转底式加热炉控制系统的设计与应用研究

摘要

转底式加热炉（rotary hearth furnace），简称转底炉，是指炉顶与炉墙不动，炉底转动将被加热坯料送进的机械化加热炉。一方面，转底炉作为环保用途，可用于处理钢铁冶炼中产生的粉尘，回收其中的铁、锌等元素，在减轻环境压力的同时获得经济效益；另一方面，转底炉具备实现直接还原铁工艺的条件，该工艺是非高炉炼铁技术的一种，其原料广泛，生产过程环保，一旦技术成熟，可以有效减轻我国对高炉冶炼的依赖，缓解目前钢铁行业面临的焦炭供应、能源短缺、环境污染等一系列问题。
　　本文以重庆中冶赛迪与某钢铁集团合作修建的转底炉为研究对象，该项目用于铁直接还原工艺的实验与研究。
　　论文首先扼要介绍了转底炉的工艺流程及控制需求，将控制系统划分为电气及仪表控制两个部分。针对仪表控制系统，介绍了其仪表检测与控制内容，并提出了主要控制策略；针对电气控制系统，介绍了主要的电气设备，根据实验需要分析了对控制的具体要求。
　　其次，针对本项目中仪表控制系统的难点问题，即对炉温控制的需求，详细介绍了串级双交叉限幅控制系统的设计与应用；对现有双交叉限幅控制方法的优缺点进行了深入分析，并针对实际应用中的需求，提出了一种动态空燃比的变偏置双交叉限幅控制方案。
　　然后，介绍了控制系统整体结构、核心硬件的选型与系统通讯网络结构，简述了上位组态监控软件以及下位PLC编程软件的特点；采用模块化编程的方法，编写了各仪表控制回路、主要电气设备的控制程序，并给出了主要程序的设计思路及流程图；根据现场的实际需求，使用组态软件GENESIS64设计了上位监控系统，并对其特有的全3D组态画面的设计做了详细介绍，分析了该软件实际应用中的优势与不足之处。
　　最后，给出系统实际运行时现场采集的主要工艺参数数据，总结了现场实施时出现的不足，对后续的研究工作做出展望。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 转底式加热炉发展概况

1.3 加热炉控制技术研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 转底炉工艺及控制需求

2.1 项目概况

2.2 转底炉工艺流程

2.3 仪表控制系统

2.4 电气控制系统

3 控制系统总体架构

3.1 通讯网络结构

3.2 核心硬件选型

3.3 软件开发平台

4 炉温控制策略及难点分析

4.1 串级控制

4.2 双交叉限幅控制

4.3 双交叉限幅改进方案

5 L1级控制系统实现

5.1 编程语言

5.2 主要控制程序

5.3 信号处理

5.4 炉温控制及实现

5.5 炉压控制及实现

5.6 物料系统控制及实现

5.7 燃烧系统安全连锁控制

5.8 HMI报警设定

6 上位监控系统设计

6.1 组态软件概述

6.2 监控界面设计

6.3变量记录配置

6.4 变量报警配置

6.5 权限管理方案设计

6.6 总结与探讨

7 现场实施与炉温控制效果分析

8 总结与展望

8.1 主要内容总结

8.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录