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1 加热炉概述 (4)
1.1.1 加热炉控制技术发展与现状 (4)
1.2 加热炉燃烧过程简介 (5)
1.2.1 加热炉结构 (5)
1.2.2 连续加热炉装料与出料⽅式 (6)
1.2.3 连续加热炉⽓流的组织 (7)
冷气机组1.3加热炉燃烧的节能降耗 (8)
1.3.1⼯艺降耗 (8)装饰工艺画
1.3.2 加热炉控制降耗 (9)
2 加热炉燃烧控制策略 (11)
2.1 加热炉燃烧⼯艺要求及控制难点 (11)
2.1.1 炉⼦总体设计思想 (11)
2.1.2 加热炉燃烧⼯艺要求 (11)
2.1.3 加热炉燃烧控制难点 (12)
2.2 加热炉燃烧控制⽅案 (13)
2.2.1 PID算法选择 (14)
2.2.3 压⼒的控制⽅法 (17)
2.3仪表的选型 (19)
2.3.1 检测元件的选型 (19)
2.3.2 测温元件 (20)
2.3.3 压⼒测量元件 (20)1-甲基环己醇
2.3.4流量测量元件 (21)
2.3.5显⽰仪表 (23)
转移印花
2.3.6辅助设备选型 (23)
3 PLC控制系统的总体设计 (25)
3.1 PLC的基本结构及⼯作原理 (25)
3.2 PLC控制系统 (27)
3.2.1 PLC控制系统的设计 (29)
3.2.2程序设计 (31)
3.2.3 PLC控制实现的基本功能 (33)
4 加热炉燃烧控制系统的监控级 (34)
4.1加热炉控制系统总体结构 (34)
4.2监控软件及实现功能 (35)
4.2.1监控软件WinCC简介 (35)
4.2.2监控级实现的基本功能 (37)
结束语 (39)
参考⽂献 (40)
1 加热炉概述
1.1 加热炉控制技术的理论研究状况
1.1.1 加热炉控制技术发展与现状
在20世纪60年代以前，加热炉除了配置炉温、炉压、燃料和空⽓设备等监测仪表外，还设置有炉温、炉压、燃烧量、空⽓量等重要控制参数的PID调节器。以经典控制理论为依据，可实现单个参量的⾃动调节，也可以进⾏⼈⼯距离控制。
随着冶⾦⽣产技术和⼯艺设备的不断发展，以及微型电⼦计算机和可编程控制器的出现和迅速的改进更新，加热炉的控制⽔平也获得了迅速发展。70年代以前，加热炉⾃动控制的研究⼯作主要集中在燃烧控制上，70年代后，燃烧控制已趋于成熟，研究重点转移到以追求加热炉某种性能指标的优化控制⽅⾯。从发展顺序和控制⽔平两个⽅⾯进⾏归纳和总结，轧钢连续加热炉的控制⽔平可分为以下3个层次：
1、以提⾼燃料使⽤效率、维持合理空燃⽐为⽬的，实现燃烧过程的基础⾃动化控制，即以炉温和炉压为控制对象的基础燃烧控制系统；
2、以优化钢坯加热过程本⾝为⽬标，实现炉温或者燃耗量的过程⾃动控制，即以钢温为控制对象的数模优化控制系统；
3、以协调优化整个⽣产系统为⽬标，实现加热⼯段的计算机⾃动化⾼度管理，即以全系统最优为控制⽬标的监督控制系统。
1.1.2实现优化燃烧需要解决的问题
加热炉的加热过程是⼀个⼤滞后、⾮线性、耦合强的复杂⼯业过程，难以建⽴精确的数学模型，但是可以将整个过程分解为多个单回路来进⾏控制，如炉温回路、炉压回路、燃料流量、压⼒回路等，利⽤传统的控制⽅法基本上可以使每⼀个单回路获得满意的控制性能。但是⽬前存在的问题是如何给出控制回路尤其是炉温回路设定值，使得加热过程最终的控制效果既达到⼯艺指标的要求，⼜达到经济指标（能耗最⼩）的要求。
在采⽤加热炉燃烧控制过程中，必须注意加热炉的可控制性问题，包括合理的加热炉结构，风、油(⽓)管路配置，烟囱的抽⼒，助燃风机的压⼒和流量，烧嘴的燃烧能⼒等⼯艺设备条件；各段炉温与燃耗，风量检测与调节，煤⽓温度的检测及热风放散等环节必要的仪表配置等。
1. 温度的检测与控制
它包括炉内各点温度的检测与控制、温差调节、风温及废⽓温度的控制、被加热物体表⾯及中⼼温度的预测等。⽬前⼀般加热炉的温度都在1500℃以下，⽤热电偶或红外⾼温仪均能检测，⽤常规仪表也能实现温度的单回路调节。
2. 炉压检测与控制
⽬前有许多仪表⼚都有成套仪表⽤作与计算机配套，实现炉压的单回路调节及综合⾃动控制。
3. 空⽓、燃料最佳配⽐⾃动控制
加热炉的节能的关键在于实现最佳燃烧，最佳燃烧的关键在于⾃动寻并跟踪合适的空⽓、燃料配⽐。但是燃料的发热值以频繁⼤幅度地波动，⽽且发热值⼜难于在线检测，要实现⾃动控制难度很⼤。⼤风量产⽣过多的废⽓，由冷风到加热成1000℃的废⽓排出，需要消耗⼤量的热能，废⽓带⾛的热损失约占20%左右。另外，还会使空⽓中的氮，硫等氧化物增加，从⽽污染环境。过燃料操作则会燃烧不完全，造成冒⿊烟，降低热效率和环境污染等危害。
1.2 加热炉燃烧过程简介
1.2.1 加热炉结构
连续式加热炉结构简图如图1所⽰
图1 连续式加热炉结构简图
连续式加热炉⼴泛应⽤于冶⾦⾏业的各个企业，是轧钢⾏业中重要的⼯艺⽣产设备之⼀。钢坯由炉尾装⼊，边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过出钢⼝出炉，再沿着辊道送往轧钢机。连续加热炉的⼯作是连续的，料坯不断地进⼊，加热后不断地排出。在炉⼦稳定⼯作的条件下，炉内的各点的温度可以试为不随时间⽽变，属于稳定态温度场，炉膛内传热可近似地当作稳定态传热。但⾦属内部热传导则属于不稳定态导热。
具有连续加热炉热⼯特点的炉⼦很多，从结构、热⼯制度等⽅⾯看，连续加热炉可按下列特征进⾏分类[8]：
1.按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。
可调式电热板2.按被加热⾦属的形状可分为：加热⽅坯的、加热板坯的、加热圆管坯的、加热异性坯的。
3.按所⽤燃料和煤⽓的预热⽅式可分为：使⽤固体燃料的、使⽤重油的、使⽤⽓体燃料的、使⽤混合燃料的。
4.按空⽓和煤⽓的预热⽅式可分为：换热式的、蓄热式的、不预热的。
5.按出料⽅式可分为：端出料的和侧出料的。
6.按物料在炉内运动的⽅式可分为：推送式连续加热炉、步进式炉、辊底式炉、转底式炉、链式炉等。
此设计中连续加热炉炉膛内采取多点供热以控制炉温。钢坯或钢锭由炉尾推⼊后先进⼊预热段缓慢升温，然后再进⼊加热段迅速把钢料表⾯的温度加热到出钢所要求的温度，经过加热段后，钢料内外温度还有较⼤的偏差，最后进⼊温度较低的均热段进⾏均热，这时，钢料表⾯的温度不再升⾼，钢料内外的温度逐渐地趋于均匀。加热炉在保证安全运⾏及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑⾼效及经济的燃烧。当加热炉控制系统的负荷及燃⽓的质量等因素发⽣波动时，如何采⽤合理有效的控制策略，使加热炉内的炉膛温度、炉膛压⼒、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉⼯作在最佳燃烧区内，提⾼产品质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁⽪、降低对环境造成的污染等。
1.2.2 连续加热炉装料与出料⽅式
连续加热炉装料与出料⽅式有：端进端出、端进侧出和侧进侧出⼏种，其中主
要是前两种，侧进侧出的炉⼦较少见。⼀般加热炉都是端进料，料坯的⼊炉和推移都是靠推送机构进⾏的。推送式加热炉的长度受到推送⽐的限制，所谓推送⽐是指料坯推移长度与料坯厚度之⽐，推送⽐太⼤会发⽣拱料事故。其次，炉⼦太长，推料的压⼒⼤，⾼温下容易发⽣粘连现象。⼀般原料条件时⽅坯的允许推料⽐可取200—250，板坯取250—300。如果超过这个值，就采⽤双排料或两个炉⼦。但如果料
坯平直，圆⾓不⼤，摆放整齐，炉底清理及时，推料⽐也可以突破这个数值。
1.2.3 连续加热炉⽓流的组织
连续加热炉内⽕焰的组织与燃烧装置的型式、和炉内压⼒的⼤⼩与分布有关。炉膛压⼒的分布对连续加热炉热⼯的影响很⼤，直接关系炉膛温度分布、料的加热速度和加热质量。由⽓体静⼒学原理可知，如果炉膛内保持正压，炉⽓⼜充满炉膛，对传热有利，但炉⽓将由装料门向出料门等处逸出，不仅污染操作环境，并造成效能的损失。反之，如果炉膛内为负压，冷空⽓将由炉门被吸⼊炉内，降低了炉温，对传热不利，并增加了炉⽓中的氧含量，加剧了料的烧损。所以对炉压的控制基本要求是在
出料端炉底平⾯保持压⼒为零或l0～20Pa的正压，这样炉⽓外逸和冷风混⼊的危害可减到最低限度。炉压沿炉长的分布是由前向后递增，总压差⼀般为20～40Pa（如图2）造成这种压⼒递增的原因，是由于烧嘴射⼊炉膛内的流股的动压头转变为静压
头所致。炉膛内压⼒的调节⼿段，⼀是靠烧嘴的射流，射流的动量越⼤，炉压越⼤。炉顶烧嘴轴向的动量很⼩，向下递增的压⼒分布⼜恰好抵消了热⽓体造成的垂直⽅向的压差，这种炉⼦沿炉长的压⼒分布很均匀。炉压调节的另⼀⼿段是依靠烟道闸板，降低闸板时增加烟⽓在烟道内的阻⼒，炉内压⼒将升⾼，提起闸板时烟道阻⼒减⼩，抽⼒增⼤，炉内负压增加。由于炉⼦热负荷在不断变动，废⽓量也在相应地变化。要保持炉内压⼒稳定，就要及时调整烟道闸板。但在没有实现炉腔压⼒⾃动调节的炉⼦上，不能及时以压⼒为控制参数调整烟道闸门。炉压的波动也影响⽕焰的组织，压⼒增⼤时，⽕焰被拉向炉尾，使加热段⽆异于增长；反之，炉尾温度则较低，所以炉压的波动造成炉内温度分布的波动，不能保证炉温制度的稳定。
图2 连续加热炉炉底压⼒曲线
1.3加热炉燃烧的节能降耗
1.3.1⼯艺降耗
1.减少出炉废⽓从炉膛带⾛的热量
各类加热炉中，出炉废⽓从炉膛带⾛的热量占总热⽀出的30%-80%，是热损失中最主要的⼀项。在保证燃料完全燃烧的前提下，应尽可能减低空⽓消耗系数，以提⾼燃烧温度，减少废⽓量。但如果空⽓量不⾜，不仅燃耗不能降低，⽽且恶化了炉膛热交换。要注意炉⼦的密封问题，控制炉底压⼒在微正压⽔平，防⽌冷空⽓吸⼊炉内，增加炉⼦烟⽓量并降低燃烧温度。要控制合理的废⽓温度，废⽓温度越⾼，废⽓带⾛的热量越多，热效率越低。但废⽓温度太低，炉内的平均炉温⽔平降低，炉内热交换恶化，加热太慢，炉⼦⽣产率下降。因此正确的途径应该是保持有较⾼的⽣产率，合理的废⽓温度，⾄于废⽓所含的热量应采取回收的措施，以提⾼热效率降低燃耗。2.回收废热⽤以预热空⽓、煤⽓
炉⼦排出的废⽓所携带的热量，可以通过多种途径加以回收，其中最主要的是⽤以预热空⽓及煤⽓，因为等于把热量⼜重新带回了炉膛，可以直接提⾼炉⼦的热效率，降低燃料消耗量。从热能利⽤的⽅法看，也可以利⽤余热来⽣产蒸汽，供电或其他⽤途。
3.减少冷却⽔带⾛的热量
冷却⽔带⾛的热量，通常要占炉⼦热⽀出的13-15%，甚⾄更⾼。为了减少冷却
⽔带⾛的热量，采⽤的措施有：减少不必要的⽔冷却⾯积；进⾏⽔冷管的绝热包扎；采⽤汽化冷却；采⽤⽆⽔冷滑轨。
4.减少炉⼦砌体的散热
减少炉⼦砌体散热的主要措施是实⾏绝热。采⽤轻质耐⽕材料和各种绝热材料，可以有效地减少通过砌体传导损失的热。对于间歇操作的炉⼦，采⽤轻质材料还可以减少砌体蓄热的损失。
5.加强炉⼦的热⼯制度与调度
炉⼦燃耗⾼及热效率低往往不是技术⽅⾯的原因，⽽是管理与调度的不善造成的。例如炼钢铸锭与均热炉配合不好，降低了炉⼦的热装以及热锭温度。⼜如加热炉与轧机配合不好，钢坯在炉内待轧，也造成燃耗增加和热效率、⽣产率降低。因此，应使炉⼦保持在额定产量下均衡地操作，并实现各项热⼯参数的最佳控制。
1.3.2 加热炉控制降耗
影响燃料燃烧的影响因素很多，也直接或影响着能源消耗的多少。控制这些参数使之达到最佳控制将在很⼤程度上减少能源的消耗[8]。
1.控制空燃⽐变化：加热炉是轧钢⽣产线上的主要耗能设备。为降低能耗，增加经济效益，要尽可能地降低能耗。这就要求将
钢坯加热到符合轧制要求温度的同时，空燃⽐要合适。如果配⽐值过⼤，加热炉处于过氧燃烧状态，虽然燃烧充分，但过剩空⽓从烟道跑掉，同样造成热效率下降，热损失增加；⽽且，在过氧燃烧时，过量的氧和铁反应，使钢坯表⾯氧化铁⽪增加，浪费原料；同时，过量的氧和氮、硫发⽣化学反应，⽣成有毒的氮氧化物和硫氧化物，也将造成环境污染；如果配⽐值过⼩，由于燃烧空⽓量不⾜，加热炉处于缺氧状态，虽然表⾯上排烟热损失减少，但由于燃料不完全燃烧，烟⽓中CO、C的含量迅速升⾼，冒⿊烟，污染环境，热损失增加，热效率低。
2.控制炉膛压⼒：炉压的⾼低直接影响着炉⼦的热效率和成材率。如果炉压太⾼，炉⼦开⼝处向外喷⽕，热损失⼤，热效率低；反之，若炉压太低，炉⼦吸⼊冷空⽓，也降低了热效率。更值得注意的是，当冷空⽓吸⼊炉内后，使得炉内氧⽓升⾼，增⼤了钢坯氧化铁⽪的⽣成，使成材率降低，经济效益⼩下降。所以，必须控制炉膛压⼒，使得炉压保持微正压。从⽽节省了开⽀，降低了能源消耗。
3.控制空⽓、燃料流量：加热炉炉温的⾼低主要是由加热炉中空⽓、燃料混合物所产⽣的热量及其热
负荷的⼤⼩决定的。在⽣产中空⽓、燃料的流量及热负荷是随时变化的。在热负荷⼀定的条件下，如果空⽓、燃料的流量不稳定，将直接影响加热炉炉温的稳定，进⽽使燃料的消耗产⽣波动，造成不必要的消耗。当热负荷发⽣变化时，空⽓、燃料流量是否能够及时调整，将直接影响加热炉能源消耗的多少。预热空⽓可以改善燃烧条件，减少燃烧的不完全热损失，提⾼了炉膛内燃料的热利⽤率，⼤幅度的降低了燃料损耗。
4.控制拉钢速率：在加热炉的温度控制中，我们发现当拉钢速率增⼤时，出炉
钢温偏低，因此必须提⾼各段炉温设定值，使出炉钢温满⾜⼯艺要求；反之，提⾼
各段炉温设定值后，当拉钢速率变⼩时，出炉钢温⼜偏⾼，这不仅浪费燃料、增加
氧化烧损，⽽且容易造成粘钢现象。因此拉钢速率P参与加热炉温度控制势在必⾏。
5.控制残氧量：加热炉的控制中，最主要的是保证整个加热炉处于适当的炉温
设定值，使被加热的钢坯获得均匀的符合要求的温度分布；另外还要保证燃烧过程
处于合理的空燃⽐，从⽽起到节能降耗的作⽤。在加热炉内钢坯被加热的过程中，燃料燃烧释放出的热量除被钢坯吸收外，其余⼤部分的热量被冷却⽔和烟⽓带⾛，还有⼀部分是炉体散热和不完全燃烧
损失掉了，其中最主要的、可控的就是排烟损失。在燃烧过程中，空⽓过剩系数u的⼤⼩直接反映了加热炉的燃烧状况如图3所
⽰
图3 空⽓过剩系数和节能、污染的关系图
2 加热炉燃烧控制策略
加热炉的控制主要是对炉温的控制，炉温的控制是通过控制燃料、空⽓流量、炉膛压⼒来实现的。其中燃料、空⽓流量、炉膛压⼒控制统称为燃烧控制，也就成为了加热炉的主要控制部分。燃料流量控制即是根据被加热钢坯的设定温度要求，合理控制燃料供给，它要求系统要有良好的动态特性和控制精度。空⽓流量控制即是依据燃料供给情况以合适的空燃⽐向炉内供给空⽓，以实现最经济的燃烧，同样要求系统具备良好的动态特性和控制精度。炉膛压⼒控制即是通过引风调节使炉内外保持⼀个合理稳定的压差，它对节能和产品质量以及炉体寿命有很⼤影响。
2.1 加热炉燃烧⼯艺要求及控制难点
2.1.1 炉⼦总体设计思想
根据⼯艺要求，本设计采⽤SIMATIC S7-300系列PLC进⾏现场过程控制，⽤WinCC⼯控机进⾏上位监控。
炉⼦共37个检测点。分别为：10个炉温检测点，2个烟⽓温度检测点，1个炉压检测点，10个空⽓、煤⽓分管流量检测点，10
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