過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、13目錄一、設(shè)計(jì)目的3二、設(shè)計(jì)要求3三、實(shí)現(xiàn)過(guò)程41、系統(tǒng)概述41.1 加熱爐41.2 加熱爐工藝過(guò)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(xiàn)的特點(diǎn)72、 設(shè)計(jì)與分析72.1 加熱爐生產(chǎn)工藝和控制要求72.2 燃燒控制系統(tǒng)及仿真7四總結(jié)12五、附錄13六、參考文獻(xiàn)13一、設(shè)計(jì)目的經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的過(guò)程控制系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)過(guò)程控制有了一個(gè)基本的了解。然而僅僅在理論方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要將所學(xué)的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，只有這樣才能真正的對(duì)過(guò)程控制有一個(gè)比較深入的認(rèn)識(shí)，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們可以了解

2、具體生產(chǎn)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟和方法。同時(shí)也對(duì)氧化鋁的生產(chǎn)工藝有一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，只有弄清楚生產(chǎn)工藝對(duì)控制的具體要求，才能去設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)。同時(shí)：1、提高對(duì)所學(xué)自動(dòng)化儀表和過(guò)程控制的原理、結(jié)構(gòu)、特性的認(rèn)識(shí)和理解，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和融會(huì)貫通。2、針對(duì)一個(gè)小型課題的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)查閱參考書(shū)籍資料的自學(xué)能力，通過(guò)獨(dú)立思考，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題的方法。3、綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)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(tuán)隊(duì)精神，提高其綜合素質(zhì)，獲得初級(jí)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為將來(lái)從事專(zhuān)業(yè)工作建立基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)要求 燃燒量對(duì)蒸汽母線(xiàn)壓力：1、 查閱資料，深入掌握鋼鐵工業(yè)過(guò)程的工

3、作原理及控制要求，繪制出鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工藝流程圖。2、 設(shè)計(jì)控制方案。(1) 根據(jù)燃燒對(duì)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(jì)。(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(yàn)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(guò)程。三、實(shí)現(xiàn)過(guò)程1、系統(tǒng)概述1.1 加熱爐熱連軋是鋼鐵工業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。煉鋼連鑄的鋼坯在鋼坯庫(kù)冷卻后，必須經(jīng)過(guò)加熱爐按照特定的工藝曲線(xiàn)加熱后才能送往熱軋線(xiàn)進(jìn)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(chǎng)

4、中鋼坯加熱用的設(shè)備，它將冷鋼坯加熱到軋制要求的目標(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(jī)的生產(chǎn)能力，要求加熱爐提高爐床負(fù)荷，因此有必要增強(qiáng)對(duì)加熱爐的控制。加熱爐屬室狀爐類(lèi)型，即爐溫是隨時(shí)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(xiàn)，包括各階段的加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速度、保溫時(shí)間。加熱爐在保證安全運(yùn)行及完成加熱鋼坯任務(wù)的同時(shí)，還要考慮高效及經(jīng)濟(jì)地燃燒。因此當(dāng)加熱爐控制系統(tǒng)的負(fù)荷及煤氣的質(zhì)量等因素發(fā)生波動(dòng)時(shí)，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

5、煙溫度等參數(shù)穩(wěn)定在控制范圍之內(nèi)，并且能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：1.2 加熱爐工藝過(guò)程由連鑄出坯輥道送來(lái)的板坯在裝料輥道上自動(dòng)測(cè)量板坯長(zhǎng)度，合格板坯經(jīng)電子稱(chēng)量裝置稱(chēng)量后準(zhǔn)備人爐。爐子為雙排料，裝料端設(shè)置兩臺(tái)裝料推鋼機(jī)，板坯由裝料輥道運(yùn)至裝料機(jī)口定位后，裝料推鋼機(jī)將板坯從裝料輥道上推到爐子固定梁上，當(dāng)需要入爐時(shí)計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，爐門(mén)升起，爐內(nèi)步進(jìn)梁再將其托起、前進(jìn)、下降、后退，完成一個(gè)步進(jìn)行程，而板坯向前移運(yùn)了一個(gè)步距。如此周而復(fù)始，板坯自裝料端按順序經(jīng)過(guò)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(cè)器檢測(cè)到板坯邊緣并在步進(jìn)梁完成一

6、個(gè)水平行程運(yùn)動(dòng)后，算出板坯位置，當(dāng)爐子接到要鋼信號(hào)后再自動(dòng)開(kāi)啟出料爐門(mén)，用出鋼機(jī)將加熱好的板坯取出后，直接放在出料輥道上，出料輥道為單傳輥道。當(dāng)步進(jìn)梁需要分段操作時(shí)，在兩段步進(jìn)梁的分段區(qū)域內(nèi)設(shè)置一組激光檢測(cè)器，經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)分段區(qū)域沒(méi)有鋼坯時(shí)，才能進(jìn)行步進(jìn)梁按工藝要求的分段操作。加熱爐的工藝過(guò)程圖如下所示：1.3 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(guò)程的控制有以下三個(gè)基本要求：a）保證爐膛內(nèi)溫度穩(wěn)定，能按要求自動(dòng)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(guò)量而增加熱量損失；c） 保證鍋爐安全運(yùn)行。保證爐膛一定的負(fù)壓，以免負(fù)壓太小，甚至

7、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；如果負(fù)壓過(guò)大，會(huì)使大量冷空氣漏進(jìn)爐內(nèi)，從而使熱量損失增加7。因此，在本設(shè)計(jì)中要做兩個(gè)控制系統(tǒng)。一個(gè)是溫度控制系統(tǒng)；一個(gè)是爐膛負(fù)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(fù)壓。爐膛內(nèi)溫度范圍是11001200，爐膛負(fù)壓范圍是0-30Pa3。2）控制燃燒方案燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括熱負(fù)荷、送風(fēng)、引風(fēng)三個(gè)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(jì)性的主要因素。為了防止不完全燃燒，保證動(dòng)態(tài)過(guò)程中風(fēng)量始終有一定裕量，就需要采用單交叉控制（或稱(chēng)選擇性控制），以實(shí)現(xiàn)加負(fù)荷時(shí)先加風(fēng)后加燃料，減負(fù)荷時(shí)先減燃料后減風(fēng)。單交叉控制只有風(fēng)對(duì)燃料的限制，沒(méi)有

8、燃料對(duì)風(fēng)的限制，即可以保證風(fēng)量始終有一定富裕量，但不能排除風(fēng)量過(guò)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(gè)低值選擇器，燃料回路中再增加一個(gè)高值選擇器及必要的運(yùn)算組件，以實(shí)現(xiàn)加負(fù)荷時(shí)先加風(fēng)后加燃料，減負(fù)荷時(shí)先減燃料后減風(fēng)，保證一定的空氣裕量，同時(shí)又防止風(fēng)量過(guò)大。1.4 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(gè)供熱段：預(yù)熱段、加熱段、均熱段，對(duì)應(yīng)于10個(gè)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）板坯輸送輥道設(shè)備b）裝料爐門(mén)升降機(jī)構(gòu)c）裝鋼機(jī)d）爐底步進(jìn)機(jī)械e）步進(jìn)爐液壓系統(tǒng)f）出鋼機(jī)g）出料爐門(mén)的升降機(jī)構(gòu)h）干油集中潤(rùn)滑系統(tǒng)1.5 生產(chǎn)

9、線(xiàn)的特點(diǎn)a）生產(chǎn)能耗大幅度降低，從煉鋼連鑄后開(kāi)始全連續(xù)的直接生產(chǎn)。b）產(chǎn)量大幅度提高，現(xiàn)在都在100萬(wàn)噸/年以上。c）生產(chǎn)自動(dòng)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(dòng)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DCS統(tǒng)，而且大多還具有二級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)和三級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置2、 設(shè)計(jì)與分析2.1 加熱爐生產(chǎn)工藝和控制要求軋鋼坯根據(jù)計(jì)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(jìn)行加熱，鋼坯被加熱到合適的溫度后送給軋機(jī)進(jìn)行軋制。燃料的燃燒需要適當(dāng)配比的空氣，空氣量不足會(huì)造成燃料燃

10、燒不充分從而浪費(fèi)能源并污染大氣；而空氣過(guò)量時(shí)多余的空氣會(huì)帶走爐內(nèi)熱量，同時(shí)過(guò)量的空氣會(huì)造成鋼坯的氧化燒損，高效燃燒控制的重點(diǎn)就是空燃比的控制?？紤]燃料和空氣混合的實(shí)際情況，通常空氣量要多于燃燒所需的理論值，而空氣過(guò)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(gè)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(gè)鋼坯的溫度適合于軋制要求。對(duì)于不同規(guī)格種類(lèi)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(chǎng)的變化逐漸被加熱到軋制溫度。爐膛溫度

11、在正常生產(chǎn)情況下與投入到爐內(nèi)的燃料量是相對(duì)應(yīng)的，在滿(mǎn)足軋機(jī)生產(chǎn)要求的前提下適當(dāng)降低加熱強(qiáng)度，可以降低燃料的消耗量。2.2 燃燒控制系統(tǒng)及仿真對(duì)于燃燒控制系統(tǒng)，空氣過(guò)剩系數(shù)u是一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)槿紵刂葡到y(tǒng)一個(gè)最重要的參數(shù)就是空燃比k，而k=×u，其中為量程修正系數(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(guò)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(guò)剩系數(shù)在1.021.1之間。當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)從1.02逐漸減小時(shí)，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(fèi)能量；當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)從1.1逐漸增大時(shí)，由于空氣過(guò)多，使多余的空氣帶著熱量排到

12、空氣中，這也使熱效率減小。2.2.1仿真模型的建立在設(shè)計(jì)中用Matlab調(diào)試仿真，使控制效果達(dá)到最佳，進(jìn)最終改進(jìn)加熱爐燃燒控制的性能。由于加熱爐溫度控制有大滯后、大慣性的特點(diǎn)，而其也可以看成單容對(duì)象，因此溫度的傳遞函數(shù)可以設(shè)定為： （2-1）燃料流量和空氣流量反應(yīng)較快，又是單容對(duì)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(duì)象傳遞函數(shù)： （2-2）空氣流量對(duì)象傳遞函數(shù)： （2-3）由于溫度對(duì)象的傳遞函數(shù)具有滯后和非線(xiàn)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(duì)象。因此溫度PID的傳遞函數(shù)為： （2-4）流量是個(gè)

13、脈動(dòng)信號(hào)，因此不能在控制器中加入微分作用，否則系統(tǒng)對(duì)輸入太敏感，容易引起系統(tǒng)嚴(yán)重不穩(wěn)定。同時(shí)為了控制器可以快速對(duì)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 （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(hào)，執(zhí)行器得由一個(gè)開(kāi)度變化到另一個(gè)開(kāi)度，因此這有一個(gè)過(guò)程，則中間就有一個(gè)過(guò)渡，但時(shí)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)： （2-6）由于檢測(cè)和變送器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)可以看成已線(xiàn)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(jì)具體數(shù)據(jù)：MATLAB仿真模型如下：使用臨界比例度法調(diào)節(jié)得到特性曲線(xiàn)基本等幅狀況說(shuō)明KP參數(shù)基本穩(wěn)定，

14、可得到臨界比例度=360。通過(guò)表1可以計(jì)算出PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：Kp=505，Ki=5.5，仿真輸出波形圖如下圖所示階躍信號(hào)源r: value=360 step time=0 干擾源g1階躍信號(hào)為:value=100 step time=10 final time=18干擾源g2階躍信號(hào)為:value=100 step time=20 final time=38無(wú)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(diǎn)和燃燒機(jī)理，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有的工程實(shí)例，提出了空燃比的自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用此空燃比自尋優(yōu)控制方案和爐

15、溫、燃料和空氣流量交變串級(jí)比值燃燒控制方案相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)對(duì)各段溫度加以控制，以達(dá)到生產(chǎn)的要求。在實(shí)際控制中配備適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，就可以在對(duì)空燃比進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)流量、溫度、壓力、液位等被控對(duì)象進(jìn)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(guò)程控制課程設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)自行搜集資料、詢(xún)問(wèn)老師同學(xué)及MATLAB仿真調(diào)試逐漸完成了對(duì)鋼鐵工業(yè)中加熱爐的燃燒控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然這次題目比較開(kāi)放，但是難度著實(shí)不小，對(duì)燃燒爐和各類(lèi)元件的學(xué)習(xí)在之前的所掌握的知識(shí)中并沒(méi)有設(shè)計(jì)，我們查閱了大量資料、書(shū)籍等才有了基本的了解認(rèn)識(shí)，而在軟件仿真中，我們運(yùn)用到之前所學(xué)的Simu

16、link來(lái)完成這次的設(shè)計(jì)，選擇了最適合的燃燒控制系統(tǒng)。感謝這一周以來(lái)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(shí)上的基礎(chǔ)，拓寬了過(guò)程控制領(lǐng)域的視野，我們才再這么短的時(shí)間內(nèi)完成這次課程設(shè)計(jì)！再次表示衷心感謝！五、附錄測(cè)溫元件：本控制系統(tǒng)的測(cè)溫元件采用Pt100熱電阻溫度變送器：型號(hào)：DBW-4230，環(huán)境溫度:050,環(huán)境濕度:90%RH,供電電源:220AC、220VAC(開(kāi)關(guān)電源)調(diào)節(jié)器：DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器執(zhí)行器：氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)并配上電/氣閥門(mén)定位器電/氣閥門(mén)定位器：ZPD-01安全柵：型號(hào)：DFA-3100，防爆等級(jí)：ia II CT6 ，最大允許電壓VM：（防爆額