前言

过程控制系统课程设计是测控技术与仪器专业的实践教学环节。其教学目的是：运用所学专业知识，结合工业生产实际，以仪表控制系统的工程设计为核心，是学生初步了解生产过程检测与控制系统的设计方法、设计规范和设计步骤，并通过实践设计、绘图等环节，培养学生的工程意识，掌握一定的工程设计技能，初步具备独立承接科研课题或工程设计的能力，受到一次工程师的基本训练。

   

本次过程控制系统课程设计主题为均热炉仪表检测控制系统，要求同学们选用DDZ-III型仪表，实现均热炉温度控制。整个设计过程大概分为五部分。

首先，查阅资料，整理笔记，了解均热炉的生产工艺及控制要求。

第二步，根据设计要求，初步设计均热炉温度检测控制系统，并绘制系统原则图。

第三步，按要求通过计算选择仪表类型，并绘制系统框图。

第四步，绘制系统接线图。

第五，撰写设计报告 。

目录

1．概述... 4

1.1均热炉的结构与生产工艺... 4

1.2均热炉检测控制系统概述... 4

2.均热炉的生产工艺参数与检测控制系统分析... 5

2.1均热炉工艺参数与检测控制系统分析... 5

2.2仪表选型... 6

2.3均热炉控制系统分析... 7

2.3.1双交叉限幅燃烧控制系统... 7

2.3.2炉膛压力控制系统... 7

2.3.3换热器保护控制系统... 7

2.3.4热风超温放散控制系统... 7

2.3.5煤气压力低限报警、切断控制... 8

3.空燃比控制用比值器比值系数的计算及气体流量的温差修正... 8

3.1空燃比控制用比值器比值系数的计算... 8

3.2热风流量的温度压力修正及乘除器运算系数的计算... 8

3.3煤气流量的压力修正及乘除器运算系数的计算... 8

4.结束语... 9

5.参考文献.... 9

6.指导教师评语 ………………………………………………………………………………..10       

1．概述

初轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢浇注的钢锭大部分经初轧、开坯后才能轧制成材，而钢锭必须经过均热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往初轧机进行轧制，它在间歇性的炼钢生产变为连续性初轧生产之间起缓冲、平衡作用。均热炉是初轧厂中钢锭加热用的设备，它将冷、热钢锭加热到轧制要求的温度，并使其温度均匀。均热炉操作直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥初轧机的生产能力，有必要增强对均热炉的控制。

1.1均热炉的结构与生产工艺

在初轧前把钢锭加热或保温一定时间，通过热扩散使钢  均热炉锭内部温度均匀而适于金属塑性加工用的坑式炉。炉膛为长方体形，钢锭在炉内竖放。通常由几个炉坑组成一组,共用一套控制系统。多数使用气体燃料加热,也可用重油。 　　均热炉是周期性工作的，其温度制度和供热制度随时间变化。均热炉主要用于均热脱模后的热钢锭，也可加热冷钢锭。在充分利用钢锭潜热的情况下，单位热耗可为(0.05～0.07)×106千卡/吨。

均热炉可分为蓄热式、换热式（有中心供热的、四角供热的和上部双侧或  均热炉单侧供热的）和电均热炉（见冶金炉）。蓄热式均热炉 炉坑两端有蓄热室，预热空气和煤气，缺点是来回换向、温度不均匀，影响加热质量；特别是炉坑长度受温度差容许范围的限制，不能适应大钢锭、大轧机的要求。 　　

上部单侧供热的换热式均热炉，烧嘴在长方形炉坑一个端墙上,火焰呈U形，均热炉烟气由供热端烧嘴下面的排烟口排出,进入换热器。如图1-1所示。

图1-1

1.2均热炉检测控制系统概述

均热炉上使用的仪表应满足下列要求：

（1）自动燃烧控制用的调节器，应满足间歇操作与调节功能；

（2）燃料流量与空气流量的调节装置，要求在很宽的范围内都能满足要求；（3）为了保持炉内温度稳定，要尽量减少炉内压力变化带来的影响；

（4）燃料流量与空气流量天揭发的驱动速度不同，应该考虑当流量突然变化时，要防止冒黑烟；

（5）流量测量的孔板设计，要考虑较宽的测量范围；

（6）为保持良好的燃烧控制，可以采用废弃中含氧量的测量与控制。

均热炉参数检测与控制系统如图1-2所示。它主要包括炉内温度控制、煤气空气燃料配比控制、炉内压力控制系统、换热器保护系统。

图1-2

2.均热炉的生产工艺参数与检测控制系统分析

2.1均热炉工艺参数与检测控制系统分析

为了满足工艺要求，必须对均热炉生产过程的参数进行控制：

(1)炉温控制。按工艺要求对炉温进行控制。使被加热的钢锭达到温度值，且内外均匀。

(2)燃料流量控制。根据要求控制煤气流量，并对煤气压力的变化进行修正。

(3)空气流量控制。按给定的空燃比控制空气流量。当使用预热空气时，应对预热空气的温度压力进行补正。

(4)空燃比控制。要求空燃比达一定值，可以保证燃料的合理燃烧和所要求的炉内气氛。

(5)炉膛压力控制。保证炉膛压力稳定在正常范围内，一保证良好的热传导，降低损耗能源，同时还能减少污染和保持良好的生产环境。

(6)换热器保护控制。它能防止因换热器过热的烧毁事故发生。

(7)废气含氧控制。目的使燃料充分燃烧，提高燃料效力，降低能耗。

给定条件及参数数据

   1．炉膛温度检测与控制

       温度量程，0～1600℃，1～5VDC,4～20mADC

       炉温1380℃，钢坯均热温度1340℃

   2．均热炉燃烧的空燃体控制

       空燃比

       比值系数，自动校正功能，残氧修正

   3．煤气流量，检测与控制，压力补正（温补）

    

     常用量3520，

管径D=219mm6，6指的是厚度6mm 

   4．空气（热风）流量测量与控制

     ，常用=8800,管径：450mm9

   5．炉膛压力P=10~30Pa，微正压，上下线报警

   6．空气预热器保护

     热风温度（400℃）控制，上限600℃，报警放散

     预热器前，温度检测，上限报警，稀释（鼓入冷风），温度控制700~900℃后，温度检测报警，400~500℃，上限报警

   7．延期含氧量检测1.5~2.5%

8．空气压力：3000~5000Pa,下限报警

9．煤气压力：3000~5000Pa,下限报警

   10．烟道负压检测与显示：P=-4000~6000Pa

   11．烟道温度检测与显示：300℃

2.2仪表选型

　以统一的标准信号，将对参数的测量、变送、显示及控制等各种能够独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）相互联系而组合起来的一种仪表。根据不同功能和使用要求加以组合，单元仪表可构成各种单参数或多参数的自动控制系统。该均热炉仪表检测控制系统包括的主要仪表有变送器、调节器、执行器与调节阀、比值器、乘除器、开方器等，按照设计要求仪表型号如下：

检测元件：热电偶TE-101、热电阻Pt-100

变送器：差压变送器 CECC-220、 热电偶温度变送器DBW-1130、热电阻温度变送器 DBW-1240 、压力变送器 CECY-120、负压变送器 DBY-0100

调节器：DTZ-2100

电动执行器：DKZ-1100

伺服放大器：FC-01

电动操作器：DFD-2000

乘除器：DJS-1000——乘法器：DJS-4000、除法器：DJS-2000

开方器：DJK-1000

选择器：高选DFC-1200 低选 DFC-2200

配电器：DFP-2100

阻尼器：DFZ-1000

显示仪：DXZ-1011

带指示的报警器：DXB-1100(单上)DXB-1200（单下）DXB-1300（单上下限报警）

恒流给定器：DGA-1001

积算器：DXS-1200

比值器：DGB-2300

2.3均热炉控制系统分析

2.3.1双交叉限幅燃烧控制系统

双交叉限幅控制方式是在串级平行控制的基础上，再加上交叉限幅控制功能。燃料流量和空气流量与炉温调节构成串级平行控制系统，则温度调节器的输出同时作为燃料调节器和空气调节器的设定值。

在燃料流量控制回路中，温度调节器的输出（SV）与空气流量测量值（赋予负向偏置-a1）一起送到低值选择器。低选器输出值与空气流量测量值再一起送到高选器。高选器的输出作为煤气燃料调节器的设定值（SV3）。

2.3.2炉膛压力控制系统

炉膛压力控制系统。炉膛压力会直接影响钢锭的加热质量、炉温的分布情况、燃料的消耗量及炉体寿命的长短。通常均热炉的炉膛压力多控制在微正压的情况下，这样可以得到良好的热传导，使气体燃烧所产生的大量热能被钢坯所吸收，提高钢坯加热时的热能利用。

可通过控制烟道闸板的开度及改变烟道吸引力的大小来改变炉膛的压力。

2.3.3换热器保护控制系统

换热器保护控制系统见图2-1.换热器的保护控制能防止因换热器过热的烧毁事发生。检测热风温度，如果温度过高，向换热器里鼓入冷风，达到保护换热器放入作用。

图2-1

2.3.4热风超温排散控制系统

热风超温放散控制系统见图2-2。

图2-2

2.3.5煤气压力低限报警、切断控制

煤气压力低限报警、切断控制见图2-5.当燃烧过程使用的燃料是煤气时，为了保证各段烧嘴的稳定燃烧，对煤气管道压力必须控制，这样可以使各烧嘴的火焰长度维持不变，以保证炉内温度场分布均匀。同时，保证一定的压力，不能过低，防止在与空气接触时，由于煤气压力过低而混入一定量的空气，从而发生爆炸的危险。

3.空燃比控制用比值器比值系数的计算及气体流量的温差修正

3.1空燃比控制用比值器比值系数的计算

均热炉燃烧的空燃体控制

空燃比

即系统原则图上比值器a=2.5。所以原则图上的两个比值器比值分别为2.5和0.4。

   

3.2热风流量的温度压力修正及乘除器运算系数的计算空气（热风）温压补正

，常用=8800,管径：450mm9

热风流量的温度修正系数k1=8800/400^2=0.055

热风流量的压力修正系数k2=8800/(5000-3000)=4.4

3.3煤气流量的压力修正及乘除器运算系数的计算煤气流量，检测与控制，压力补正（温补）

   

    常用量3520，管径D=219mm6，6指的是厚度6mm

煤气流量的压力修正系数k3=3520/（5000-3000）=1.76

4.结束语

过程控制系统课程设计教会了我们如何设计一个完整的工业控制系统，从手绘图到CAD的绘制再到最终设计报告的完成，在这充实的三周里，让我们学会了细致与耐心。在整个的设计过程中了解到一些仪表选型的规则，系统图以及方框图的绘制方法和注意事项，培养了一定的工程意识。特别是在绘制框图前的选型工作，让我真真切切的感觉到本次课程设计的意义。虽然本次设计与真正的工程项目有区别（控制系统设计完成后不会投入生产，很多细节问题没有考虑），但是通过本次设计我已经掌握了基本的设计流程与要素，并巩固了理论知识。

参考文献

[1] 《工业自动化仪表手册》编辑委员会 工业自动化仪表手册1-4册，机械工业出版社，1988年10月，第1版

[2]高魁明 热工测量仪表  冶金工业出版社，20##年11月，第一版

[3] 自动化仪表选型设计规定 全国化工工程建设标准编辑中

第二篇：过程控制课程设计报告_Demon_S_Y

过程控制课程设计报告

—— 锅炉设备控制系统

一、课程设计目的：

1.熟悉并熟练掌握组态王软件；

2.通过组态王软件的使用，进一步掌握了解过程控制理论基础知识；

3.了解典型工业生产过程(锅炉设备)的工艺流程和控制要求；

4.加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，提高解决实际工程问题的能力；

5.培养自主查找资料、收索信息的能力以及实践动手能力与合作精神。

二、组态王简介：

“组态王”是运行于Microsoft Windows 200/NT4.0.XP中文平台的中文界面软件，充分利用了windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，并且采用了多线程。COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。 “组态王”软件包括由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(Proj-Manager)和画面运行系统（TouchVew）三大部分组成。在工程浏览中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库构造、定义外部设备等工作；工程管理器中内嵌了画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统touchMak和运行系统touchVew来完成。

三、锅炉设备的的控制原理及工艺流程：

锅炉是过程工业中不可缺少的动力设备，它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。随着石油化学工业生产规模不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率方向发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。为实现调节任务，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统，主要控制系统有：

（1） 给水自动控制系统（即锅炉汽包水位的控制） 操纵变量是给水流量，它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要

条件，使锅炉正常运行的主要标志之一。

由于锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的、相互关联的复杂控制系统，汽包液位控制与给水控制、蒸汽压力控制、送风控制、炉膛负压控制等有关。汽包水位在外界扰动作用下的变化过程与蒸汽流量D、补充给水量W、补充水温T、炉膛热负荷（燃料量M）、汽包蒸汽压力PD等参数有关，其中影响作用较大的主要是蒸汽流量D、炉膛热负荷（燃料量M）、补充给水量W。 汽包液位控制分为三种：单冲量控制、双冲量控制、三冲量控制。

（2）锅炉燃烧的自动控制 有三个被控变量，蒸汽压力（或负荷）、烟气成分（反映燃烧经济性指标）和炉膛负压。而操纵变量亦有三个：燃料量、送风量和引风量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，需要统筹兼顾，从而组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；保证燃烧的经济性和锅炉的安全性。炉膛负压保持在一定的范围内。

第一个任务是维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。

第二个任务是保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。

第三个任务是调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。

对于一台锅炉，燃烧过程的这三项调节任务是不可分隔的，对调节系统设计时应加以注意。

（3）过热蒸汽系统的自动控制 以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量组成的温度控制系统，以使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。

控制方案选择：

?单回路控制方案：在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。

减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控

制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w .w的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。

图2-1 改变减温水量控制蒸汽温度系统

实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

?串级控制方案：过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号—出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。

图2-2 过热蒸汽温度串级调节系统原理图

调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最后校正作用。

串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。

四、工程建立：

设计思路：首先，一打开运行，就是进入首页，点击“锅炉控制”进入主界面，动作之前，先要给定“水位设定值”，然后点击自动按钮，就可以观察实时曲线；也可以将开关打到手动状态进行手动控制。

设计过程：

（一）首先建立工程“锅炉控制”，进入画面界面，点击新建工程画面，进入开发系统界面，确定背景属性，打开工具栏，使用图库（快捷键F2）创建所需的器件：锅炉汽包、炉膛、各种阀门等；并设计水流的动态表示；

（二）设置串口；

（三）然后打开数据词典，定义所需的变量，注意其变量类型及其后续设置；

（四）接下来就是动画连接，双击画面上的器件，输入变量，或点击“？”进入变量浏览器选择所需变量，当设定完成后，进入工程浏览器双击“应用程序命令语言”输入控制程序。

工程创建过程的截图显示：

（一）系统变量定义：

图1..数据词典-变量集合

（二）动画连接：

图2.动画连接

（三）图形界面的设计：

图3.控制界面

（四）自动运行结果：（设定值为30时）

（五）手动控制运行结果：

图五.手动控制运行

五、系统软件编译：

if(\\本站点\手自动转换开关==0)

{if(\\本站点\给水阀==1)

{\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位+1; \\本站点\给水流量=\\本站点\给水流量+1; }

else

{\\本站点\给水流量=0;}

if((\\本站点\空气阀==1)&&(\\本站点\燃料阀==1)) {\\本站点\燃料流量=\\本站点\燃料流量+1; \\本站点\空气流量=\\本站点\空气流量+1; \\本站点\炉膛压力=\\本站点\炉膛压力-1; }

else

{\\本站点\空气流量=0;

\\本站点\燃料流量=0;

\\本站点\炉膛压力=99;

}

if((\\本站点\饱和蒸汽阀==1)&&(\\本站点\过热蒸汽阀==1)&&(\\本站点\给水阀==0))

{\\本站点\饱和蒸汽流量=\\本站点\饱和蒸汽流量+1;

\\本站点\饱和蒸汽温度=\\本站点\饱和蒸汽温度+1;

\\本站点\饱和蒸汽压力=20;

\\本站点\过热蒸汽温度=\\本站点\过热蒸汽温度+1;

\\本站点\过热蒸汽压力=20;

\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位-1;

}

if((\\本站点\饱和蒸汽阀==1)&&(\\本站点\过热蒸汽阀==1))

{\\本站点\饱和蒸汽流量=\\本站点\饱和蒸汽流量+1;

\\本站点\饱和蒸汽温度=\\本站点\饱和蒸汽温度+1;

\\本站点\饱和蒸汽压力=20;

\\本站点\过热蒸汽温度=\\本站点\过热蒸汽温度+1;

\\本站点\过热蒸汽压力=20;

}

else if((\\本站点\饱和蒸汽阀==1)&&(\\本站点\过热蒸汽阀==0)) {\\本站点\过热蒸汽压力=10;

\\本站点\饱和蒸汽压力=10;

\\本站点\过热蒸汽温度=20;

\\本站点\饱和蒸汽温度=\\本站点\饱和蒸汽温度+1;

}

else if((\\本站点\饱和蒸汽阀==0)&&(\\本站点\过热蒸汽阀==1)) {\\本站点\饱和蒸汽流量=0;

\\本站点\饱和蒸汽温度=20;

\\本站点\饱和蒸汽压力=10;

\\本站点\过热蒸汽温度=20;

\\本站点\过热蒸汽压力=10;

}

if(\\本站点\汽包水位>=80)

{\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位-1;

\\本站点\给水阀=0;

}

}

else

{if(\\本站点\汽包水位<\\本站点\汽包水位设定) {\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位+1;

\\本站点\给水流量=\\本站点\给水流量+1;

\\本站点\给水阀=1;

\\本站点\给水流量=\\本站点\给水流量+1;

\\本站点\饱和蒸汽阀=0;

\\本站点\过热蒸汽阀=0;

}

else if (\\本站点\汽包水位>\\本站点\汽包水位设定) {\\本站点\过热蒸汽阀=1;

\\本站点\饱和蒸汽阀=1;

\\本站点\给水阀=0;

\\本站点\给水流量=0;

\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位-1;

}

else if(\\本站点\汽包水位设定==\\本站点\汽包水位) {\\本站点\过热蒸汽阀=1;

\\本站点\饱和蒸汽阀=1;

\\本站点\给水流量=20;

\\本站点\汽包水位=\\本站点\汽包水位+1;

\\本站点\给水阀=1;

}

if(\\本站点\汽包水位>=10)

{\\本站点\燃料阀=1;

\\本站点\空气阀=1;

\\本站点\空气流量=\\本站点\空气流量+1;

\\本站点\燃料流量=\\本站点\燃料流量+1;

\\本站点\炉膛压力=\\本站点\炉膛压力-1;

}

else{\\本站点\空气流量=0;

\\本站点\燃料流量=0;

\\本站点\燃料阀=0;

\\本站点\空气阀=0;

}

}

六、课程设计感想：

通过这次课程设计，我们熟练掌握了组态王软件6.52版的使用。

使我对组态软件有了更深刻的理解，特别是组态王软件的应用、组态王软件的系统开发过程。在画面加工上做的更美观，立体感更强。使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。相信以后在使用组态软件设计能够更全面，设计出更方便的实现监控和控制的功能，同时让我在使用编程技巧的熟悉度向前迈了一大步。

七、参考文献：

《过程控制工程》 孙洪程 李大宇 翁维勤编著 高等教育出版社 出版 《可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术》 郭宗仁 吴弈锋 郭宁明编著 人民邮电出版社 出版

《组态软件控制技术》 覃贵礼 吴尚庆编著 北京理工大学出版社 出版

《过程控制》 金以慧 编著 清华大学出版社 出版