基于PLC控制器的炼钢加热炉压力系统设计.pdf

l 生 訇 化 基于P L C 控制器的炼钢加热炉压力系统设计 Pr es sur e s ys t em des i gn s t eel m aki ng f ur nace based on t he PLC con t r ol l er 刘洁，虞慧群 L l U J i e．YU Hu i ． q u n 华东理工大学，上海 2 0 0 2 3 7 摘 要本文根据炼钢加热炉的生产工艺流程和压力控制系统的自动控制策略， 在仔细研究炼钢炉实际 生产情况和查阅相关文献资料的基础上，以冶金企业的炼钢加热炉控制系统为研究对象，基于 P I C 控制器设计了炼钢加热炉压力控制系统。通过理论论证及实际应用分析， 该炼钢加热炉压 力控制系统实现了对炼钢加热炉压力的实时精确控制，对提高炼钢加热炉的炼钢生产效率， 节约炼钢生产成本具有重要的理论意义及实践价值。 关键词P L C 控制器 ；炼钢加热炉；压力控制系统 中囝分类号T H 1 2 2 文献标识码 ；A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 4 上 一 0 1 4 0 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 l／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 4 E ． 4 3 0 引言 炼钢加热炉作为炼钢厂钢铁冶炼生产过程 中 必备的必不可少的钢铁 冶炼及热处理设备，其 巨 大的能耗 成为影 响钢铁生产和实际价格的重要 因 素 ，因此炼钢加热炉 的改进成为降低成本亟需解 决的重要 问题之一 ，同时也是改善炼钢加热炉的 产品产量 、加热质量和能耗等各项生产 指标的关 键 u 。结构一定的炼钢加热炉的操作参数是影 响 炉子生产指标的主要因素。 目前，P L C 技术应用于 我国大部分的大中小钢厂，因为随着P L C 技术的不 断发展和完善，其应用范围也已变得越来越广泛口 】 ， 利用计算机系统 实现对炼钢加热炉实时精确的控 制需要对炼钢各个生产参数进行优化处理， 从而进 一 步完善炼钢加热炉 内温度 ，压力等的控制， 这样 便于得到炼钢 的最优生产指标 ，因此本文拟采用 P L C 控制器来实现对炼钢加热炉内压力进行合理控 制 ，以提高炼钢加热炉 的炼钢生产效率 ，节约炼 钢生产成本。 1 炼钢加热炉压力控制系统总体设计 出于确保燃烧空气和气体压力保持稳 定燃烧 并顺利进行的考虑 ，必须控制煤气压力和空气压 力 。炉膛压力选择过高 、过低都是不恰 当的，过 高 ，炉门会发生喷火 ，并有可能会损坏炉体或设 备；过 低，炉内可能会吸进冷空气，进而对炼钢 加热炉的燃烧质量和效果造成一定的影响，并增 加钢坯的氧化烧损，影响经济效益。 本文所用的炼钢炉压力单回路控制系统 包含 压 力被控对象 、压力测量变送器 、压力控制器 和 压力执行器，图1 所示为炼钢炉压力单交叉限幅控 制 的检测流程图，通过控制烟道百叶窗的开度 间 接控制炉膛压力以及煤气压力的大小，这样炉膛 压力的控制就得到 了解决。 图1 炼钢炉压力单交叉限幅控制的检测流程 图 炼钢加热炉控制 系统采用分级控制的结构 ， 其构成如图2 所示，从图中可以看出，炼钢加热炉 控制 系统利用 电脑主机通过以太网与下位机P LC 通信交流 ，其基本原理是 ，上位机 向下位机发布 命令 ，下位机通过解析此命令然后根据相应 的解 释信号直接控制相应设备并执行。下位机不时读 取现场过程变量及设备状态数据，对生产过程进 行实时控制。上位机运行用组 态软件设计的监控 画面 ，对炼钢加热炉生产过程及控制 系统进行监 收稿日期2 0 1 3 - 0 1 -1 5 基金项目国家自然科学基金资助项 目 6 1 1 7 3 0 4 8 作者简介刘洁 1 9 7 8一，女，安徽蚌埠人，工程师，工学硕士，研究方向为虚拟仿真、计算机应用技术与控制 系统 实现 。 [ 1 4 0 ] 第3 5 卷第4 期2 0 1 3 - 0 4 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 訇 化 控 ，以保证炼钢加热炉正常运行。 对压力值的采样是整个控制 系统最基础的部 分 ，采样正确 与否直 接关 系到整个 控制系统的质 量 ，对 采样值 的处理 则显得格外重要 。本设计采 样程序设计 的思想是，首先对采样计数器进行加 1 处理 ，然后判断一次是否达到预置采样次数 ，未达 到则采样并累加采样值，达到预置采样次数则通过 平均值滤波求采样平均值，最后子程序返 回。 图2 炼钢加热炉分级控制系统结构图 2 炼钢加热炉压力控制系统的详细 设计 2 ． 1助燃空气压力控制系统设计 确保 喷嘴正常工作 的一个重要条 件就是有效 地控制燃 烧空气压 力的大小 。采用单回路控制 系 统 ，燃烧空气压力调节器选用P I D调节器 。当设定 值与反馈值 出现偏差时，P I D 调节起作用 ，并确保 在最短 的时间 内使其 达到最小 。若给定值大于反 馈值 ，偏差 信号经P I D运算 后输 出，阀门随之关 小 ，接着压力开始下降 ；反之 ，当给定值小于反 馈值时，偏差信号经P I D运算后，阀门随之开大， 接着压力开始升高。 2 ．2 煤气压力控制系统设计 从 安全 方 面 着 手 ，煤 气和 空 气 发生 低 压现 象 ，气体压力控制 阀会有意外 。因此 ，从燃气 和 空气的主要管道上 ，都配备 了两个低 电压开关 ， 热交换器前后 ，也分别配备 了一个 。任何 低电压 开关发生动作 ，都将会使煤气主切断阀进行 自动关 闭动作，然后停炉，以保证炼钢加热炉的安全。 2 ． 3 炉膛压力控制设计 影响炉膛压 力的最 主要的因素是高炉 内气体 的具体流动状况 ，但直接影 响气体 的具 体流动状 况的是烟道 窗 口的开度大小 。单回路控 制系统 是 本设计方案 的控制策略，改变烟 道窗 口的大小， 进而控制烟 囱的吸 力和炉膛 的压 力，而 炉压 的检 测点的具体位置是在均热段炉顶出料上方。 本设计的炉膛压力、煤气总管压力和空气总管 压力均为单回路控制系统，其方框图如图3 所示。 图3 炉膛压力控制 系统方框 图 2 ．4 压力检测元件的选择 考 虑 到炼 钢加 热 炉 的 工艺 ，检 测炉 膛压 力 时 ，用弹性式压 力检测是不错 的选择 。弹性式压 力检测是指压力敏感元件 的弹性元件将压 力转换 成弹性元件位移 的原理而进行检测 的一种检测方 法 。弹性元件所受压力超过其弹性限度后 ，将会 发生变形 ，而此变形 的大小又与被测量的压力存 在正比的关 系。 目前 比较 常 用 的压 力 检 测弹 性 元件 有 波纹 管 、膜片和弹簧管等 ，弹簧管不仅能用适 当的转 换器件 ，将其 自由端 的位移转换成 电信号后进行 输 出，而且可 以使用传动机构进行被测压力的直 接指示。因为炉膛压力必须满足5 2 0 KP a 的控制 要求 ，而煤气总管压力范 围为3 0 - - - - 1 5 0 KP a ，空气 总管压力范 围为2 O ～1 3 0 KP a ，所以，在该 加热炉 压力控制 系统设计 中，拟采用压力变送器和弹簧 管压力表的组合对加热炉炉膛压力实行监测 。该 压力控制 系统之所 以使用气动执行器 ，是 因为焦 炉煤气极其容易燃烧 、爆炸 。气动执行器不但使 用便 捷 ，成本降低 ，还能对煤气的燃烧和爆炸进 行有效地预防，以减少意外事故发生的概率。 3 炼钢加热炉压力控制系统主程序 的设计 3 ． 1 炼钢加热炉压力控制系统主程序设置 图4 所示为炼钢加热炉压力控制系统主程 序流 程 图。主程序流程 图给 出了整个程序执行的总体 方案和顺序 ，主程序 的作用为发 出对各子程序调 用的顺序命令 ，使控制程序的各部分按控制逻辑 有机地连接起来 ，各基本操作在子程序 中完成 ， 炼钢加热炉压力控制 系统主程序流程图的画法往 第3 5 卷第4 期2 0 1 3 -0 4 上 1 1 4 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m