(tǒng)的負荷及煤氣的質(zhì)量等因素發(fā)生波動時，應(yīng)當(dāng)考慮4采用何種合理有效的控制手段，能使加熱爐內(nèi)的爐膛溫度、爐膛壓力、排煙溫度等參數(shù)穩(wěn)定在控制范圍之內(nèi)，并且能

5、夠使加熱爐工作在最佳燃燒區(qū)內(nèi)。加熱爐的結(jié)構(gòu)圖如下所示：加熱爐工藝過程由連鑄出坯輾道送來的板坯在裝料輾道上自動測量板坯長度，合格板坯經(jīng)電子稱量裝置稱量后準(zhǔn)備人爐。爐子為雙排料，裝料端設(shè)置兩臺裝料推鋼機，板坯由裝料輾道運至裝料機口定位后，裝料推鋼機將板坯從裝料輾道上推到爐子固定梁上，當(dāng)需要入爐時計算機的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，爐門升起，爐內(nèi)步進梁冉將其托起、前進、下降、后退,完成一個步進行程，而板坯向前移運了一個步距。如此周而復(fù)始，板坯自裝料端按順序經(jīng)過爐子預(yù)熱段、加熱段、均熱段，一步步地移送到爐子的出料端。在出料端，激光檢測器檢測到板坯邊緣并在步進梁完成一個水平行程運動后，算出板坯位置，當(dāng)爐子接到要鋼

6、信號后再自動開啟出料爐門，用出鋼機將加熱好的板坯取出后，直接放在出料輾道上，出料輾道為單傳輾道。當(dāng)步進梁需要分段操作時，在兩段步進梁的分段區(qū)域內(nèi)設(shè)置一組激光檢測器，經(jīng)檢測確認分段區(qū)域沒有鋼坯時，才能進行步進梁按工藝要求的分段操作。加熱爐的工藝過程圖如下所示:控制參數(shù)的選擇及控制燃燒方案的確定1）控制參數(shù)的選擇燃燒過程的控制有以下三個基本要求：a）保證爐膛內(nèi)溫度穩(wěn)定，能按要求自動增減燃料量；b）燃燒良好，供氣適宜，既要防止由于空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過量而增加熱量損失；c）保證鍋爐安全運行。保證爐膛一定的負壓，以免負壓太小，甚至為正，造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒，影響設(shè)備和工作人員的安全；如

7、果負壓過大，會使大量冷空氣漏進爐內(nèi)，從而使熱量損失增加7o因此，在本設(shè)計中要做兩個控制系統(tǒng)。一個是溫度控制系統(tǒng)；一個是爐膛負壓控制系統(tǒng)。則控制參數(shù)分別為爐膛內(nèi)溫度和爐膛負壓。爐膛內(nèi)溫度范圍是11001200C,爐膛負壓范圍是0-30Pa3。2）控制燃燒方案燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括熱負荷、送風(fēng)、引風(fēng)三個調(diào)節(jié)回路。其中，燃料量和送風(fēng)量的比例是影響燃燒經(jīng)濟性的主要因素。為了防止不完全燃燒，保證動態(tài)過程中風(fēng)量始終有一定裕量，就需要采用單交叉控制（或稱選擇性控制），以實現(xiàn)加負荷時先加風(fēng)后加燃料，減負荷時先減燃料后減風(fēng)。單交叉控制只有風(fēng)對燃料的限制，沒有燃料對風(fēng)的限制，即可以保證風(fēng)量始終有一定富裕量，但不能排

8、除風(fēng)量過大可能造成的熱損失。為此可采用雙交叉控制，即在風(fēng)量調(diào)節(jié)回路中再增加一個低值選擇器，燃料回路中再增加一個高值選擇器及必要的運算組件，以實現(xiàn)加負荷時先加風(fēng)后加燃料，減負荷時先減燃料后減風(fēng)，保證一定的空氣裕量，同時又防止風(fēng)量過大。加熱爐的工藝結(jié)構(gòu)及其設(shè)備組成加熱爐共分為3個供熱段：預(yù)熱段、加熱段、均熱段，對應(yīng)于10個燃燒控制區(qū)。爐體四壁由不同材質(zhì)的耐火保溫材料砌筑而成。設(shè)備組成如下：a）板坯輸送輾道設(shè)備b）裝料爐門升降機構(gòu)c）裝鋼機d）爐底步進機械e）步進爐液壓系統(tǒng)f）出鋼機g）出料爐門的升降機構(gòu)h）干油集中潤滑系統(tǒng)生產(chǎn)線的特點a）生產(chǎn)能耗大幅度降低，從煉鋼連鑄后開始全連續(xù)的直接生產(chǎn)。b）產(chǎn)

9、量大幅度提高，現(xiàn)在都在100萬噸/年以上。c）生產(chǎn)自動化水平非常高，原加熱爐的控制系統(tǒng)大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)也大多是模擬量控制式供電裝置，現(xiàn)在的加熱爐的控制系統(tǒng)都是PLC或DCSB,而且大多還具有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置2、設(shè)計與分析加熱爐生產(chǎn)工藝和控制要求軋鋼坯根據(jù)計劃被排列在加熱爐內(nèi)的滑軌上，用燃料和空氣混合燃燒產(chǎn)生的熱量進行加熱，鋼坯被加熱到合適的溫度后送給軋機進行軋制。燃料的燃燒需要適當(dāng)配比的空氣，空氣量不足會造成燃料燃燒不充分從而浪費能源并污染大氣；而空氣過量時多余的空氣會帶走爐內(nèi)熱量，同時過量的空氣會造成鋼

10、坯的氧化燒損，高效燃燒控制的重點就是空燃比的控制?？紤]燃料和空氣混合的實際情況，通?？諝饬恳嘤谌紵璧睦碚撝?，而空氣過剩系數(shù)一般控制在1.021.1之間。為了充分利用燃燒產(chǎn)生的熱量，保證鋼坯按適當(dāng)?shù)乃俣壬郎?，加熱爐沿入料端至出料端分成預(yù)熱、加熱、均熱三個溫度段。預(yù)熱段為緩慢加熱區(qū)，爐膛溫度稍低；加熱段為快速加熱區(qū)，溫度在爐內(nèi)最高均熱段主要是消除鋼坯表面和芯部的溫度差，使整個鋼坯的溫度適合于軋制要求。對于不同規(guī)格種類的鋼坯三段溫度的控制要求不同。鋼坯在爐內(nèi)隨著溫度場的變化逐漸被加熱到軋制溫度。爐膛溫度在正常生產(chǎn)情況下與投入到爐內(nèi)的燃料量是相對應(yīng)的，在滿足軋機生產(chǎn)要求的前提下適當(dāng)降低加熱強度，

11、可以降低燃料的消耗量。燃燒控制系統(tǒng)及仿真對于燃燒控制系統(tǒng)，空氣過剩系數(shù)u是一個重要參數(shù)。因為燃燒控制系統(tǒng)一個最重要的參數(shù)就是空燃比k,而卜=6xu,其中B為量程修正系數(shù)。u與節(jié)能有著直接的聯(lián)系。如下圖所示圖2.2.1空氣過剩系數(shù)與節(jié)能的關(guān)系從圖中可以看出，最佳燃燒范圍是空氣過剩系數(shù)在1.021.1之間。當(dāng)空氣過剩系數(shù)從1.02逐漸減小時，由于空氣不足，燃料燃燒不完全，這樣不但要冒黑煙污染環(huán)境，還要燃燒率降低浪費能量；當(dāng)空氣過剩系數(shù)從1.1逐漸增大時,由于空氣過多，使多余的空氣帶著熱量排到空氣中，這也使熱效率減小。仿真模型的建立在設(shè)計中用Matlab調(diào)試仿真，使控制效果達到最佳，進最終改進加熱爐

12、燃燒控制的性能。由于加熱爐溫度控制有大滯后、大慣性的特點，而其也可以看成單容對象，因此溫度的傳遞函數(shù)可以設(shè)定為：G(S)KeysTS1(2-1)燃料流量和空氣流量反應(yīng)較快，又是單容對象，因此它們都可以看成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：燃料流量對象傳遞函數(shù)：G(S)二TS1(2-2)空氣流量對象傳遞函數(shù):G(S)二TS1(2-3)由于溫度對象的傳遞函數(shù)具有滯后和非線性，則溫度PID中要有比例、積分和微分環(huán)節(jié)。微分的作用是克服溫度的滯后，積分的目的是消除靜態(tài)誤差和穩(wěn)定溫度控制對象。因此溫度PID的傳遞函數(shù)為：G二KpKdSTs1(2-4)流量是個脈動信號，因此不能在控制器中加入微分作用，否則系統(tǒng)對

13、輸入太敏感，容易引起系統(tǒng)嚴(yán)重不穩(wěn)定。同時為了控制器可以快速對偏差做出反應(yīng)，燃料流量和空氣流量PID設(shè)定為純比例，即G(S)=Kpo(2-5)根據(jù)執(zhí)行器的原理可知，如果系統(tǒng)接受一階階躍信號，執(zhí)行器得由一個開度變化到另一個開度，因此這有一個過程，則中間就有一個過渡，但時間較短。因此執(zhí)行器的傳遞函數(shù)可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)：G(S)=KTS1(2-6)由于檢測和變送器的輸入信號和輸出信號可以看成已線性化，因此其傳遞函數(shù)可以看成純比例，即G(S)=Kp(2-7)以下是本次課程設(shè)計具體數(shù)據(jù):MATLA助真模型如下：使用臨界比例度法調(diào)節(jié)得到特性曲線基本等幅狀況說明KP參數(shù)基本穩(wěn)定，可得到臨界比例度=360丸

14、用'&目a黃a便國里日母通過表1可以計算出PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：Kp=500Ki=5.5,仿真輸出波形圖如下圖所示階躍信號源r:value=360steptime=0干擾源g1階躍信號為:value=100steptime=10finaltime=18干擾源g2階躍信號為:value=100steptime=20finaltime=38無干擾波形有干擾波形根據(jù)仿真可知，有以上波形結(jié)果得知，滿足設(shè)計工藝要求四.總結(jié)空燃比的最佳匹配，是加熱爐燃燒控制的重要內(nèi)容。根據(jù)加熱爐的工藝特點和燃燒機理，結(jié)合國內(nèi)已有的工程實例，提出了空燃比的自動控制系統(tǒng)，采用此空燃比自尋優(yōu)控制方案和爐溫、燃料和空

15、氣流量交變用級比值燃燒控制方案相結(jié)合。實現(xiàn)對各段溫度加以控制，以達到生產(chǎn)的要求。在實際控制中配備適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，就可以在對空燃比進行有效控制的基礎(chǔ)上，進一步對流量、溫度、壓力、液位等被控對象進行有效的模糊控制，這樣可節(jié)約能源，有利于環(huán)保，其使用范圍和應(yīng)用前景是十分廣闊的。這次過程控制課程設(shè)計中，我們通過自行搜集資料、詢問老師同學(xué)及MATLAB仿真調(diào)試逐漸完成了對鋼鐵工業(yè)中加熱爐的燃燒控制的系統(tǒng)設(shè)計。雖然這次題目比較開放，但是難度著實不小，對燃燒爐和各類元件的學(xué)習(xí)在之前的所掌握的知識中并沒有設(shè)計，我們查閱了大量資料、書籍等才有了基本的了解認識，而在軟件仿真中，我們運用到之前所學(xué)的Simulink來完成這次的設(shè)計，選擇了最適合的燃燒控制系統(tǒng)。感謝這一周以來幫助我們的沈老師和諸位同學(xué)們，幫助我們奠定了學(xué)科知識上的基礎(chǔ)，拓寬了過程控制領(lǐng)域的視野，我們才再這么短的時間內(nèi)完成這次課程設(shè)計！再次表示衷心感謝！五、附錄測溫元件：本控制系統(tǒng)的測溫元件采用Pt100熱電阻溫度變送器：型號：DBW-4230環(huán)境溫度：050C,環(huán)境濕度:90%RH供電電源:220AC、220VACff關(guān)電源）調(diào)節(jié)器：DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器執(zhí)行器：氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)并配上電/氣閥門定位器電/氣閥門定位器：ZPD-01安全柵：型號：DFA-310Q防爆等級：iaIICT6,最大允許電壓VM（防爆額定值）AC/DC22