内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
炉膛TCITHSI1I2LSF2CKF1C空气燃料
图3-3 单交叉限幅控制的检测流程图
图3-3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，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。也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。当系统中的炉膛温度降低时，温度控制器的输出IT增加(根据串级控制系统的要求，温度控制器应选用反作用式控制器)，这个增加了的信号不被低选器选中，而却被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。然后由于空气增加，使其变送器输出增加，也就使I2开始增加。因此时
I2＜IT，I2被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。这一过程保证在增加燃料且前，先加大空气量，使燃烧完全。整个提量过程直至IT＝I1=I2时，系
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统又恢复到正常工况时的稳定状态。当系统中的炉膛温度升高时，温度控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。燃料量降低，经变送器的测量信号被高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。降量过程直至IT＝I1=I2，系统又恢复到稳定状态。这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求[2]。
单交叉限幅保证了焦炉煤气在正常工况条件和异常工况波动条件下,都能稳定的与空气保持一定偏差范围内的比例,并以焦炉煤气流量为主控变量,以空气流量为从动变量,实现了燃烧过程的经济性和合理性要求[11]。 3.1.3 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。它是生产过程控制中应用最为广泛的一种控制系统[2]。
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_压力控制器控制阀压力对象压力变送器
图3-4 炉膛压力控制系统方框图
3.2 检测元件的选择
3.2.1 温度检测元件
炉膛测温热电偶是系统的主要检测元件。考虑测温的准确可靠和反应灵敏，而且预
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热段温度为750℃～1100℃，加热段的温度为1250℃～1300℃，均热段的温度为1150℃～1250℃，所以采用镍铬—镍硅热电偶(K型) ，这是一种使用面十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.2—2.5mm，它的测温范围为-270℃～1372℃。由于钢坯在加热炉设备上干燥，加热炉的三段温度都在其测温范围之内，所以使用K型热电偶。它的热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可以满足加热炉的温度要求，并且可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度。K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且线性好，价格便宜等优点，虽然测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求[3]。 3.2.2 流量检测元件
作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管，空气流量测量采用标准孔板配电容式差压变送器。电容式差压变送器是没有杠杆的变送器，它采用差压电容为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，而且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。因此，仪表结构简单，性能稳定、可靠，具有较高的温度。考虑到使用的燃料即焦炉煤气中含有焦油、萘、氨、硫化物和氰化物等杂质，若使用流量孔板，则取压孔易堵塞，杂质附着在孔板上，影响测量的准确性。
漩涡式流量计是按流体振荡原理，应用强迫振荡的漩涡旋进原理进行流量检测的。这种检测方法的特点是管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小，测量精度高(约为?5％～1％)，量程比可达100：1，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定，尤其适用于大口径管道的流量测量。因此，设计选用漩涡式流量计测量煤气流量[3]。 3.2.3 压力检测元件
压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为四类：液柱式压力检测、弹性式压力检测、电气式压力检测、活塞式压力检测。根据步进式加热炉的工艺，选用弹性式压力检测的方法来检测炉膛压力比较适合。弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。弹性元件在弹性限
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度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。目前，用作压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。本设计选用弹簧管压力表配压力变送器来检测炉膛压力，弹簧管压力表是一种指示型仪表，结构简单、使用方便、价格低廉，它的使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表的精度等级最高为0.15级。由于步进式加热炉炉膛压力需控制在5～20Pa，属于微正压，所以选用弹簧管压力表[3]。
3.3 执行器的选择
执行器接受来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构(调节阀)，改变控制量。使被控参数符合预期要求。
执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构系指产生推力或位移的装置，调节机构系指直接改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀[22]。 3.3.1 执行机构的选择
执行机构的选择主要是对气动执行机构、电动执行机构和液动执行机构的选择，根据能源、介质的工艺要求、安全、控制系统的精度、经济效益及现场情况等多种因素，综合考虑选用哪一种执行机构。气动执行机构具有结构简单、工作可靠、价格便宜，维护方便和防火防爆等优点。由于所使用的燃料即焦炉煤气具有易燃、易爆的性质，所以设计中的执行器都选用气动执行器，不仅可以降低生产成本，使用方便，而且能够有效地防火防爆，降低发生意外事故的概率。
气动执行机构接受电/气转换器(或电/气阀门定位器)输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。气动执行器是以压缩空气为动力能源的，它接受调节器的输出控制信号，通过气缸或膜片带动阀门连杆动作，以调节被控介质（如液体、气体和蒸汽等）的流量，将被控变量控制在系统要求的范围内。
气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行机构均属薄膜式，它的特点是结构简单、价廉，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。活塞式的持点是行程长，但价格昂贵，只用于特殊需要的场合。设计中选用薄膜式气动执行机构。
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3.3.2 调节机构的选择
生产过程中，被控介质的特性千差万别，有高压的，高粘度的，强腐蚀的；流体的流动状态也各不相同，有的流量小，有的流量大；有的是分流，有的是合流。因此，必须根据流体性质、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性来最终确定合适的结构形式。
调节机构又称控制阀（或调节阀）。它和普通阀门一样，是一个局部阻力可以变化的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变，从而达到调节工艺变量的目的。
根据不同的使用要求，调节阀的结构型式很多，主要有以下几钟：直通单座阀、直通双座阀、角形阀、三通阀、蝶阀、套筒阀、偏心旋转阀、高压阀。角形阀的阀体为直角形，其流路简单，阻力小，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物料流量的控制。一般使用于底进侧出，此种调节阀稳定性较好。在高压场合，为了延长阀芯使用寿命，可采用侧进底出。设计中所有的燃料阀和空气阀都选用角形阀。
烟道百叶窗的挡板以转轴的旋转来控制流体的流量。它由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部件组成。其结构紧凑、成本低、流通能力大、特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合，但泄漏量较大。由于设计中控制炉膛压力的烟道百叶窗的流通量大，压差比较低，大口径，而且一定的泄漏量对炉膛压力的控制没有多大影响，所以设计中控制炉膛压力选烟道百叶窗。
控制阀是控制系统的执行部件，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀选择得合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀。反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小，则称之为气闭阀[2]。
对于一个具体的控制系统来说，究竞选气开阀还是选气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。(1)首先要从生产安全出发。信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制网膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态(气开阀回复到全闭，气闭阀回复到全开)，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。(2)从保证产品质量出发。当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时要保证产品的质量。(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。(4)从介质的特点
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基于PLC与DCS的步进式加热炉控制系统设计本科毕业设计论文
