（控制理论与控制工程专业论文）热风炉燃烧智能控制系统研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：垫璺竺竺竺里堕竺型墨竺! 窒 作者： 魏浩 单位： 单位： 单位： 内蒙古科技大学 ， - i 热风炉燃烧智能控制系统研究 t h er e s e a r c ho fc o m b u s t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi nh o t s t o v e s 研究生姓名：魏浩 指导教师姓名：李忠虎 内蒙古科技大学信息学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：w e ih a o s c h o o lo f i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：乏堑生左 日期： 碰：2 亟：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：趣盗一导师签名：域日期：丝丝：之：兰三 内蒙古科技人学硕+ l ：论文 摘要 热风炉是炼铁生产的重要设备之一，它具有风温高、投资少和易维护等优点，近年来， 热风炉技术不断发展，热风炉风温控制水平也有了明显的提高，对高炉冶炼具有非常重要的 意义。 本文以与高炉配套的3 座蓄热式热风炉为背景，结合蓄热式热风炉的工艺流程和控制要 求，提出并设计了热风炉控制系统的总体方案。介绍了采用s i e m e n s 的p c s 7 过程控制系统， 并通过对现场控制点数的分析，确定了过程控制站和远程控制站相关模块的选择。设计了由 p c s 7 组成的高炉热风炉控制系统。 主要针对热风炉燃烧过程的温度动态变化和不易实现实时控制的特征，重点研究了热风 炉的燃烧控制方法。在分析模糊控制的原理及其分类的基础上设计了模糊控制器，完成了热 风炉燃烧智能控制系统的设计，并与p i d 控制效果进行了仿真对比。 另外，根据热风炉工艺对计算机监控系统的要求，以组态软件w i n c cv 6 0 为开发工具， 设计了热风炉系统的监视与控制画面，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史 数据归档功能、异常信号报警功能、现场操作指导功能和对生产过程的控制功能等。 关键词：热风炉；模糊控制；以太网：p l c ；监控系统 一i 内蒙古科技大学硕士论文 a b s t r a c t h o ts t o v ei so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g , i th a s ah i 曲h o ta i r t e m p e r a t u r e ，t h ea d v a n t a g e so fl o wi n v e s t m e n ta n de a s ym a i n t e n a n c e i nr e c e n ty e a r s ，h o ts t o v e t e c h n o l o g yc o n t i n u e st od e v e l o p ，h o ts t o v e sl e v do ft e m p e r a t u r ec o n t r o lh a sb e e ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d ，i tg r e a ti m p o r t a n tf o r i r o ns m e l t i n gi nb l a s tf u r n a c e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h r e eh o ts t o v e , c o m b i n eh o ts t o v er e g e n e r a t i v ep r o c e s sa n dc o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，p r o p o s e da n dd e s i g n e das t o v ec o n t r o ls y s t e mo ft h eo v e r a l lp r o g r a m t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h es i e m n sp c s 7p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h r o u g ho n - s i t ea n a l y s i so fc o n t r o l p o i n t s i d e n t i f i e dt h ep r o c e s s c o n t r o l l e r sa n dr e m o t ec o n t r o l l e rm o d u l er e l a t e do p t i o n s d e s i g n c o m p o s e db yt h ep c s 7c o n t r o ls y s t e mo fh o tb l a s tf u r n a c e t a r g e t e da tt h et e m p e r a t u r eo fh o tb l a s ts t o v ec o m b u s t i o nd y n a m i c sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f h a r dr e a l t i m ec o n t r 0 1 f o c u s e so nt h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mo fh o ts t o v e s i nt h ea n a l y s i so f f u z z yc o n t r o la n dc l a s s i f i c a t i o nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo faf u z z yc o n t r o l l e r , c o m p l e t et h ed e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi nh o ts t o v e ，a n dc o m p a r e dw i t hp i d c o n t r o lw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h eo t h e rh a n d ，u n d e rt h eh o ts t o v et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so nt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e m ，u s ew i n c cv 6 0c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et o o l sf o rt h ed e v e l o p m e n t ，d e s i g n i n gt om o n i t o ra n d c o n t r o ls c r e e no fh o ts t o v es y s t e m t h es y s t e mw i t had y n a m i cp r o c e s sd a t ao n s i t em o n i t o r i n g f u n c t i o n s ，h i s t o r i c a ld a t aa r c h i v i n gf u n c t i o n ，a b n o r m a ls i g n a la l a r mf u n c t i o n ，o n - s i t eo p e r a t i o ng u i d e f u n c t i o na n dp r o c e s sc o n t r o lf u n c t i o n s k e y w o r d s ：h o t - b l a s ts t o v e ，f u z z yc o n t r o l ，e t h e rn e t , p l c ，m o n i t o rs y s t e m 内蒙古科技人学硕i ：论文 目录 、 摘要1 a b s t r a c t i l 弓i言1 1 绪论2 1 1 热风炉控制系统研究现状及存在问题2 1 1 1 国内现状2 1 1 2 国外现状4 1 2 热风炉燃烧智能控制系统的研究目的和意义s 1 3 本文主要工作及内容安排6 2 热风炉结构及工作原理7 2 1 热风炉的结构组成7 2 2 热风炉的工作原理9 2 3 热风炉燃烧制度及控制方式1 0 2 3 1 热风炉燃烧制度1 0 2 3 2 热风炉燃烧控制方式1 1 3 热风炉燃烧控制系统总体设计1 3 3 1 控制系统总体结构1 3 3 2 硬件系统1 4 3 2 1 上位机1 4 3 2 2 控制系统p l c 的硬件构成1 5 3 2 3 控制系统的通迅方案1 8 3 3 软件系统1 9 3 3 1p l c 项目设计过程1 9 3 3 2s t e p 7 的主要程序块1 9 3 3 3p l c 的网络组态图。2 0 3 3 4 程序设计2 l 3 3 5 自动换炉程序f c 2 0 的编程思想2 2 4 热风炉燃烧智能控制系统设计2 6 4 1 智能控制理论概述2 6 4 1 1 模糊控制的基本原理2 6 4 1 2 模糊控制器设计的基本方法2 7 4 1 3 常用的模糊控制器类型3 2 4 2 热风炉燃烧智能控制系统设计3 3 4 2 1 快速燃烧期控制策略3 5 4 2 2 蓄热期控制策略。3 7 4 2 3 切换控制器的设计4 0 4 3 仿真研究4 2 内蒙古科技人学硕i ：论文 4 3 1 热风炉蓄热期拱顶温度p i d 控制仿真研究4 2 4 3 2 热风炉蓄热期拱顶温度模糊控制仿真研究4 4 4 3 3 蓄热期拱项温度模糊自整定p i d 控制仿真研究4 5 4 3 4 热风炉蓄热期废气温度模糊控制仿真研究5 0 5 热风炉监控系统设计5 4 5 1 工业监控组念软件w in c c 概述5 4 5 2 热风炉检测及控制参数s 6 5 3 上位机监控系统设计5 7 5 3 1w in c c 运行密码保护5 7 5 3 2 热风炉过程检测变量5 8 5 3 3 热风炉监控画面设计6 2 结论6 6 参考文献6 7 附录ap l c 功能块6 9 在学研究成果7 4 致 谢7 s ， i 内蒙古科技人学顾l j 论文 引言 高炉炼铁生产是冶金( 钢铁) 工业最主要的环节n 1 。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续 生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并 从位于炉子下部沼炉周的风口吹入高温热空气。 热风炉是为高炉加热鼓风的设备，它的作用是把冷空气加热到要求的温度，它是按“蓄 热式”原理工作的热交换器，即先用煤气燃烧后加热格子砖，再使空气通过炽热的格子砖被 加热送到高炉，为高炉冶炼提供还原铁所需的热量。热风炉由蓄热室和燃烧室组成，在燃烧 室利用燃料燃烧产生的气体来加热蓄热室的耐火砖的过程称为燃烧期；冷风经蓄热室耐火砖 加热至高温后送向高炉的过程叫做送风期。为保证高炉连续不断地得到大量的高温空气，每 座高炉配备了3 4 座热风炉轮流交替进行燃烧和送风。 高风温对高炉生产尤为重要，它是高炉所需热量的主要来源口1 。提高热风炉的送风温度可 以使高炉降低焦比，提高产量，从而节约焦炭，达到降低成本的目的。为了能够提高送风温 度，必须提高热风炉的拱顶温度和蓄热量，而提高拱项温度和蓄热量，又必须充分利用高炉 煤气燃烧产生的热能，加快传热，缩短烧炉时间。因此其是现代高炉不可缺少的重要组成部 分。 长期的理论研究和生产实践表明，提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风 管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。而优化热风炉结构、 提高热风炉热效率则是提高风温的有效途径。 风温的高低关键取决于热风炉的燃烧操作的好坏，由于煤气压力和热值是不断变化的， 为了达到最佳燃烧状态需不断调整空气和煤气的供给量，这就给热风炉烧炉操作带来一定的 难度和较大的劳动强度。因此，热风炉燃烧智能控制系统对于提高送风温度、节约能源至关 重要。 下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。 高炉热风炉是用于预热高炉用风的热交换装置，每座高炉设置3 - - 4 座热风炉轮流供应热 风。高温热风带入的热量是高炉生产的主要热源之一，因此提高风温对于强化冶炼，降低焦 比有着十分重要的意义。而满足其高风温条件下实现热风炉系统的全部自动化则尤为关键。 在早期换热式铁管热风炉中，风温只有4 0 0 c 左右；后来采用考伯式( c o w p e r ) 内燃蓄热式格 子砖热风炉，5 0 年代风温一般为8 0 0 左右，7 0 年代超过1 0 2 0 ，现在最高已达到1 3 5 0 。 高炉炼铁使用高风温是当今世界高炉炼铁技术的发展方向。据统计，热风温度每提高1 0 0 可降低焦比4 - - 一7 ，同时可增产3 - - 5 ，还可允许增加喷吹煤粉4 0 k g t 铁或增加喷吹 重油2 5 k g t 铁，相应地进一步降低焦比。随着氧煤强化炼铁新工艺的推广应用，高炉对高风 温的需要求也更加迫切，因此，热风炉在高炉生产中的地位越来越重要。 1 1 热风炉控制系统研究现状及存在问题 1 1 1 国内现状 近2 0 年以来，我国经济进入了高速发展的时期，高炉炼铁技术也取得了长足的进步，高 炉热风炉向大型化、多样化、高效化的发展趋势，使我们与世界先进水平的差距大大缩小， 同时，一大批炼钢及相关科技工作者开发出了一系列达到世界水平的具有自主知识产权的先 进技术，并填补国内外热风炉技术的空白，引起了世人关注。主要表现在：霍戈文式高风温 热风炉的引进、大型外燃式热风炉或大型外燃式热风炉加辅助小热风炉的组合、顶燃式热风 炉( 卡鲁金式顶燃式的引进、球式顶燃式、逆旋流顶燃式等) 、大型外燃式热风炉自身预热 式在大型高炉上的成功应用、高炉热风炉废气余热预热助燃空气和煤气技术及其附加加热换 热技术组合等等。所有这些，都取得了提高风温的实际成效。另外，热风炉设计结构的系统 优化，自主研发设计、制造不同类型的高炉热风炉，炉内交叉口都能采用自主设计的组合砖 制造和砌筑。高炉热风炉烘炉技术、凉炉与保温技术，耐火材料和耐火涂料的研发大大推动 了热风炉的技术成熟与发展。 在热风炉的理论研究方面，我国也取得了骄人的成绩。例如，计算机技术的广泛应用， 数值模拟仿真技术的开发，高效燃烧器及冷态、热态实验研究，冷风与热风分配技术也有我 国自己的专利，高炉热风炉燃烧、气体流动与传热过程三大理论的成熟。实现提高风温的主 要技术路线有：利用低热值煤气获得高风温的工艺方法、热工设备的组合、工艺技术材料优 化与创新。目前，我国国内也有入提出了1 4 0 0 c 超高风温的技术设想。 在我国已经得到广泛应用的高炉新技术的代表有：高炉煤气富化法、富氧燃烧法、高温 空气燃烧技术( h t a c ) 等。 高炉煤气富化法是自从2 0 世纪7 0 年代初期，我国的化工研究部门开始进行的研究。高 炉煤气富化法就是利用变压吸附技术脱离出高炉煤气中的c 0 2 、n 2 和h ：o ，提高c o 的浓度， 增加发热值的方法。目前已解决了相关系列关键技术，如合理的p s a 和v s a 流程；能在c 0 2 、 n 2 、c o 混合气中选择性地吸附c o ，在常用压或抽真空时，c o 能被吸出来的专用吸附剂已 被研制出来并已应用于工业装置。 另一种目前我国比较广泛应用的热风炉新技术是富氧燃烧法。热风炉使用高炉煤气 ( b f g ) 预热+ 转炉煤气( l d g ) + 空气预热技术，能达到1 2 5 0 c 风温。实践证明，使用富氧 烧炉后，减少了l d g 的使用量，高热值高富氧煤气使火焰温度升高，拱顶温度得到提高，废 气温度升高速度明显减缓。富氧烧炉火焰温度比燃烧l d g 时提高1 5 - - 一2 0 ，使热风炉拱顶 温度上升8 - 1 0 。富氧操作减少了人工干预，不但有利于燃烧状态的稳定，而且具有升温 速度快，有利于短时间送出高风温。热风炉富氧烧炉的实施，使热风炉技术上了一个新台阶。 高温空气燃烧技术( h t a c ) 是9 0 年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的相关技术h 1 。 其包括两项基本技术手段：一是燃烧产物产生的热量最大限度回收；二是燃料在低氧气氛下 燃烧。自1 9 9 6 年1 0 月在北京中国科技会堂召开的高温空气燃烧技术研计会上开始了第一次 与世界各地开展此项技术的交流，很快，诸如北京神雾、大连北岛等公司推出一系列蓄热式 热回收技术，应用于工业化生产。其特点是：( 1 ) 可直接使用纯高炉煤气进行工业加热；( 2 ) 空气和煤气能同时预热到1 2 0 0 1 2 ，系统排烟温度小于1 5 0 c ； ( 3 ) 节约能源7 0 1( 4 ) 增 加产量3 0 ：( 5 ) 热回收系统和燃烧系统与炉子融为一体；( 6 ) 减少环境污染，净化环境。 这种新技术已应用于在线加热炉、均热炉、热处理炉和其化工业炉窑，成为国家“九五重 点推广技术。 在对热风炉实现自动控制中，计算机模拟炉内传热过程的运算程序均假定冷静风与废气 的蓄室内的分布是绝对均匀的，这种假设影响了计算机的判断精确程度，对燃烧的自动调节 产生误差，影响了热风炉热效率。在2 0 世纪8 0 年代，由武汉冶金建筑研究所研制成功“热 风炉冷风均匀配气装置 ，其是由气流整流器和数个阻流导向板组成。气流整流器安装在冷 风入口的内侧，其作用是整流和均匀分流。这一技术已成功地应用于攀钢3 号高炉和鞍钢9 号高炉，取得了良好的效果。 3 一 内蒙古科技人学硕l ：论文 在引进外国新的热风炉技术方面，我国也有较大的尝试畸 6 | 。中国首钢2 号高炉热风炉 是引进荷兰的达涅康力斯公司开发的新型热风炉。其于2 0 0 2 年投产，设计热风温度为1 2 ，最高平均炉顶温度为1 4 0 0 c 。其采用独有的助燃空气预热技术，利用两座旧热风炉将 燃空气预热到6 0 0 c ，这些旧热风炉已由首钢成功地完成技术改造，热风温度在1 2 5 0 c 时 然有4 2 0 0 n m 3 m i n 的热风风量，并且该热风炉并没有任何富集的高炉煤气。 1 1 2 国外现状 目前，发达国家的高炉热风炉自动控制都包括完善的基础自动化和过程自动化，其中 程自动化主要是监控和设有投入热量和换炉等优化的数学模型睛j 1 。运行结果表明：热风炉 动控制可以提高风温、节约能源、提高热效率以及保护设备和延长热风炉寿命，从而提高 济效益。以下简述国外的主要热风炉技术应用。 同本山崎钢铁公司千叶厂5 号高炉热风炉的控制系统。控制系统包括热风炉自动换炉 化、热水准管理、拱顶温度和废气温度管理四个主要部分。热水准管理即送风炉的热水准到 零时就自动换炉，以节约燃料及提高热风炉效率。但热水准的计算较为复杂，而且各个炉的 炉况也并不是稳定的，所以其采用根据混风阀开度来判断是否换炉的方式来间接确认热水准。 热风炉使用模糊控制设定煤气流量。经实际运行显示，用此法能使温度管理范围下移到3 6 0 , - - - , 3 7 0 ，热效提高3 。 德国西门子公司主要采用的建立热风炉精确的控制模型来实现精确控制，以达到提高风 温的目的。其使用的热风炉优化数学模型有一个“热流计算模型”，该模型是首先把热风炉 的全部热损失，包括表面、换炉和废气的损失计算出来，再列出热风炉工作的循环流程，最 后求得每个循环的热效率。事实证表明使用其热风炉优化数学模型后，热风炉风温提高5 8 ，热效率提高1 - - 2 。 日本钢铁公司( 新日铁) 的热风炉气体流量设定使用的数学模型在我国宝钢l 号、2 号、 3 号高炉上得到实际的应用。该模型是针对燃用高炉煤气b f g ( 或b f g 与转炉煤气l d g 混 合的煤气b f g m ) 和焦炉煤气c o g 以及助燃空气的3 孔燃烧器的热风炉。模型的思想是对热 风炉进行燃烧管理和设备管理。燃烧管理是根据生产需要存储下次所送风需要的热量来计算 燃烧过程所需要的煤气量和空气量。设备管理是从热风炉设备安全管理的角度出发，对热风 炉最高温度部分( 拱项温度和炉箅子的温度) 进行管理，它通过控制高热值的c o g 与b f g 的混合比来控制拱项温度，在废气温度管理期，将b f g 的流量逐步减少，使废气温度和金属 箅温度不超过上限值。 日本住友金属公司小仓厂2 号高炉热风炉使用基于热平衡原理建立起来的数学模型，该 模型将热风炉沿高度分为4 0 段，其“投入热量控制系统”就是按分段模型及按混风阀开度和 出口风温来推断热水准，并利用热风准作为优化控制的根据，应用结果显示，采用该模型的 热风炉热效率提高1 6 ，送风终了时热风炉出口温度比手控时低约1 1 ，离散率降低6 7 。 内蒙古科技人学硕：l ：论文 鹿岛钢铁厂的热风炉也使用分段模型及多变量控制方式，实际运行表明，能提高热效率约1 ， 其它效果与小仓钢铁厂热风炉类似。而日本钢管公司浜厂1 号高炉的热风炉混合模型投入运 行后热效率提高1 4 。 1 2 热风炉燃烧智能控制系统的研究目的和意义 近年来，我国高炉风温水平有了显著的提高，2 0 0 5 年我国重点大中型钢铁企业高炉平均 风温为1 0 5 1 陋1 ，但这与国际先进水平相比仍偏低1 0 0 ( 2 1 5 0 ( 2 ，发展速度仍不能适应当前 炼铁技术的要求，与国际先进水平相比还有较大差距。要真正达到1 2 5 0 ( 2 以上的高风温仍需 要继续努力。 根据我国于2 0 0 4 年对全国5 4 个重点大中型钢铁企业高炉热风温度现状的调查，调查结 果如表1 1 所示。 表1 。l 国内钢铁企业热风炉风温现状统计表 在被调查的全国5 4 个重点大型钢铁企业共计1 3 3 座高炉中，风温超过1 2 0 0 只有9 座， 超过11 0 0 1 2 只有3 4 座，低于1 0 0 0 c 有2 2 座。总体来说，大型高炉风温水平高于中小型高炉。 要想达到1 2 0 0 ( 2 的高风温，则我有9 3 的高炉热风炉有待于进一步改进。 由表1 1 表可得出，达到1 2 0 0 1 2 风温的全部是大型高炉，而中小型高炉的风温在1 0 0 0 c 1 1 0 0 占了较大的比重。但是2 9 4 - 4 0 0 m 3 的中小型高炉在我国钢铁企业中占有相当的比重， 并且中小型高炉的风温普遍低于大型高炉1 0 0 2 0 0 。虽然高炉的大型化是未来发展的趋 势，但是我国的经济现状决定了我国中小型高炉在未来较长的一段时期内继续存在。因此， 对中小型高炉热风温度的研究仍然具有重要的意义。 在我国，中小型高炉热风温度低的原因是多种多样的，其中造成热风温度低的最普遍的 原因是中小型高炉热风炉采用的是手动操作控制煤气及热空气的量来烧炉的，由于煤气与热 空气的压力及热值的不稳定性，这种烧炉方式给操作人员带来了一定的难度和较大的劳动强 度，并且难以达到最佳烧炉状态。 因此，根据热风炉加热燃烧过程的控制特性，研究燃烧过程智能优化控制策略，开发出 能够实现燃烧智能控制的热风炉控制系统，能够解决人工操作而无法解决的热风炉的燃烧空、 5 内蒙古科技人学硕士论文 煤的最佳配比，能使热风炉的燃烧更具科学性、合理性、达到最佳的燃烧状态，最后达到提 高热风风温的目的，并且节省了煤气，降低了劳动强度。 1 3 本文主要工作及内容安排 本设计是以某钢厂3 2 0 m 3 高炉自动化仪表控制现状为基础，本着简单经济实用，满足生 产工艺控制要求的原则，在针对现有小高炉热风炉控制系统仍然采用人工操作的方式生产的 现实情况下，提出了中小型热风炉自动控制的解决方案。本文论述了热风炉燃烧智能控制系 统的实现理论基础，并采用多种控制技术，合理优化控制，满足高炉热风达到生产工艺的要 求。 文章主要从以下几个方面阐述热风炉燃烧智能控制系统的设计思想。 ( 1 ) 简单介绍了热风炉的结构组成与工作原理，分析了热风炉的生产工艺和自动控制系 统的运行状况；根据热风炉生产过程的实际要求，详细介绍了热风炉燃烧控制系统的总体设 计。即选择西门子p l c 设备与p r o f i b u s 、工业以太网构建热风炉控制系统的基础自动化部分。 ( 2 ) 介绍了模糊控制的概况、特点以及模糊控制器的设计方法。阐述了如何利用模糊控 制优化方案来实现热风炉燃烧智能控制；分析热风炉的燃烧过程，指出了快速燃烧制度的优 点；根据普通二维模糊控制器的缺点，提出了利用带修正因子的热风炉蓄热期燃烧模糊控制 器来实现蓄热期的废气温度管理。 ( 3 ) 根据拱顶温度的控制特点，分析了p i d 控制、普通模糊控制的优点及存在的问题， 并采用两种控制方式结合的方法，设计了模糊p i d 控制器对拱顶温度进行管理，并进行了仿 真研究；根据废气温升曲线的特点，考虑到影响废气温度上升速度稳定的因素，设计了参数 自整定的模糊控制器，并进行仿真研究。 ( 4 ) 根据热风炉工艺和计算机监控系统的要求，利用w i n c ev 6 0 软件设计了计算机监 控系统。 本文章节安排如下： 第一章为绪论，讲述热风炉在钢铁工业生产中的作用，阐述了最近十几年国内外热风炉 技术的发展情况以及所遇到的问题。 第二章主要介绍热风炉的基本结构、工作原理、操作制度、燃烧原理及热风炉的燃烧控 制方式。 第三章讲介绍热风炉燃烧控制系统的总体结构，具体包括硬件系统和软件系统。 第四章以模糊控制理论为基础，设计了热风炉燃烧智能控制策略，并进行了仿真研究。 第五章主要阐述热风炉监控系统的设计。 - 6 - 内蒙古科技人学硕：l 论文 2 热风炉结构及工作原理 在钢铁企业，热风炉是高炉炼铁生产中的重要设备之一，它为高炉提供的热风热量约占 炼铁生产耗热的三分之一，它消耗的高炉煤气约占高炉产生的煤气量的4 0 ，因此，提高热 风炉的热效率对降低能耗具有重要的现实意义口1 。 。 2 1 热风炉的结构组成 现代热风炉是一种蓄热式热交换器乜副。图2 1 为内燃蓄热式热风炉，炉内分成燃烧室( 又 称火井) 、蓄热室两个主要部分，两室由耐火砖隔墙分开。燃烧室是燃烧的通道；蓄热室内充 填格子砖作为贮热体，格子砖有若干垂直的孔道即格孔，目前使用的格子砖主要是整体穿孔 砖，板状砖很少使用，格子砖由下边用铸铁炉箅子和支拄撑托。图2 1 为热风炉的结构示意 图。 图2 1热风炉结构示意图 l 一- 拱顶；2 炉壳；3 一内衬；4 一蓄热室；5 一隔墙；阱箅子及支柱l7 一冷风管道；8 - 冷风阀；蝴道阀； l 气管道；l l 煤气阀；1 2 燃烧器；l 风管道；l 风阀；1 5 燃烧室 热风炉的工作过程是燃烧一送风燃烧的重复过程，蓄热室的格子砖是热量传递的 载体，它在燃烧期吸收废气热量，送风期又将热量传递给冷空气，从而加热冷空气。燃烧初 图2 2 热风炉系统工艺流程 冷风管道 热风炉的操作方式以全自动操作方式为主，单炉自动操作方式为辅，另外还需要考虑到 热风炉的检修，单体设备的检修以及调试等情况阳1 。分别设置全自动操作( 定时换炉，三个热 风炉顺序转换) 、单炉自动操作( 只可控制热风炉自动转换状态，但要操作台主按相应按钮起 动) 、监视器遥控手动操作( 操作台上单个阀控制，此时仍保持阀间联锁) 和现场手动操作( 只 在检修时使用，各阀门相互联锁) 四种操作方式。 ( 1 ) 全自动操作方式 自动换炉以设定的送风时间或送风温度作为换炉指令。换护指令发出时，参与换炉的热 风炉各设备按送风顺序和联锁条件自动完成换炉操作。在送风、燃烧过程中，送风温度、热 风炉的废气温度参与时间控制。 在3 座热风炉同时工作时，可选择两烧一送的操作方式，操作人员在操作站上设定换炉 时间，周期地进行全自动操作。例如，由“燃烧”转为“送风一的顺序为：关闭煤气切断阀 一关闭燃烧阀一关闭空气切断阀一延时一定时间后关闭烟道阀转入焖炉状态一开启冷风均压 阀一延时一定时间后开启热风阀一冷风均压阀二端压力差几近为零时，打开冷风阀一关闭冷 风旁通阀：而送风状态转入燃烧状态的顺序为：关闭冷风阀一关热风阀一开废气阀一延时一 - 8 - 内蒙古科技人学硕1 ：论文 定时间均压后开烟道阀一关废气阀一开煤气切断阀一打开燃烧阀一微开煤气调节阀若干秒一 点火燃烧后全开煤气调节阀一开助燃空气调节阀。在这里，要求各个阀门按操作顺序动作， 具有安全联锁功能，必须防止有关燃烧的各个阀门在未关闭时开启送风有关各阀或其相反动 作。 ( 2 ) 单炉自动操作 单炉自动操作即操作人员在操作站上控制各热风炉单炉自动操作。单炉自动时，首先确 定热风炉当前工作状态( 燃烧，焖炉，送风) ，然后操作者可在上位机上的单炉自动软按钮发 出操作指令选择相应自动操作。例如：焖炉一燃烧、燃烧一焖炉，焖炉一送风，送风一焖炉 等多种转换状态，各阀门按规定的程序动作，这样就可将现行炉子的状态依照参加动作设备 的联锁关系自动转换到所选择的状态上。在单炉自动并选择燃烧状态时，系统应保证至少有 一座热风炉处于送风状态。 ( 3 ) 监控室远程手动操作 操作者可在监控室工作站上，通过功能键对热风炉各设备进行单独手动操作或联锁手动 操作方式，根据热风炉初始工作状态选择要转换目的工作状态，在热风炉值班室上位机上对 各阀门进行单个开、关遥控操作。为确保人身和设备安全，手动操作时所有阀门的开、关都 是在有必要的设备联锁的状态下进行的。手动操作适用于设备自动控制时出现故障时为保证 生产过程的安全性而必须的紧急操作情况。热风炉设备上需紧急操作的设备有如下几种：煤 气切断阀，热风阀，冷风均压阀，冷风阀，废气阀，倒流休风阀，混风阀。 ( 4 ) 现场手动操作 操作者使用现场控制箱上的按钮，可单独操作所有阀门设备，各阀门间的联锁关系全部 解除，各设各仅保持必要的电气或机械保护，操作者可在现场设备操作箱上对热风炉各设备 进行单独运转。此功能只是在发生故障或阀门调试和检修时，用于设备检修和调试。 2 2 热风炉的工作原理 热风炉工作原理的实质就是燃料在燃烧过程中加热格子砖，将燃烧热量储备起来；当转 为送风期后，格子砖再将热量传递给冷风，冷风加热升温后送人高炉炼铁。热风炉的工作原 理如图2 3 所示。 蓄热式热风炉每个循环工作周期包括燃烧期和送风期。 燃烧期：主要任务是将热风炉格子砖加热到一定温度。此时关闭冷风人口和热风出口， 按一定比例将煤气和空气从燃烧器送入，煤气燃烧后的燃烧产物即废气经格子砖到出口通过 烟道从烟囱向外排放，废气流动过程将格子砖加热到需要的高温，然后转入送风期。 送风期：主要任务是将鼓风机送来的冷风加热到1 0 0 0 1 2 1 2 0 0 送人高炉。此时燃烧器 和废气出口关闭，冷风入口和热风出口打开。由鼓风机送来的冷风通过格子砖孔时被加热， 热风经热风出口 能加热到预期的 燃烧期送风期 图2 3热风炉的工作原理 一座热风炉经过燃烧期和送风期即完成了一个循环，即每座热风炉都按：燃烧休止 送风休止燃烧的顺序不断循环地工作着。而每座蓄热式热风炉都是燃烧( 即加热 格子砖) 和送风( 即格子砖的冷却) 交替工作，为了能连续向高炉供给高温空气，并根据设备维 护、检修和提高风温的需要，一般每座高炉都配备3 4 座热风炉。国内大部分高炉均采用每 座高炉带3 至4 座热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风。当 一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后， 处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到 要求后，转入休止状态等待下一次风。 2 3 热风炉燃烧制度及控制方式 2 3 1 热风炉燃烧制度 高炉热风炉系统的运行是一种序批式的生产过程n 们。热风炉燃烧用燃料为高炉煤气，高 炉煤气和助燃空气分别经两个通道进入燃烧器，在燃烧器中混合后燃烧。燃烧过程是间断式 的，既要求热风炉在规定的燃烧时间内达到设定的拱顶温度和废气温度，又要求高炉煤气能 卫望直堂丝墼墼一一 竺萎霎篓考篓竺警篓竺拿下答烧，即在保证热风炉贮备送风所需热量的同时，尽可能地提高 热效率并保护热风炉设备。热风炉的燃烧工艺过程如图2 4 所示。 、剐划q t l 拱项温度 助燃窄气流量 7 煤气流量 d 一 废气温 度f f i 线 - l 快速燃 莆热期 t 终 t烧期 图2 4 热风炉燃烧工艺过程图 锌喃竺圭詈要示- 篓篓堂竺箩竺烧过霎中不同燃烧时期的要求，一般将热风炉燃烧过程大致 分为两个周期：快速加热期和蓄热期，。 “”“比八取 储左竺薹竺竺篓：。曼璧奎竺堡气量和合适空燃比( 空气与燃料即煤气流量比) 进行快速加热， 使在最短的时间内把拱项温度烧到规定的稳定值。 一一叭尬删黑 圭丑、寸蓁萎篓：仃萋鍪翌苎苎竺加空气量，并调节煤气量以保持拱顶温度，还要保证废气温度不 超过设定值即废气温度逐渐升高而最终达到规定最高温度。 一“巩。哑仅1 。 壮，三三苎流要要詈耋堡雩加热期内，若热风炉拱项实际温度已达到规定的最大值，就自动 薹含愁竺至热竺竺薹繁面塑和时问一定的条件下，以废气温度丢篡；磊：最蒜兰 善釜炉蓁慧要竺二篓尊竺枣般由最高废气温度和最终燃烧时间确定。三芸磊羞茔篙芏 限时，或燃烧时间到达要求换炉送风时，应停止加热，准备进入高炉送i 磊蕞_ 一一川列上 益日銎竺篓竺宝挚篓烧有手点要求：是单位时间燃烧煤气量适当；二是燃烧充分、完全， 薹导婺差篓耋型羔三号确保可能达到的风温水平最高，并保证巍风黼毒f 赢， 茎竺篓要委星竺燃璧竺竺煳可分为驯4 】：固定煤气量，蔼；戚葛孑 固定助篓亨气量，调节煤气量； ( 3 ) 助燃空气量与煤气量同时调节：”“”“。邕 怕7 檐宙喜! 耋苎：二嚣一黧方苎使用的煤气量最少，相对来说废气量较小，废气从拱项带给燃 烧室下部的热量要少一些，废气带出炉外的热量也较少，但调节手荽毒二_ 。差；蒙茄吴- 箬 拱顶温度与废气温度上升速 过剩系数大，从而导致废气 方式可能会致使煤气过量引 控制，会使热风炉有蓄热不 综上所述，采用上面的 拱顶温度与废气温度，废气 可以克服煤气压力的波动； 内蒙古科技人学硕：l 论义 3 热风炉燃烧控制系统总体设计 3 1 控制系统总体结构 热风炉燃烧控制系统包括两个部分n 引，一部分完成基础自动化功能，另一部分完成过程自 动化功能，这是一种典型的二级自动化架构n 彻1 。根据热风炉检测点及控制设备的要求，我 们选用一套s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0p l c ，在设计时同时考虑到系统的最优性价比，主站 s 7 3 0 0 通过p r o f i b u s d p 连接四个e t 2 0 0 m 从站。其控制系统组成如图3 1 所示。 l 号炉远程站2 号炉远程站3 号炉远程站油站远程站 图3 1热风炉控制系统组成 在图3 1 中，主控设备为西门子的s 7 3 0 0 p l c ，通过p r o f i b u s d p 总线接口扩展了带d p 接口的远程i o 模块，上位机为w i n c c 工作站。s 7 3 0 0 p l c 配置了工业以太网接口模块( c p 3 4 3 1 ) ，p l c 和上位机通过网络交换机构成了高炉基础自动化子网，并可以由数据网关连接 到公司的管理网络。主控设备p l c 采用s t e p 7v 5 3 编程，上位机h m i 软件采用w i n c c v 6 0 进行组态。其中，s 7 3 0 0 和e t 2 0 0 m 远程站通过p r o f i b u s d p 连接在一起完成基础自动化功能， 而操作站主要完成过程自动化功能，操作站既可以安装c p l 6 1 3 专用以太网卡，也可以安装 普通的以太网卡。基础自动化和过程自动化系统之间采用了工业以太网通过网桥连接方式进 行测控数据的实时交互。 本设计中的热风炉自动化控制系统按其总体结构分为三级口7 绷，如图3 1 所示。 内蒙古科技人学硕i ：论文 第一级为现场级，该级设备主要包括检测仪表和执行机构等。这些设备主要用于过程信 号采集、转换及现场设备的直接控制。另外，当现场设备系统出现故障的情况下，可进行紧 急处理操作处理。 第二级为基础级，由s 7 3 0 0 和e t 2 0 0 m 过程控制站对过程信号进行深加工，以满足计算 机过程控制要求。在这一级除了实现基础自动化功能之外，还可以根据功能块采集的信号变 化情况来反应实际生产状况。 第三级为控制级，其由2 个监控站组成。工业控制计算机系统接受过程控制站发送的信 号并进行处理和存储，并可以在监控器上显示过程参数、模拟现场设备的运行状况。控制级 的主要功能是对3 座热风炉进行监控操作。 3 2 硬件系统 3 2 1 上位机 ( 1 ) 工业p c 工业生产过程是连续的过程，为了保证生产过程的安全，必须要选择更高性能，运行更 可靠的计算机来实现对工业数据的采集、运算和控制输出。因此，对工业p c 产品的质量性 能要求明显高于商用机型。工业p c 产品具有坚固的外壳设计，具有很高电磁兼容性( e m c ) ； 防护等级高达i p 6 5 ；集成了工业电源( 符合n a m u r 标准) ，组件具有高m t b f ( 平均故障 间隔时间) ，能够在扩展温度内2 4 小时连续运行；具有专用硬盘托架，抗振性和抗冲击性都 很高；可锁定的插头式连接器可防止松脱或不当维护；模块化的设计可以快速更换故障组件 等优点以保证安全稳定的运行要求。 本设计中，工控机选用s i m a t i ci p c 5 4 7 c ，其配备有具有强大功能的节能型i n t e lc o