第二章 控制方案设计
本设计硬件系统将采用西门子s7-300来实现，软件系统将利用Win CC系统来实现,下面详细介绍硬件系统。 2.1 控制方案
步进式加热炉的热工制度主要包括:温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。 根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入喷嘴，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量；炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气、煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。对于炉膛压力，采用单回路控制，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，达到控制炉膛压力的目的。 2.1.1 燃料燃烧的控制系统设计
双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路而构成[2]。
双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干扰的影响，使燃料流量变得比较平稳。通过比值控制副流量即空气流量也将比较平稳。这不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要特点。另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值，就可以提降燃料流量，同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常
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需要提降负荷的场合，实用性强。设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下：
给定流量控制器1控制阀1燃料对象-流量变送器1K流量控制器2控制阀2空气对象-流量变送器2 图2-1 燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图
2.1.2 炉温的控制系统设计
在步进式加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费了燃料并污染了环境。所以为了控制温度，工艺上不但要求燃料量与空气量成一定的比例，而且要求在温度发生变化时，燃料与空气的提降量有一定的先后次序，以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。本设计采用单交叉限幅控制，即以炉内温度为主环，空、煤气为副环的串级炉温控制回路。
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。在这个设计中，主控制器是温度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空气控制器，这要依据提降时的先后顺序而定。一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，在该系统中主参数温度是一个定值，工业上要求步进式加热炉预热段温度为750℃～1100℃，加热时间15～30分钟；加热段的温度为1250℃～1300℃，加热时间40～60分钟；均热段的温度为1150℃～ 1250℃，保温时间20～30分钟；连铸冷坯料、模铸冷坯料的总加热时间为90～120分钟；因此，主环是一个定值控制系统。而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。设计的炉温与流量的串级控制系统方框图如图2-2。
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温度控制器--流量控制器1 流量对象温度对象流量变送器1温度变送器图2-2 炉温与流量串级控制系统方框图
加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的。温度控制器根据实测温度，按照PID控制策略，产生一个输出。该输出作为煤气控制器和空气控制器的设定值，去控制煤气和空气流量。温度控制器与煤气流量控制器或空气流量控制器构成一个串级控制系统。其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器或空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。
在控制炉温的过程，当炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量，当炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气煤气交叉控制，以保证燃料的完全燃烧。而完成具有逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS、低选择器LS。炉温的单交叉限幅控制的检测流程图如下：
炉膛TCITHSI1I2LSF2CF1CK空气燃料
图2-3 单交叉限幅控制的检测流程图
图2-3所示为“串级和比值控制组合的系统，由炉膛温度与燃料、空气流量的串级控制系统和燃料与空气的流量比值控制系统相组合。完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS、低选择器LS。在正常工况下，
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即系统处于稳定状态时，温度控制器的输出IT，等于燃料流量变送器的输出I1，也等于空气流量变送器的输出I2。 2.1.3 炉膛压力的控制系统设计
单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此又称为简单控制系统。单回路控制系统虽然简单，却能解决生产过程中的大量控制问题。
单回路控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。炉内气体流动状况是炉膛压力的主要影响因素，而气体流动状况又受到烟道百叶窗的开度的直接影响。设计中对炉压的控制采用的是单回路控制策略，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，进而控制炉膛压力，炉压检测点位于出料端。设计的炉膛压力单回路控制系统方框图如下：
给定压力控制器—控制阀控制对象压力变送器
图2-4 炉膛压力控制系统方框图
2.2 控制规律的选择
控制器主要有三种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律、比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。
比例控制规律（P）的特点是：控制器的输出信号与输入信号(偏差)成比例，即阀门的开度变化与偏差变化有对应关系。它能较快地克服扰动的影响，过渡过程时间短。但是，纯比例控制器在过渡过程结束后仍然存在余差，而且负荷变化越大，余差也越大。只具有比例控制规律的控制器称为比例控制器。比例控制规律是最基本的控制规律，它既可以单独采用，又可以与其他控制规律结合在一起用，具有结构简单，整定方便的优点。比例控制器适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量允许在一定范围内有余差的场合。
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比例积分控制规律(PI)的特点是：控制器的输出不仅与偏差的大小成比例，而且与偏差存在一定的函数关系。具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。例如，流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器。
比例积分微分控制规律(PID)的特点是：在增加了微分作用后，控制器的输出不仅与偏差的大小和存在的时间有关，而且还与偏差的变化速度成比例，这就可以对系统小的容量滞后起到超前补偿作用，并且对积分作用造成的系统不稳定性也有所改善。把具有比例、积分、微分控制规律的控制器称为PID控制器，又称三作用控制器，比例积分微分控制规律综合了多种控制规律的优点，是一种比较理想的控制规律。
根据工艺的要求和控制规律的特点，从串级控制系统的结构看,主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。温度是主变量，为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用，它的控制通道时间或容量滞后较大、负荷变化大、对控制质量要求较高，在这种情况下，为保证主变量的控制精度，故温度控制器应选用比例积分微分控制规律(PID)。然而副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速、精确地跟随主控制器的输出而变化，副控器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢，当选流量作为副参数时，为保稳定，P较大，可引入积分，即采用PI，以增强控制作用；副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度地变化，这对控制也是不利的。只有当副对象容量滞后较大时，可适当加一点微分作用。所以在串级控制系统中的流量控制器即副控制器需要采用比例积分控制规律（PI）。
在比值控制系统中流量的控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差，所以流量控制器应选用比例积分控制规律(PI)。
在炉膛压力单回路控制系统中压力调节通道滞后较小、负荷变化不大，控制要求不高，被控变量只要控制在微正压即可，允许它在一定范围内有余差，所以压力控制器应选用比例控制规律（P）
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基于PLC的加热炉控制系统设计文献综述张志兵
