热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计 武汉理工大学(3)

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

1.8转炉炼钢工艺流程

氧气顶吹转炉炼钢设备工艺，按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99％的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。 氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。

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2热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计

2.1热风炉温度串级与比值控制系统原理图

煤气F1TF1CTCTT高炉拱顶1600助燃空气F2TF2C

图5 热风炉串级比值控制系统原理图

此拱顶温度串级控制系统中，以拱顶温度为主被控对象，煤气流量为副被控对象；主被控参数的信号送往主控制器控制煤气切断阀的开度，同时副被控参数的检测信号乘以一定的系数作比值调节器基准，其输出值作为助燃风流量流量给定，控制助燃风支管流量调节阀门的开度，实现煤气量和空气量的最佳配比。

2.2热风炉温度串级与比值控制系统方框图

+-主调节器+-副调节器煤气调节阀热风炉流量变送器K+-流量变送器2助燃风调节器助燃风调节阀流量变送器

图6 热风炉温度串级比值控制系统方框图

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3控制器的选择

3.1 执行机构的选择

由于本次设计选用的是热风炉，选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL-20型单相交流模块。PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电压值，达到调节温度的目的。

3.2 微型计算机的选择

工业中常用的控制器有工业控制计算机、单片机和可编程控制器等。与其它几种控制器相比较，可编程控制器是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制，比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，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的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化。工业控制采用PLC，显示了突出的优越性，因它可对用户提出的生产控制要求和意见，能方便地在现场进行程序修改和调试，使系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用，增加了系统的可靠性，简化设备，维修方便。而且，随着PLC的发展，在硬件、软件方面都会有更先进的计数出现。针对系统的特点，分析各控制器的优缺点，采用PLC作为本次设计的控制器。

具体比较如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下优点：

(1)对低端应用,PLC具有极大的性能价格比优势.工控机的价格较高,将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制,无论是在体积和价格上都很难接受,可靠性也远不如PLC。

(2)PLC的可靠性无可比拟,故障停机时间最少.基本WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统,在实时任务处理,长期稳定运行,抗病毒和恶意攻击等方面

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还存在较大的问题.IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。

(3)PLC是专为工厂现场应用环境设计的,结构上采取整体密封或插件组合型,对印制板,电源,机架,插座的制造和安装,均采取了严密的措施。

(4)PLC是使用专门为工业设计的编程语言,这些语言简单易学.工控机如果用VB,VC等语言来编程,需要花更多时间来学习,编程的效率也没有PLC高.如果使用Windows操作系统，其稳定性远远不如PLC,时间控制精度也较差。

(5)与PC机发展太快相比,PLC产品可以长期供货,并提供长期的技术支持。 (6)PLC有庞大的有经验的设计人员,维护人员和技术支持系统。 其次，与单片机相比，具有以下优点：

1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。 2.编程简单易学，即使不熟悉电脑的工程师也能用它开发复杂的控制系统。 3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。

4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。 同时，目前在张力、速度、液位特别是温度等过程控制中，经常使用温控器等专用控制器或用户自制设备。近年来，随着技术的发展，PLC的处理速度越来越快，功能也越来越丰富。因此，采用PLC进行PID控制可以逐渐取代一些传统的控制手段。就以温度为例，可以比较出采用PLC的优点。通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制，而PLC可以实现多回路的整体控制，相比主要有以下的特点：在多点加热时，可以错开加热导通时序，避免同时导通引起的大电流;在控制过程中可以自由简便地修改设定值及其它参数；可以定时自动执行所需的控制曲线；可以使用相位控制，降低冲击电流、峰值电流，减少加热器频繁冷热变化引起的热压力；可以同时控制系统或机械中的其它动作；可以实现多种报警功能等等。

最初的PLC主要是用于取代继电器进行顺序控制，其后又逐步扩充了数值运算、模拟量、电机控制、网络通信。从发展趋势看，PID控制特别是温度控制将是今后PLC应有的功能。

综上，针对系统的工艺机构及要求，最后选择了小型机CPM2A系列PLC，具体型号为CPM2A-40CDR-A，I/O点数为40，使用电源类型为AC，输出方式为继电器输出型。

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4元件选择

4.1温度传感器及变送器

热风炉控制系统对温度要求很高，过高或过低都会影响炼钢的效果，因此必须准确测出各点温度进行适当处理。热电偶能把温度信号转为电信号，以便于远传和实现多点切换，应用广泛。其测量范围一般为0～1800℃，它具有感温接触块、动作响应快等特点。热电阻是输出型感温元件，其测量范围在中低温度（-200～650℃），价格便宜，但不能用于点区域测量，可以用来测量一些低温且要求精度不高的温度检测点。

本设计系统主要用来测量以下温度，参数如下 拱顶温度范围0～1700℃；正常温度1610℃； 送风温度范围0～1700℃；正常温度1550℃；

热电偶是由两种不同成分的导体两端连接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热点流。如果热电偶的工作端与参比端存在温差时，显示仪表就会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度差。

本设计中测量拱顶温度选用的热电偶为WRR-120B，铂铑30-铂铑6，基本误差为±2.5℃，L=1500mm，I=1000mm。送风温度选用热电偶为WRR-120B，L=1500mm，I=750mm。温度测量选用的温度变送单元已包含在PLC功能模块中，不需另行选择。

4.2 流量测量仪表

目前常用的流量测量仪表主有孔板、喷嘴及文丘里管等流件及涡街流量计、

涡轮流量计、电磁流量计等流量计。此次设计中只有煤气、助燃空气、冷风需测量，可采用涡街、涡轮、孔板等。由于孔板经济适用，因此采用孔板实现。 冷风流量的测量采用差压变送器与标准孔板配套，测量范围为0～6.0KPa，输出信号4～20mADC,型号为PMD235—KB4D2EB1C[GT]。煤气流量及助燃空气流量的测量采用差压变送器与标准孔板配套，测量范围为0～4.0KPa，输出信号为4～20mADC，型号为PMD235—KB4D2EB1C[GT]。

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