高炉计算机集散控制系统.pdf

目 录摘 要.1A B S T R A C T.20前 言.31热风炉简介.51.1热风炉概况.51.2 工艺流程.61.3 热风炉工作制度.71.4 送风制度的选择.92热风炉集散控制系统概述.112.1集散系统.112.1.1集散控制系统的体系结构.112.1.2集散控制系统的特点.122.1.3 DCS组成部分的介绍.132.2集散控制系统的发展趋势.143热风炉测控系统方案.153.1自动控制系统理论基础.153.2 热风炉系统自动控制.173.3 热风炉换炉自动控制系统.203.3.1自动换炉原理.203.3.2热风炉操作方式.223.3.3基本工作程序及联锁要求.223.3.4自动换炉控制过程.233.4热风炉测控系统的系统结构控制功能.243.4.1系统结构.244仪器仪表的选型.264.1系统基本配置：.264.1.1过程控制一PLC系统.264.1.2前端开发一系统监控画面.264.1.3系统网络组态.264.1.4现场检测.274.2 选型说明：.274.2.1 SIMATIC PLC.274.2.2 PLC的硬件的选型.284.2.3 WINCC.304.2.4网络组态.304.3 元件的选型.304.3.1测温仪表.304.3.2压力测量仪表.314.3.3流量测量仪表.324.3.4变送单元的选型.324.3.5执行器的选择.334.3.6调节器选型.375 PLC控制系统软件设计方案.395.1 STEP7软件介绍.395.2 PLC系统程序与用户程序设计.396人机界面软件(WINCC)的应用和组态.426.1 WINCC产品简介.426.1.1 简介.426.1.2性能特点.426.2组态一个工程.43结束语.46谢 辞.47参考文献.48河北理工大学毕业设计说明书第1页 共4 8页摘 要高炉炼铁是一种连续生产过程，它包含有很多系统，用以保证高炉正常均衡地生产。现代高炉车间的生产工艺流程一般都是比较定型的，它由高炉本体、上料系统、热风炉控制系统、除尘系统、冷却系统、渣铁处理系统及喷吹系统等组成。我国现代高炉炼铁技术在精料、高风温、长寿、喷煤等方面都取得了突出的成就，大风、高温已成为现代大型高炉的重要技术特征，实践证实，实现高风温的核心是提高热风炉的技术装备水平和系统自动化控制程度。计算机集散控制系统是以计算机为核心的工业自动化控制装置。它集计算机技术、自动化技术和网络通讯技术于一体，具有功能强、可靠性高、使用方便、维护简单等特点。因此，在工业生产控制中得到广泛的应用，用它组成热风炉控制系统具有明显的优点：功能全；抗干扰能力强，可靠性高；编程简单、方便；完备的开放系统；实现了人-机对话技术。毫无疑问，这是一种很好的方案。本设计说明书阐述了热风炉的DCS控制系统设计的过程。具体包括以下几个部分：高炉工艺控制功能介绍、热风炉控制系统设计、仪器仪表的选型、画面编程软件一WinCC 介绍。关键词：高炉、热风炉、集散控制、自动控制系统河北理工大学毕业设计说明书第2页 共4 8页AbstractThe blast furnace iron smelting is one kind of continuous production process,therefore it contains has very many systems,with by guaranteed the blast furnace normallybalanced produces.The modem blast furnace workshop production technical processgenerally all compares the case-hardened,it by the blast furnace main body,thehigh-quality goods system,the hot-blast stove control system,the dust removal system,thecooling system,the dregs iron processing system and spurts blows the system and so onComposition.Our country modern blast furnace iron-smelting technology in theconcentrated feed,the noble character warm,the longevity,spurted aspect and so on coalall obtains the prominent achievement,the gale,the high temperature has become themodern large-scale blast furnace the important technical characteristic,the practiceconfirmed that,the realization noble character warm core is enhances the hot-blast stovethe technical equip level and the system automation control degree.DCS is taken the computer as the core industrial automation control device.Itscollection computer technology,the automated technology and the network communicationtechnology in a body,has the function strongly,the reliability high,the easy to operate,themaintenance is simple and so on the characteristic.Therefore,obtains the widespreadapplication in the industrial production control has the obvious merit with its heat offormation stove control system:The function of DCS is all;The anti-interferenceability is strong,the dependable is high;The plait distance is simple,convenience;The system is completely open;The person-machine dialogue technique becomesrealistic.Beyond all doubt,this is a kind of good project.This design instruction booklet elaborated the hot-blast stove PLC automation controlsystem design process.Includes following several parts specifically:Blast furnace craftcontrol function introduction,belt check point technical process,hot-blast stove controlsystem design,instrument measuring appliance shaping,picture programming software,WinCC introduction.Key Words:Blast fumace Hot Stove、DCS AutoControlSysterm河北理工大学毕业设计说明书第3页 共4 8页0前言在炼铁生产中，过程控制系统完成生产工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制、报警等功能，它对提高炼铁生产线的作业率，改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期起着极其重要的作用。其特点是对生产实时过程进行控制，控制过程复杂，工艺滞后，监控参数多且数据变化快，数据处理及贮存量大。根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程控制要求，应用不同的控制系统才可以既安全可靠又经济高效地完成生产任务。目前，国内先进的大、中型过程控制系统基本上以采用P L C和D C S为主。由于现场总线F C S系统仍处于发展阶段，标准未统一，各设备生产厂家处于观望状态，现有总线标准的智能设备价格明显偏高（如 变 送 器2万元）。钢铁行业具有调节回路较少、监视参数多的特点，现 场 总 线F C S控制系统应用较少，部分应用也是 作 为P L C系统的远程终端，一般采用P r o f i b u s总线。本文主要介绍了 D C S与P L C控制系统在高炉炼铁热风炉系统中的应用。随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，P L C和D C S的性能都有了极大的改进。P L C大大提高了数据处理功能和通讯与监控功能，D C S系统向开放性发展，操作站采用工控机，操作系统采用通用的W i n d o w s N T操作平台，P C机丰富的软件资源得以利用，因而大大降低了系统繁琐程度和价格，提高了系统的性价比。自2 0世 纪7 0年代以来，由于高炉的大型化需要高风温和较大风量，因此要求热风炉提供稳定的、满足高炉生产需要的、具有一定温度和流量的热风，而且要节省能源，所以发达国家的热风炉都装有完善的自动化系统。国际上通用的热风炉全自动化系统是以完善的基础自动化加上数学模型或智能控制组成的，但基础自动化所设置的仪表和控制回路较多，特别是要在三个热风炉中设置，故投资相当大，至于设置数学模型，需要设置自动分析加热煤气各种成分的分析器，这种仪器比较昂贵且需要良好的维护，很多工厂难以实现.所以要使数学模型有效，要求有良好的完善基础自动化。因此，数学模型虽然有效，但在国内除宝钢以外，很少有工厂设置并得到应用的。目前，国内很多大型钢铁厂的大型高炉大都使用较简单的系统，即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位或流量自动控制，然后人工控制阀位或流量的设定值或开度。人工控制，不但需要专人操作，且难以在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量，也难以在预热煤气和空气温度变化时、高炉所需鼓风温度河北理工大学毕业设计说明书第4页 共4 8页和流量变化时、助燃空气压力变化时、热风炉蓄热量尚有富余时，一 一 及时修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。故要面对我国的操作和自动化以及维护水平的实况，而需要开发适合于我国的实际情况的，成本较低的且便于推广的热风炉自动控制系统。高温热风带入的热量是高炉生产的主要热源之一。高炉是钢铁工业生产生铁的机组，它需要鼓进热风来燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水，热风炉是高炉炼铁生产过程中的重要配套设备。热风炉的主要作用是把鼓风加热到要求的温度，是 按“蓄热”原理工作的热交换器。在燃烧室里燃烧煤气，高温烟气通过格子砖并使之蓄热，当格子破充分加热后，热风炉就可改为送风，冷风经格子砖被加热并送出。随着高炉喷吹和冶炼技术的不断进步，风温问题是制约进一步提高喷吹量和强化高炉冶炼的主要因素，高风温是高炉最廉价、利用率最高的能源，也是进一步降低生产成本所要解决的关键问题之一目前先进国家高炉的热风温度已达到了 1200c以上，且呈不断上升趋势，因此提高风温对于强化冶炼，降低焦比有着十分重要的意义。现代高炉都是大型化高炉，要求热风炉稳定地提供规定风温和风量的热风。热风炉也是耗能大的设备，故其有效操作是至关重要的，而满足其高风温条件下实现热风炉系统的全部自动化则尤为关键。热风炉改造的控制系统在设计时应充分考虑热风炉的生产现状，并做到努力提高生产过程的自动化管理与控制水平，以提高劳动生产率。提高热风炉供风效果的有效途径之一是排除人工操作的个人因素，实现热风炉燃烧过程的自动控制。实现热风炉燃烧过程自动控制的方法很多，例如基于废气残氧的控制方法，基于热风炉数学模型的控制方法等。这些方法对硬件要求较高，投入成本较大,国内很多高炉热风炉无法实现。本文设计的DCS控制系统在中小型高炉生产中的应用，是目前较先进的高炉炼铁设备。河北理工大学毕业设计说明书第5页 共4 8页1热风炉简介1.1热风炉概况在高炉炼铁生产过程中，需要向高炉内鼓入大量的助燃空气，以促进高炉内炼铁反应的进行，由于高炉内部温度很高，鼓入常温空气将会导致高炉内部温度急剧下降,不利于炼铁反应的进行，因此需要鼓入高温的空气，热风炉就是这样一种提供高温热风的大型设备。热风炉最早于1 8 2 8年在美国开始使用，当时采用的是管式热交换器，构造很简单,用煤作燃料，烧煤加热铁管，空气从灼热的铁管中通过后受热成为热风送给高炉，热风温度只能达到3 1 5,但高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低35%.随着高炉技术的发展，从1 8 5 7年开始，逐渐使用蓄热式热风炉来代替换热式热风炉，蓄热式热风炉最初也使用煤作燃料，后来开始使用煤气作热风炉的燃料“蓄热式热风炉分为内燃式、外燃式、顶燃式三种。1 一燃烧器；2燃烧室；3-拱顶连接管：4一拱顶：5-蓄热室;6格子晴：7一炉筐子及支柱：图1外燃式热风炉构造图河北理工大学毕业设计说明书第6页 共4 8页图1为外燃式热风炉，整个热风炉由燃烧室、蓄热室和拱顶连接管组成。燃烧室、蓄热室和连接管是一种圆筒形结构，外壳为金属结构，内层砌有耐火砖，燃烧室下部为燃烧器，燃烧器两端分别为煤气和空气入口，燃烧室中下部有热风出口。蓄热室内砌有多层高效蓄热材料一格子砖，蓄热室中的格子砖由蓄热室底部的炉葭子及支柱所支撑，蓄热室底部有烟气出口和冷风入口。燃烧室和蓄热室顶部为半球形的结构，称为拱顶，燃烧室、蓄热室的拱顶通过圆柱形的连接管相连。1.2 工艺流程热风炉采用周期性的工作制度，通常热风炉的工作周期分为两个阶段:燃烧期和送风期。现代高炉一般都配备三座以上的热风炉，形成一组，轮流进行燃烧、送风。烟画助燃风机图2热风炉工艺图热风炉工艺如图2所示，在燃烧期，煤气由煤气总管通过煤气阀送入燃烧室底部的燃烧器，煤气在燃烧器中燃烧，产生高热烟气，烟气向上流动，经燃烧室拱顶改变方向，通过拱顶连接管向下进入蓄热室。蓄热室内砌有多层蓄热材料格子砖高温烟气经过格子砖，将格子砖加热而本身逐渐冷却，然后经烟道排入烟囱。格子砖被加热并贮存一定的热量后，停止燃烧，由燃烧转为送风。在送风期，冷风由鼓风机通过蓄热室的冷风入口鼓入热风炉，冷风在蓄热室中向上流动，经过多层高热的格子砖，自下而上被格子砖加热，变成热风，依次经过蓄热室拱顶、拱顶连接管和燃烧室，从燃烧室的热风出口送出，再与一定量的冷风进行混和，以规定的风温，经热风管道送入高河北理工大学毕业设计说明书第7页 共4 8页炉.随着格砖的冷却，热风温度逐渐降低，降低到不能维持规定的送风风温时或换炉时间到时，又转换为燃烧.热风炉的燃烧过程如图3所示，它分为加热期和蓄热期。在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后，应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间，即缩短加热期，这样可以使蓄热期延长，使热风炉内存储较多的热量，降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保持炉顶温度不变外，还需要考虑废气的温度，热风炉废气温度不能超过规定的界限，否则炉算子支柱将被破坏，使炉体寿命降低，而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致炉顶温度的下降，热风炉蓄热量降低。图3 热风炉燃烧过程原理图1.3热风炉工作制度工业生产都是一个连续的过程，热风不能中断，热风炉燃烧和送风交替进行不能连续提供热风，为保证向高炉连续供风，每座高炉至少有两座热风炉，下面分别是三座和两座热风炉循环送风工艺图及参数设置，如 图 4 和 图 5 所示。三炉操作时:河北理工大学毕业设计说明书第8页 共4 8页图 4 三座热风炉循环送风工艺图参数设置：拱顶温度：1350度热风温度：1200度废气温度：350度工作制度：两烧一送换炉时间：10分钟送风时间：4 5分钟在一个热风炉故障时，剩下的两个热风炉还可正常供热风，只是动作周期不同于三个热风炉操作。图3给出了两个热风炉的燃烧与送风相位图。两炉操作时：河北理工大学毕业设计说明书第9页 共4 8页图5两座热风炉循环送风工艺图参数设置：拱顶温度：1350度热风温度：1050度废气温度：350度工作制度：一烧一送换炉时间：10分钟送风时间：6 0分钟1.4送风制度的选择当高炉配备三座热风炉时，送风制度有：两烧一送；一烧两送；半并联交叉。当高炉配备四座热风炉时，送风制度有：三烧一送；并 联（两烧两送）；交叉并联。送风制度的选择原则为：（1）根据热风炉座数和蓄热面积；（2）助燃风机和煤气管网能力；（3）高炉对风温、风量的要求；（4）发挥热风炉设备的潜力并保证热风炉设备安全；河北理工大学毕业设计说明书第1 0页 共4 8页(5)利于提高风温和热效率;(6)降低能耗。河北理工大学毕业设计说明书第1 1页 共4 8页2 热风炉集散控制系统概述2.1 集散系统集散控制系统(D C S)是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。D C S是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术、C R T技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。D C S既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势，它集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。2.1.1 集散控制系统的体系结构D C S的体系结构是一个分布式、分支树状结构，如 图6所示。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的不同功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等，横向分则意味着同级设备具有类似功能.图 6 DCS的体系结构(1)分散控制过程级河北理工大学毕业设计说明书第1 2页 共4 8页如图6所示，此级是直接面向生产过程的，是D C S的基础，它直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电阻、热电偶、旋转编码器、变送器(温度、压力、液位)及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。(2)集中操作监控级这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。这一级是面向操作员和控制系统工程师的，因而这一级配备有技术手段齐备、功能强大的计算机系统及各类外部装置，以及需要较大存储量的硬盘或软盘支持，另外还需要相关的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断和质量评估。(3)综合信息管理级这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。(4)通信网络系统D C S各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。根据各级的不同要求，通信网络分为低速、中速和高速通信网络。其中，低速网络面向分散过程控制级；中速网络面向集中操作监控级：高速网络面向管理级。2.1.2 集散控制系统的特点D C S是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通信网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散的实用系统。它具有如下特点：1、分级递阶控制集散控制系统是分级递阶控制系统，它的规模越大，系统重直和水平分级的范围也越广。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为操作管理级和过程控制级，水平方向各过程控制级之间相互协调，向垂直方向送数据，接受指令，各水平级间也进行数据交换。2、分散控制分散控制是集散控制系统的一个重要特点。分散的含义不单是分散控制，还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分散。目的是危险分散，提河北理工大学毕业设计说明书第1 3页 共4 8页高设备使用率。3、功能齐全4、自主性5、在线性与实时性6、高可靠性7、适应性、灵活性和可扩充性8、友好性2.1.3 DCS组成部分的介绍(1)控制站由软件和硬件组成。硬件主要由输入输出单元，过程控制单元和电源三部分组成。软件主要由系统软件和应用软件两部分组成(2)D C S的操作员站操作员常用的通用操作画面有总貌画面，组画面，点画面，趋势画面和报警画面,这些画面反应了被控对象的实际运行状态，并可以实时调整参数，起停设备，操作阀门等。总 貌画面总貌画面汇集了数十个至数百个或模块的状态，用文字，颜色和符号简要形象地描述每个点，如用红色A闪烁表示被控量(P V)处于报警，用红色M表示控制回路处于手动状态，用黄色F表示信号处于故障状态。操作员通过总貌画面了解重要控制回路和关键信号点的工作状态，以便及时处理有关操作。组 画面组画面汇集了 8个点的主要参数，并用数字，文字，光柱，颜色和符号形象地描述，可以模仿常规仪表面板。例如用红绿黄光柱分别表示被控量，设定量，控制量，并用红绿黄数字表示相应的数值；用文字表示P I D控制回路的状态，如A U T O(自动)，M A N (手动)，C A S (串级)；用红色方框表示开关点为O N,用绿色方框表示开关点为O F F o点画面，趋势画面和报警画面，专用操作画面数据传输和通讯系统等基本部分：数据传输和通讯系统是系统中各设备之间进行信息交换的物理媒介，在D C S系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问河北理工大学毕业设计说明书第 14页 共 4 8 页题;第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题;第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。常用的传输通道的拓扑结构是环形和总线型，目前通信协议以TCP/IP协议为主。2.2集散控制系统的发展趋势当今DCS向综合化、开放化发展。如今的工业控制领域和IT 领域，新的技术和方法不断涌现，更为DCS的发展提供了有效的工具和广阔的空间。现场总线技术、计算机性能比的大幅度提升、成熟可靠的通用软件等等都能够为DCS的发展和应用提供新的思路，开辟新的途径.开放性的结构将方便地与指挥生产管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智 能 PID 自整定控制、智能人机接口，以至于智能DCS。总的发展趋势可体现在如下几个方面:各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，在软件的设计中采用容错技术;在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等。河北理工大学毕业设计说明书第1 5页 共4 8页3热风炉测控系统方案3.1自动控制系统理论基础我们要想根据实际生产过程及其对控制的性能指标要求设计一个理想的过程控制系统，首先应该对其过程做一个全面的了解，同时对工艺过程设备作一个比较，深入的分析一下，然后应用自动控制原理和控制技术，拟定一个合理正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品质量、降低消耗、实现安全运行、节能等各项指标。我们学过的过程控制系统的种类有：简单的单回路控制系统、串级控制系统，复杂的比值控制系统、前馈控制系统等，根据热风炉自身的特点，下面介绍串级控制系统和比值控制系统。(-)串级控制系统的简介串级控制系统的结构特点在于“串级”，它把两个或两个以上的单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起。即由两台控制器串联在一起，控制一个控制阀，从而使工艺生产的主要参数达到更好的控制效果。1 .主回路的选择主回路的选择就是确定主变量。即凡能够直接或间接地反映生产过程产量质量经济性或者安全性能的参数都可被选用为主变量。2 .副回路的选择副回路的选择也就是确定副变量。由于串级控制系统的种种特点主要来源于它的副环，因此，副环的设计好坏决定着整个串级控制系统设计的成败。在确定主变量之后，副变量的选择一般应遵循下面几条原则：主副变量有对应关系，即通过调整副变量能有效的影响主变量。副回路应包括主要的和更多的干扰。主副对象的时间常数应匹配。应考虑工艺上的合理性和可能性。3.主副控制器的选择控制器的选择包括控制器的选型即控制作用的选择和正反作用的选择两部分内容。(1)控制作用的选择对主变量的控制品质要求高，因而主控制器直选P I控制作用。有时为了克服对河北理工大学毕业设计说明书第1 6页 共4 8页象的容量滞后，进一步提高主变量的控制质量，则应加入微分作用，即选择P I D作用。对于副控制器，因对副变量的控制品质要求不高，般选择P作用就行了。(2)正反作用方式的选择正反作用方式确定的基本原则是保证系统为负反馈。首先根据工艺生产安全等原则选定控制阀的气开气关形式；然后根据生产工艺条件和控制阀的形式决定副控制器的正反作用方式；最后再根据主副参数的关系，决定主控制器的正反作用方式。(-)比值控制系统的简介所谓比值控制系统，是指凡是用来实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。在需要保持比例关系的两种物料中，必定有一种物料处于主导地位，称此物料为主物料或主动量。而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料而变化，因此称为从物料或从动量。1 .比值控制系统的结构方案根据工艺过程所容许的负荷波动幅度、干扰因素的性质、产品质量要求等，实现两种物料流量比值的控制方案可分为以下几种：(1)开环比值控制系统，此系统最大的优点是结构简单，仅用一台比例控制器就可实现。但只有在某一流量发生变化时控制才起作用，在实际工程中很少应用。(2)单闭环比值控制系统，是在开环比值控制系统的基础上，增加了一个副流量控制回路而构成的，主流量经比值计算后使输出信号与输入信号成一定比例关系，并作为副流量控制器的设定值。(3)双闭环比值控制系统，主要为克服单闭环方案中主流量不受控所造成的不足而设计的它增设了主流量回路。(4)变比值控制系统，它实际上是一个以某种质量指标为主变量，而以两流量比为负变量的串级控制系统，因此也常将变比值控制系统称为串级比值系统。2 .比值系数的折算比值控制的实质是解决两物料量之间的比例关系问题。工艺上要求的比值K是指两流体的体积流量或重量流量之比，而构成控制系统的单元组合仪表使用的是统一标准信号。这就要求必须把工艺上的比值K折算成仪表上的比值系数K 1才能实现比值设定。比值系数的折算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。3.比值控制的实施方案 相乘方案：河北理工大学毕业设计说明书第1 7页 共4 8页如果使用气动仪表实施，可采用比值器配比器及乘法器等，采用电动仪表实施可用分流器及乘法器。如果比值K为常数，上述仪表均可应用；若比值为变数(在变比值控制系统中)时，则只能用乘法器，只需将比值信号换接成第三参数的测量值就行了。相除方案：由于除法器的输出直接代表了两流量信号的比值，所以可直接对它进行比值指示和比值 越 限 报 警，若 将 比 值 设 定 改 作 第 三 参 数，就 可 实 现 变 比 值 控 制。如图73.2热风炉系统自动控制热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，它 是 按“蓄热”原理工作的。在燃烧室里燃烧煤气，高温度气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。本系统高炉装有3座热风炉，“单炉送风”时，两座或一座加热，一座送风，轮流更换。热风炉自动控制包括下列几项：(1)送风温度控制系统从鼓风机来的风温约1 5 0 2 0 0。c,经过热风炉的风温可高于1 3 0 0 c,而高炉所需的热风温度约为1 0 0 0-1 2 5 0,且须温度稳定。下图示出了单炉送风情况，即控制混风管上蝶阀位置，改变混入的冷风量以保持所需的热风温度。并联送风有两种方式，即热并联和冷并联。一般先送风的炉子输出风温较低，而后送风的炉子输出风温较高，故热并联时调节两个炉子的冷风调节阀以改变两个炉子输出热风量的比例即可维持规定的风温。河北理工大学毕业设计说明书第18页 共4 8页送风温度控制一般通过调节混风阀或冷风阀的开度来控制掺入热风中的冷风量,使送风温度稳定到规定值。单炉送风温度控制：单炉送风温度控制根据混风调节阀配置而异，有两种方式:一种是调节公用的混风调节阀，另一种是调节每座热风炉的混风调节阀。本系统采用第一种方式，配置一个总的混风调节阀。送风温度控制系统见图8：通过调节掺入热风中的冷风量来控制送风温度。4土 倒 流 休 风0.5P2=5.0X0.5=2.5所以流量系数为Qn.“（273+8320.29x293Cmax=3-87A P（P,+P2）=T F 1X211.2=28764）选用流通能力C=31005）选用调解阀的主要技术规格调节阀型号：W2222 阀形式：蝶阀额定流通能力：4300 阀口径：DN650阀流量特性：等百分比6）开度计算-max*2876k=C ioo%=3100 xioo%=93%7）可调比计算Rr=10 V?=8.16河北理工大学毕业设计说明书第 3 6 页 共 4 8 页“10820Qmin 2 5 0 0=4.328 WRr所以，所选调节阀满足要求（2）煤气调节阀 阀标号：FV-122A1）辅助计算a）确定流量最大流量 Qmax=35000Nm3/h最小流量 Qmin=10600 Nm3/h常用流量 Qn=26780 Nm3/h标准状态下介质密度P=1.26Nm3/hb）压差计算阀前绝对压力 Pl=5.5+100.6=106.IkPa阀后绝对压力 P2=4.5+100.6=105.IkPa压差 AP=lkPa Pl+P2=211.2kPa2）流量特性选择-1阀阻比 S=A P +P=1+0.5=o.67S 在 1 0.6 之间所选理想特性与工作特性一致，蝶阀流量特性近似于等百分比特 性（对数流量特性），因此选用流量特性为：等百分比3）流量系数计算因为Pl=4.50.5P2=5.5X0.5=2.75所以流量系数为Qn.“（273+f）10400 11.29x293Cmax=3-8 7V +22）N 1x211.2=35954）选用流通能力C=38545）选用调解阀的主要技术规格调节阀型号：W2222 阀形式：蝶阀额定流通能力：阀口径：DN600河北理工大学毕业设计说明书第 3 7 页 共 4 8 页阀流量特性：等百分比6)开度计算C m a x )3 595k=C 1 0 0%=3 854=93%7)可调比计算R r=l()V?=8.1 6Q m a x 1 3 52 0Q m i n 3 1 2 0=4.3 3 w R r所以，所选调节阀满足要求4.3.6 调节器选型调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，并输出统一标准信号去控制执行器的动作，以实现对温度、压力、流量等工艺参数的自动控制。控制器的选型应根据被控对象的特性和工艺对控制品质的要求来确定。1、控制器参数的选择P控制器的选择：由于比例控制器的特点是控制器输出与偏差成比例，阀门的开度与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程的时间短，但过程终了还有余差。因此，它是用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。微分方程：P=K p e ；传递函数：W(S)=K P。P I控制器选择：由于比例积分控制器的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分作用是过渡过程终了时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可使稳定性提高，但又使过渡过程时间加长。因此，P I控制器使与滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统。微 分 方 程：P=K P f e d t+K P传递函数W(S)=K P(l+l/T i S)P I D控制器的选择：比例积分微分控制器的特点是输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著效果。在比例的基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用可消除余差。因此PID控制器适用于负荷变化较大、控制品质要求又很高的控制系统。微分方程：P=KP(e +T Dd e /d t+l/T i f dt)传递函数：W(S)=K(1+T DS+1/T i)o河北理工大学毕业设计说明书第 3 8 页 共 4 8 页显然，当控制系统采用采用PID三作用的控制作用时效果最好。2、控制器正反作用的选择控制器正、反作用方式的选择是在控制阀的气开、气关作用方式确定之后进行的,其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。如对控制系统中有关环节的正、符号作如下规定，可 得 出“乘积为负”的选择判别式。控制阀 气开时为“+”，气关 时 为“-”控制器 正作用为“+”，反作用为对象 当通过控制阀的物料或能量增加时，如被控制量随之增加为“+”反 之 为“-”。正反作用判别式为（控 制 器“+”）（控 制 阀“+”）（对 象“+”）=此设计中电动调节阀“+”，炉温随空气、煤气量增加而升高，所以对象为“+故 控 制 器 为 即 为 反 作 用。河北理工大学毕业设计说明书第 3 9 页 共 4 8 页5 P LC控制系统软件设计方案5.1 Step7软件介绍S T EP 7是用于S IMA T IC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，是西门子公 司PLC产品编程组态软件，适 用 于S IMA T IC S 7,S IMA T IC C 7和S IMA T IC WINA C等系列自动化产品。主要有以下功能和特点：(1)硬件组态灵活，参数设置简单快捷，非常适合初学者使用；(2)支持多种编程方法(梯形图、语句表、功能块、S 7-S C L,S 7-GR A PH)(3)整合在S T EP 7软件中的PLC仿真器(S 7-PLC S IM),可以让程序开发人员在没有PLC硬件的情况下，仿真运行PLC程序，进行程序的运行和测试工作；(4)S T EP 7能使西门子PLC解决任何问题。指令集的指令相当丰富，即使是非常复杂的功能也能简便地编程。S T E P 7有中央数据存储器和完全匹配的工具。这意味着，从现在起，你只需在一个用户接口上将数据输入一次，然后，你可为每个任务使用相同的功能:从配置和编程到启动和文件编制。包括使用图形编程语言也是如此。5.2 PLC系统程序与用户程序设计1.PL C系统程序在一个S 7-4 0 0的C PU中，有两种不同的程序需要被执行:操作系统和用户程序。(1)操作系统(由西门子公司提供)每个C PU都有一个操作系统，用以组织与特定的控制任务无关的C PU的功能和顺序。操作系统的任务包括以下各项：处理暖起动和热起动刷新输入的过程映象表并送出输出的过程映象表调用用户程序检测中断并调用中断0 B检测并处理错误管理存储区域与编程设备和其它通讯伙伴之间的通讯。(2)用户程序(用户自行开发设计)河北理工大学毕业设计说明书第4（）页 共4 8页你必须自己生成用户程序并下载到C PU o这个程序中包含处理你的特定的自动化任务所需要的所有功能。用户程序的任务包括以下各项：指 定 在C PU上暖起动和热起动的条件（例如，带有某个特定值的初始化信号）处理过程数据（例如，二进制信号的逻辑组合、读入并处理模拟信号、为输出指定二进制信号、输出模拟值）指定对中断的响应处理程序的正常运行中的干扰PL C这两种程序的关系见下图1 4这里需要说明的是:启动程序只能在自动化系统上电的时候执行一次，程序走入正常循环后不能再执行，因此用于纪录系统上电时间和通知其他系统。中断程序根据不同的中断级别来执行。错误处理程序的编写主要依据