毕业设计(论文)-加热炉PLC控制系统--加热炉控制系统设计与集成.doc
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1、辽宁科技大学毕业设计(论文) 第37页加热炉PLC控制系统加热炉控制系统设计与集成摘要本项目采用PLC对加热炉系统进行控制。据了解,在轧钢工序能耗中,加热炉能耗占60%70%。提高加热炉燃烧控制水平不仅可以通过节能产生巨大的经济效益、减少环境污染;而且可以推动我国冶金行业自动控制水平的发展。因此,如何优化加热炉燃烧控制受到广泛的研究和重视。本设计以加热炉达到充分燃烧,提高热效率为目的。通过实施加热炉在线燃烧控制来保证空燃比的精度,进而实现煤气降耗和提高成材率。本设计介绍了加热炉工艺知识,围绕加热炉控制系统设计、I/O组态、存储器的组态等问题展开。包括加热炉检测技术、TI505可编程序控制器的技
2、术参数、组态技术、人机接口技术规格与特性等。本系统操作简单方便,生产过程精确化、智能化。关键词加热炉;PLC;组态;检测AbstractThis project uses PLC to control the heating furnace system. It is reported that the energy consumption of heating furnaces accounts for 60%-70% in the process of rolling production. Improving the combustion control of heating furna
3、ces can not only produce enormous economic benefits and reduce environmental pollution by energy saving, but also promote the development of metallurgical automation in our country. Therefore, it has been given extensive research and attention to optimize the control of the combustion process of hea
4、ting furnaces.It aims at making the heating furnace combusting fully and improving the thermal efficiency. It implements the control combustion of the heating furnace on line to guarantee the ratio of gas-air; therefore, it realizes the reduction of gas consumption and the increasing of product rate
5、.The design introduces the production knowledge of the heating furnace, the control system of heating furnace, the I/O configuration, the configuration of the memory, etc Such as detection technique of the heating furnace, TI505 technical parameter, configuration technique, man-machine interface tec
6、hnical specification and characteristic of the controller, etc The system operation is simple and facile with the intelligent and accuracy production process. Keywords Heating furnace;PLC;Configuration;Detection目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 加热炉11.1.1 加热炉控制系统31.2 可编程逻辑控制器PLC31.3 加热炉41.3.1 加热炉的分类41.3.2 对加
7、热炉的要求5第2章 加热炉工艺知识62.1 加热炉工艺62.2 加热炉燃料7第3章 系统器件的选择83.1 可编程序控制器的选择83.1.1 机型的选择83.1.2 组态技术83.1.3 输入/输出模块的选择93.1.4 SIMATIC TI505103.2 仪器介绍113.3 人机界面13第4章 加热炉控制系统设计与集成144.1 控制系统构成144.1.1 系统构成144.1.2 压力检测164.1.3 温度检测164.1.4 流量检测174.2 控制系统流程图184.3 SIEMENS SIMATIC 505系列PLC/PCS的I/O组态194.4 SIEMENS SIMATIC 505
8、系列PLC/PCS的存储器组态20结论23致谢24参考文献25附录A26附录B32第1章 绪论1.1 加热炉在轧钢企业中,加热炉通过实施在线燃烧控制保证空燃比的精度,达到充分燃烧提高热效率的目的,进而实现煤气降耗减少氧化烧损和轧废提高成材率的目标。由于近年来轧钢企业飞速发展,尤其我国加入世界贸易组织以后,我国的钢铁事业已在世界范围内占有一席之地,所以为了生产出高质量,低成本,耗能少的钢种,同时在生产过程中尽量减少对环境的污染,现代轧钢企业对加热炉提出了更高的要求。1、生产效率高 在保证质量的前提下,物料加热速度越快越好,这样可以提高加热炉的生产效率,减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低
9、金属的烧损和单位燃料消耗,节约维护费用。一般用单位生产率即炉底强度Kg/(mh)的高低来评价一座炉子工作的优劣。例如推钢式连续加热炉的炉底强度为600800kg/(mh),步进式加热炉为700900kg/(m)h,先进的连续加热炉可达1000kg/(mh)。2、加热质量好 金属的轧制质量与金属加热质量有密切的关系。加热时物料出炉温度应符合工艺要求。断面上温度分布均匀,金属烧损率低,防止过烧和表面的脱碳现象。3、燃料消耗低 轧钢厂能量消耗的10%15%用于加热炉上,节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作,如每公斤钢消耗的燃料量(公斤)或热量(KJ)。4、炉
10、子寿命长 由于高温作用和机械磨损,炉子不可能避免会有磨损,必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命,降低修炉的费用。5、劳动条件少 要求炉子的机械及自动化程度高,操作条件好,安全卫生,对环境无污染。以上五个方面是对加热炉总的要求,在对待具体炉子时,应辨证地看待各项指标之间的关系。如提高生产率、提高加热质量和降低燃料消耗量一般是统一的,但有时则有主次,例如一些加热炉过去强调较高的生产率,但随着能源问题的突出,则更多是的是着眼于节能,而适当降低炉子热负荷和生产率1。另外在对整个加热炉控制系统的设计中,为了达到更好的生产和节能效果,我们业对传统设计方案进行了改进,以下做简单介绍。加热炉自动控制主
11、要是采用合理的控制策略,例如,在燃烧控制系统中,尽量使炉内燃烧充分,以至钢坯加热到目标值。早期常规仪表进行燃烧控制主要采用串级比值控制系统,这种控制方案不能很好的解决最佳空燃比的问题,随着计算机技术的发展,燃烧控制技术进入了一个新的阶段。在燃烧过程中,为实现完全燃烧而又不造成过量的排烟损失,通常要形成一个低过剩空气系数的燃烧条件,这样可提高效率,并减少炉内有害气体成分(NOx,SOx),减少表面氧化,提高产品质量。以往采用的控制系统虽然能把温度控制并稳定在工艺要求的范围内,但当负荷突然变化时,该系统不能精确控制所需空气过剩系数在标准区域之间,因而达不到最佳燃烧的要求,节能效果差,容易造成环境污
12、染;另外燃烧的安全性也低。为了解决这一问题,系统采用了自身反馈双向限幅,这种方案能够保证在负荷波动或稳定时,燃料与空气能够合理的燃烧,炉内空气过剩率在最佳限制区域内变化,并且使系统响应速度加快。在机器硬件方面,小型厂一车间共有二个炉子,每个炉子有上加热上均热和下均热三个加热点,共需要温流串级调节回路6个,单调节回路18个,还包括炉子过程量检测(包括一些开关量)大约80多个点。此外系统本身需要一定规模的画面组态前台调度,即人机界面的形成。根据这些情况,本系统采用了SIEMENS SIMATIC TI公司的TI560/565PLC系统。TI系统系列机器最大限度地兼顾了PLC开关量和DCS模拟量调节
13、回路的处理能力,集两者长处为一身,故又称为PCS系统(过程控制系统),很适用目前大中小规模自动化过程控制的要求。主机编程语言用梯极逻辑图(560CPU板支持),模拟量处理引进了SF语言(CPU板支持回路,模拟报警,SF语言),其中SF语言以功能专一单位模块化的形式可被梯极图,回路和模拟报警以多种形式进行调用。在编程或程序运行时机器内部与用户或控制系统相关的系统变量和机器变量统统向用户开放,使用户在调试或编程组合自己的特殊算法时甚为方便,在编程时几乎可以做到即想即编即调的“随机”方式,无需花大精力统筹规划分割实施。操作界面单元CVU由386主机+19彩色CRT+宽行打印机+操作与组态键盘构成。C
14、VU单元的软件平台也相当完善,编程完全是组态形式。各种变量可以文本,色标,图形趋势曲线,棒状图等多种形式出现,每个画面的生成完全是铅笔橡皮式并备有大量标准符号库。键盘的接口也很灵活,通过操作键盘的组态用户可实现各种控制方式的转换,最大限度地方便用户操作,加之若干不同分级的口令系统向用户不同人员开放的度也把握的十分得体。另外主机定义的所有变量在CVU内部是“全程”的,无需重新定义,这在直接存取系统信息上相当方便。总之在这个组态软件基础上可在CVU实现各种不同的多画面多控制方式的功能组合。加热炉控制系统利用可编程调节器和计算机实现使生产过程变得非常方便,控制水平也明显提高,相信随着新的控制理论和方
15、法的出现(人工智能的模糊控制、专家控制等),加热炉的控制技术一定会更成熟和完善2。1.1.1 加热炉控制系统随着世界范围内经济竞争越演越烈,钢铁成本的降低已经与钢铁企业的生存休戚相关。在冶金行业中,能源消耗的一大用户就是加热炉。据有关文献介绍,在轧钢加工费用中能源消耗占65%70%,在整个轧钢工序能耗中,加热炉燃耗占60%70%。提高加热炉燃烧控制水平不仅可以通过节能产生巨大的经济效益,而且可以提高我国冶金行业的自动化控制水平。因此,如何优化加热炉燃烧控制受到广泛的研究和重视。轧钢企业加热炉通过实施在线燃烧控制可保证空燃比的精度,达到充分燃烧提高热效率的目的,进而实现煤气降耗减少氧化烧损和提高
16、成材率等目标。众所周知,加热炉能耗大,工作条件恶劣,管路上的燃料空气流量波动频繁。因此,它的燃烧控制过程是一个复杂的调节系统。用常规仪表组成的燃烧调节系统,往往需要大量仪表,性能也很难达到预期的要求,随着以面向过程控制为主的可编程逻辑控制器在工业生产过程控制中越来越广泛的应用,解决了仪表控制性能不高的问题。本设计就是采用PLC(可编程序逻辑控制器)对加热炉系统进行控制。采用PLC对现代工业生产过程系统进行控制不仅使生产过程更加精确化、智能化;同时提高了生产率。1.2 可编程逻辑控制器PLC1、PLC的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序存储
17、器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令;并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备,都应按易于与工业控制系统联成一体,易于扩充其功能的原则而设计。2、PLC的特点(1)可靠性高、抗干扰能力强;(2)通用性强、使用方便;(3)采用模块化结构、系统组合灵活方便;(4)编程语言简单、易学,便于掌握;(5)系统设计周期短;(6)对生产工艺改变适应性强;(7)安装简单、调试方便、维护工作量小。3、PLC的应用PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具
18、有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、通用灵活、维护方便等一系列的优点。因而,在电力、机械、冶金、能源、化工、交通等领域中有着广泛的应用。根据PLC的特点,可以将其应用形式归纳为以下几种类型:开关量控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。4、PLC的发展趋势随着PLC技术的推广和应用,PLC将进一步向以下几个方向发展:(1)系列化、模板化;(2)小型机功能强化;(3)中、大型机高速化、高功能、大容量;(4)低成本;(5)多功能。1.3 加热炉在轧钢厂的热轧生产中,必须将要轧制的钢坯或钢锭加热到一定的温度,使它具有一定的可塑性,才能进行轧制。即使采用冷轧工
19、艺,也往往需要对钢材进行热处理。为了对钢料加热和热处理,在轧钢厂采用了各种类型的加热炉3。1.3.1 加热炉的分类加热炉常用炉型有以下几类:1、二段式和三段式加热炉;2、多段式加热炉;3、步进式加热炉;4、环形加热炉;5、实底加热炉。1.3.2 对加热炉的要求1、生产率高在保证质量的前提下,钢料加热速度越快越好,这样可以提高加热炉的生产率,减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低钢的烧损单位燃料消耗,节约维护费用。一般用单位生产率炉底强度的高低来评价一座炉子工作的优劣。2、加热质量好钢料的轧制质量与钢的加热质量有着密切的关系。加热时钢料出炉温度应符合工艺要求,断面上温度分布均匀,钢的烧损率
20、低;防止过烧和表层的脱碳现象。3、燃料消耗低轧钢厂能量消耗的10-15用于加热炉上,节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作,如公斤燃料/公斤钢、焦耳/公斤钢、千卡/公斤钢。连续加热炉的单位燃料消耗量为400-600千卡/公斤钢,最先进的可达330千卡/公斤钢;锻造状炉的单位燃料消耗量为600-900千卡/公斤钢;均热炉根据热装或者冷装的不同,单位燃料消耗量波动很大。4、炉子寿命长由于高温作用和机械磨损,炉子不可避免会有损坏,必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命,降低修炉的费用。5、劳动条件好要求炉子的机械化及自动化程度高,操作条件好,安全卫生,对
21、环境无污染。第2章 加热炉工艺知识加热炉的生产过程主要是推钢机把上料台上的钢坯推入辊道,经电子秤称重后进入炉内,由步进底传送,并在传送过程中加热,然后送入炉辊道上,启动出炉辊道,把钢坯送入主轧线上。在此过程中钢坯的加热工艺是一个相当重要的环节,其工艺过程主要包括加热温度、加热时间、及加热速度的设定。通常加热温度越高,可塑性越好,变形抗力越低,对热加工有利。但钢的加热受许多因素的制约,并不是越高越好,应有一个最高极限温度。对于低合金钢加热温度借助Fe-Fe3c图相图制定,最高温度应比固相限低100-150 C,加热温度越高偏析的非金属夹杂物融化出现过烧,同时表面氧化脱碳严重。对于合金钢,合金元素
22、影响相图中固相限的位置,因此,某些含扩大奥氏体区元素如Ni、Co、Mn的钢,加热温度可以略高一些。而某些含缩小奥氏体区元素如W、Mo、Cr、V、Ti、Si的钢,加热温度略低些。含有较高熔点合金元素如W、Mo、Cr、V等的钢,生成特殊碳化物,难以溶解,加热温度应高一些。从生产率的角度出发,希望加热速度越快越好,时间短,氧化烧损也少。但加热速度受炉子供热条件,钢材本身允许的内外温差的限制。加热时间,即钢坯由室温入炉到心部达到出炉所需要的时间。以往加热时间都是根据经验确定,往往有很大偏差,目前多采用有限差分法利用计算机对钢在连续炉内的温度场变化进行计算。针对不同的钢种、不同的坯型进行加热时间、加热速
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