加热炉控制系统要点.pdf

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1、目 录 第 1 章 加热炉控制系统工艺分析. 1 1.1 加热炉的工艺流程简述 1 1.2 加热炉控制系统的组成 2 第 2 章 加热炉控制系统设计 . 3 2.1 步进梁控制 3 2.2 炉温控制 4 2.3 紧急停炉保护和连锁 5 第 3 章 基于 REALINFO 的加热炉系统监控程序设计. . 7 3.1 加热炉的主控界面 7 3.2 加热炉的趋势界面 8 3.3 加热炉的仪表界面 9 第 4 章 结论与体会 10 参考文献 . 11 控制系统综合实验 1 第 1 章 加热炉控制系统工艺分析 在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、 立式和 圆筒炉三大类。 对于加热

2、炉， 工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低 会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。 加热炉是传统设备的一种， 同样具有热量传递过程。 热量通过金属管壁传给 工艺介质，因此他们同样符合导热与对流的基本规律。但加热炉属于火力加热设 备，首先由燃料的燃烧产生炙热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量 传给管壁，然后由管壁传给工艺介质， 工艺介质在辐射室获得的热量约占总符合 的 70% 80% ，而在对流段获得的热量约占热负荷的20% 30% 。因此加热炉的传 热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。 当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。 加热炉的

3、平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此， 加热炉出口温度必须严加控制。 加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发， 可 以看出其传热过程为： 炉膛炽热火焰辐射给炉管， 经热传导、 对流传热给工艺介 质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。 特别是炉膛， 它具有较大的热容量， 故滞后更为显著， 因此加热炉属于一种 多容量的被控对象。 根据若干实验测试， 并做了一些简化， 可以用一介环节加纯 滞后来近似，其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有 关。 炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。 1.1 加热炉的工艺流程简述 随

4、着工业自动化水平的迅速提高，工业控制自动化技术正在向智能化、网络 化和集成化方向发展，从而反映出当今自动化技术的发展方向。 现加热炉控制系统主要特点： （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。 本系统的工艺流程图如下图： 控制系统综合实验 2 图 1-1 加热炉工艺流程框图 1.2 加热炉控制系统的组成 加热炉的控制系统主要包括加热炉的启停、安全连锁保护

5、、 负荷调节（所有 这些都将涉及到燃料系统和助燃风系统等）和报警管理、与DCS 间的通讯等。 加热炉被加热的介质是热媒， 因此热媒自然成为热媒循环系统和加热炉系统 间的纽带。热媒循环系统的工作必然会送至加热炉控制系统进行监视，但热媒循 环系统的工作又有相对的独立性。 加热炉系统一般由以下几个部分组成：炉体、燃烧器、燃料供给、助燃风以 及 CO2灭火等组成。 炉体是实现热媒加热的主要部件。它包括：炉盘管、炉壳、烟道和热媒进出 汇管及管线以及相应的仪表等。 燃烧器是加热炉进行燃烧加热的关键设备，其各 部件在 PLC的控制下有机的结合在一起， 相互协调工作， 完成燃烧加热工作。 与 燃烧器配合工作是

6、燃料供给系统。 燃料供给系统又分为燃气供给和燃油供给两个 部分。当加热炉正常运行中出现热媒出口温度异常高时，系统会认为加热系统存 在异常故障（如炉盘管破裂等） ，此时为防止事故扩大会立即采取紧急停炉，同 时 CO2灭火控制系统启动，进行应急灭火。 吊车上料至上料台架 钢管滚到可调挡料器前 人工解捆与辅助推平 进淬火炉加热 拨入进炉辊道 进炉辊道输送 输送入炉 淬水 出炉辊道输送 出炉辊道输送 进回火炉加热 其他设备 控制系统综合实验 3 第 2 章 加热炉控制系统设计 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

7、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 2-1 步进梁动作轨迹图 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2-2。 图 2-2 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： 后退 上升 前进 下降固定梁面 控制系统综合实验 4 图 2-3 步进梁踏步轨迹图 2.2 炉温控制 炉子温区划分 淬火

8、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

9、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 420mA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

10、 输出 420mA信号控制系统的空气 后退 上升 前进 下降固定梁面 控制系统综合实验 5 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。 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，

11、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2-4。 图 2-4 脉冲燃烧控制原理图 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 控制系统综合实验 6 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

12、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。 应用紫金桥软件，可设计“粮仓控制系统”，对温度和湿度进行监控，这样 可以保证粮食的运输质量与运输效率，从而加强对粮食运输的管理。 建立应用工程的一般过程通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几 个步骤： 第一步：创建新工程。 第二步：定义硬件设备并添加工程变量。 第三步：制作图形画面并定义动画连接。 第四步：编写命令语言。 第五步：进行运行系统的配置。 第六步：保存工程并运行： 完成以上步骤后， 一个可以拿到现场运行

13、的工程 就制作完成了。 控制系统综合实验 7 第 3 章 基于 Realinfo加热炉的系统监控程序设计 紫金桥监控组态软件是由紫金桥软件公司自主研发的软件产品，它广泛应用 于石化、钢铁、水利、煤炭、制药、交通、机械、烟草等多个行业，其功能强大、 可靠稳定、构架先进的优点得到了广大用户的认可和赞誉。 从功能上分，紫金桥 ?监控组态软件可以分成组态和运行两个部分，从结构 层次上分，可分为IO 驱动、数据库、人机界面三个层次。 组态环境主要完成工程的创建与管理、工程中各种功能的配置、 工程画面的 绘制以及动画连接等工作。组态环境包括工程管理器和开发系统两个部分。 3.1 加热炉的主控界面 Real

14、info 紫金桥监控组态软件开发系统是一个集成开发环境，应用紫金桥 ? 监控组态软件开发系统能实现界面组态、驱动组态、画面配置、数据库配置、安 全管理、生成报表等操作。打开工程管理器，在工程列表中选择一个工程后，在 上方工具栏中点击按钮可以进入组态画面，即开发系统。 紫金桥 ? 监控组态软件开发系统如下图所示： 图 3-1 开发系统 1. 建立新窗口，如图所示： 控制系统综合实验 8 图3-2新建加热炉窗口 加热炉主控界面如下图： 图 3-3 窗口设置图 控制系统综合实验 9 图 3-4 加热炉主控界面 3.2 加热炉的趋势界面 从工具箱中调用历史趋势， 对于这种历史趋势， 用户需要对曲线的各

15、个操作 按钮进行定义，即建立命令语言连接才能操作历史曲线。 在此监控系统中将实时趋势和历史趋势放在一个画面中。 点击“ 工具” 选择“组件对象”添加 “ 历史趋势 ” ，单击右键，选择控件属性， 则可以对 “ 历史趋势曲线 ” 进行设置。 3.3 加热炉的仪表界面 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

16、缓。因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案，如图3-5。 控制系统综合实验 10 图 3-5 界面设置图 控制系统综合实验 11 第 4 章 结论与体会 通过这次的课程设计我对加热炉控制系统的原理和流程有了很多的了解，学 到了很多的知识。 我充分认识到了把理论应用到实际的重要性。动手能力有了很 大的提高。在此过程中虽然碰到了很多难点，但只要用心去做，肯学，肯问，再 难的问题都是可以解决的。 刚开始使用紫金桥软件时，我可以说一无所知，在老师的悉心指导下，随 着不断的联系总结我深知做学问的艰辛，使得我对本专业的认识又加深了一步， 通过这段时间的课程设计，培养了我实际分析能力和动手操作的能力

17、，使得我 掌握了组态王的基本操作，提高了我适应实际、动手的能力。 做完这个课程设计我感觉学好紫金桥软件并不是那么容易的事，虽然它只 是一个软件， 但是它融汇了好多领域的知识，如：C 语言、自动化控制、 通信等。 这次课程设计让我受益匪浅， 人生在历练中成长， 经历一次胜过千万次的彷 徨。在这短暂的实习过程中，我收获了许多，知识是需要经过实践检验的。这次 的实验同时也让我看到了自己的不足之处。自进入学校，从小学到高中再到大学， 我们学了很多知识， 但在实际运用中就会发现自己所学知识还远远不足以用来解 决问题。因此我会在以后的学习中，严格要求自己，不断进步，不断完善，真正 做到把所学的知识应用到实

18、际生活中。谢谢老师的指导，我会更加努力。 控制系统综合实验 12 参考文献 1 童启明 . 控制系统数字仿真与监控组态软件应用M. 上海： 科学出版社 ,2006. 2 路勇. 高文焕 . 电子电路实验及仿真 M. 北京: 清华大学出版社 ,2004. 3 张文明 , 刘志军 . 组态软件控制技术 M. 北京：北方交通大学出版社,2006. 4 史国生等 . 电气控制与可编程控制器技术M. 北京: 化学工业出版社 ,2005. 5 张晞，王德银，张晨 .MSP430系列单片机使用C语言程序设计 M. 北京，人 民邮电出版社， 2005. 6 王建辉、顾树生 . 自动控制原理 M. 北京：清华大学出版社， 2005. 7 紫金桥软件技术有限公司. 紫金桥监控组态软件6.5 用户手册 .2011.