（热能工程专业论文）加热炉hmi监控系统仿真研究.pdf

0 一j ? 。、j i ad i s s e r t a t i o ni nt h e r m a l e n g i n e e r i n g i i i ii i ii l li l li il 1 lllf y 1716 7 4 4 s t u d y o ns i m u l a t i o no fm o n i t o r e dc o n t r o l s y s t e mi nr e h e a t i n gf u r n a c e b ym a t a i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nh a i g e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 艺 思。 学位论文作者签名：马太 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名，否则视为不同意。) 学位论文作者签名：勿人 签字日期： 是墅菩煮：存墨垠 签字日期： 。 东北大学硕士学位论文摘要 加热炉h 监控系统仿真研究 摘要 在钢铁企业的生产中，实现加热炉监督控制可以取得明显的经济效益和节能效果。 本课题以天津天铁冶金集团有限公司l ? 5 0 m m 热轧带钢加热炉为研究对象，加热炉三元 模型以能量平衡为基础，采用屏蔽段间辐射，实现各炉段方程求解的解耦。在求解炉气 温度的基础上求得炉温，实现了炉温回路的离线闭环。在数字p i d 控制的算法方面，根 据加热炉的实际情况，对加热炉控制进行改进。为了满足节约燃料的同时，兼顾系统控 制的响应时间的设计要求，本课题中采用带有氧量校核的改进型双交叉限制燃烧控制系 统作为控制方案，并分析应用该控制方案的原因。在组态监督控制平台的软件的选择方 面，本课题通过分别使用w i n c c 和l a b v i e w 组态工程项目，分析比较了w i n c c 和 l a b v i e w 各自的优势，并归纳了采用w i n c c 组态加热炉监督控制系统的原因。为了贴 近实际生产的情况，课题在加热炉模型与直接数字控制系统和直接数字控制系统与计算 机监督控制系统之间分别采用直接通讯和o p c 通讯机制，以实现不同控制级别间的信 息交互。在计算机监督控制系统( 即s c c 级控制系统) 的研究中，本课题实现了钢温 预示模型的建立和加热炉炉温决策，在实际系统中使用，可有效地指导加热炉的直接数 字控制实施准确控制，有利于高效优质地进行生产。 在课题中所构建的工程中具有完备的预警报警系统、数据归档系统和报表打印系 统。此外，整套工程中具备明晰的权限设置，完全贴近生产现场的情况。使本课题中组 态的控制工程与实际控制系统高度一致，有移植到加热炉实际控制系统中使用的潜力。 关键词：连续加热炉；直接数字控制；计算机 ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d y o ns i m u l a t i o no fm o n i t o r e dc o n t r o l s y s t e m i nr e h e a t i n gf u r n a c e a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o no fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，r e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i ta n de n e r g y s a v i n ge f f e c tc a nb ea c h i e v e db yi m p l e m e n t i n gs u p e r v i s o r yc o n t r o li nr e h e a t i n gf u r n a c e t h e 17 5 0 m mh o ts t r i pf u r n a c e so ft i a n j i nt i a n t i em e t a l l u r g i c a lg r o u pc o a r et h eo b j e c t so ft h i s s t u d y l t d t e r n a r ym e t h o di nr e h e a t i n gf u r n a c ei sb a s e do ne n e r g y b a l a n c ee q u a t i o n ，u s i n g i n t e r - p a r a g r a p hr a d i a t i o ns h i e l d e d ，i no r d e rt oa c h i e v et h ed e c o u p l i n ge q u a t i o no ft h es e c t i o n o ft h ef u r n a c e f u m a c et e m p e r a t u r ei so b t a i n e do nt h eb a s i so fs o l v i n gf u r n a c eg a s t e m p e r a t u r e ，a n dt h eo f f - l i n ec l o s e d - l o o po ff u r n a c et e m p e r a t u r el o o p h a sc o m et r u e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ff u r n a c e ，w ei m p r o v e dt h ef u r n a c ec o n t r o li nt h ea s p e c t so f d i g i t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m f o rs a v i n gf u e la n dr e d u c i n gr e s p o n s et i m eo fc o n t r o ls y s t e m ，i t i su s e da sc o n t r o l l i n gp r o j e c tt h a ti nt h i ss t u d yw ea d o p ti m p r o v e dc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m o fd o u b l ec r o s sl i m i t 、析t 1 1o x y g e nc o r r e c t i o n a n dw ea n a l y z et h ec a u s e so fa p p l y i n gt h i s c o n t r o lp r o g r a m i nt h ea s p e c to fs e l e c t i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e ，w i n c ca n d l a b v i e wa r eu s e di nt h i ss t u d yr e s p e c t i v e l y w ea n a l y s i sa n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e so f w i n c ca n dl a b v l e wr e s p e c t i v e l y , a n ds u m m e du pt h er e a s o n sf o ra p p l y i n gs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mi nt h ef u m a c eb yw i n c c i no r d e rt oc l o s et ot h ea c t u a lp r o d u c t i o n , i nt h i s s t u d yd i r e c tc o m m u n i c a t i o ni su s e db e t w e e nf u m a c em o d e la n dd i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ， o p cc o m m u n i c a t i o ni su s e db e t w e e nd i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma n dc o m p u t e rs u p e r v i s i o n c o n t r o ls y s t e m ，i no r d e rt oa c h i e v et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fd i f f e r e n tl e v e l s i nt h es t u d y o fc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ( t h a ti s ，s c c ) ，t h i ss t u d yh a se s t a b l i s h e dt h e p r e d i c t i n gm o d e lo fs t e e lt e m p e r a t u r ea n dh a sd e c i d e dt h ef u r n a c et e m p e r a t u r eo fr e h e a t i n g f a r n a c e i fi ti su s e di nt h ea c t u a ls y s t e m ，i tc a ng u i d ed i r e c td i g i t a lc o n t r o lo fr e h e a t i n g f u r n a c ea c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y , i nf a v o ro fh i g hq u a l i t yp r o d u c t i o n m s s t u d yh a sp e r f e c te a r l y - w a r n i n ga l a r ms y s t e m ，d a t aa r c h i v i n gs y s t e m ，s t a t e m e n t so ft h e p r i n t i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，t h ew h o l ep r o j e c ts e t su pc l e a ra u t h o r i t y , w h i c hc o m p l e t e l yc l o s e t ot h ep r o d u c t i o ns c e n e i nt h i ss t u d y , c o n f i g u r a t i o no fc o n t r o le n g i n e e r i n gh a sb e e nm a d et h e s a n l ea st h ea c t u a lc o n t r o ls y s t e mi nh e i g h t ，a l s oi th a st h ep o t e n t i a lf o rm i g r a t i n gt ot h ea c t u a l f u r n a c ec o n t r o ls y s t e m v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：r e h e a t i n gf u r n a c e ；d i r e c t l yd i 舀i m lc o n t r o l ；s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ；w i n c c v i - ， ， 一、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论l 1 1 研究意义1 1 2 文献综述1 1 2 1 加热炉计算机监控的发展和现状1 1 2 2 加热炉数学模型概况4 1 3 研究内容与研究方法7 第二章连续加热炉仿真模型9 2 1 连续加热炉概况9 2 1 1 加热炉类型9 2 1 2 热轧带钢生产线产品大纲及标准。9 2 1 4 加热炉的产量1 1 2 1 5 连铸坯入炉温度和出炉温度1 1 2 1 6 加热质量要求1 l 2 1 7 燃料的热值1 1 2 1 8 加热炉主要尺寸1 l 2 1 9 加热炉各段燃料分配1 2 2 2 加热炉热工过程分析1 2 2 3 加热炉三元模型1 2 2 3 1 加热炉模型段的划分1 3 2 3 2 直接交换面积1 3 2 3 3 全交换面积15 2 3 4 加热炉炉气温度求解18 2 3 5 加热炉炉围温度求解2 0 2 3 6 加热炉钢坯温度求解2 2 第三章直接数字控制系统的仿真研究2 5 3 1 计算机直接数字控制系统的组成2 5 3 2 控制系统信号采集2 5 东北大学硕士学位论文目录 3 3 数字pid 控制算法2 6 3 3 1 理想微分p i d 控制2 6 3 3 2 实际微分p i d 控制2 7 3 4 数字pid 控制算法的改进2 8 3 4 1 积分项的改进2 8 3 4 。2 微分项的改进2 9 3 4 3 冻结偏置算法3 0 3 5d d c 系统的控制方案3 0 3 5 1 炉温单回路控制方案3 l 3 5 2 炉温并行串级控制系统3 1 3 5 3 单交叉限制燃烧控制方案3 2 3 5 4 双交叉限制燃烧控制方案3 3 3 5 5 带氧量校正的改进型双交叉燃烧控制系统3 4 第四章监控组态软件平台3 9 4 1w i n c c 组态软件简介3 9 4 2 组态17 5 0 m m 热轧带钢加热炉工程3 9 4 2 1 组态加热炉控制项目管理3 9 4 2 2 组态w i n c c 变量4 1 4 2 3 创建w i n c c 监控过程画面4 2 4 2 4 组态过程值归档4 4 4 2 5 组态报警消息系统4 8 4 3l a b v i e w 虚拟仪表简介5 1 4 3 1l a b v i e w 监控画面设计5 2 4 3 2l a b v i e w 程序设计调试5 5 4 3 3l a b v i e w 文件输入输出5 6 4 4 加热炉监控组态软件比较5 8 4 4 1 组态加热炉图形画面5 8 4 4 2 加热炉运行数据归档5 8 4 4 3 程序设计语言5 9 4 4 4 上位机与硬件的配合5 9 4 5 监控系统与外部程序的通讯机制6 0 第五章计算机二级监控系统仿真6 5 5 1 热电偶温度求解6 5 东北大学硕士学位论文 目录 5 2 钢温预示模型建立6 8 5 2 。1 全炉钢坯位置跟踪6 8 5 2 2 变物性的处理6 9 5 2 3 钢坯温度场数学模型7 0 5 3 总括热吸收率法简述7 1 5 3 1 炉膛总括热吸收率的辨识7 1 5 3 2 炉膛总括热吸收率的动态补偿7 2 5 。4 加热炉炉温决策7 3 5 4 1 关于一块钢坯的炉温设定值7 3 5 4 2 控制炉段的炉温设定7 7 5 5 控制结果与分析7 7 结论8 9 参考文献9 l 致谢9 7 _ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 舒适；污染物的排放量要符合环境保护的要求i l j 。要高效的实现这些要求需要依赖一 程参数，可以取得明显的经济效益和节能效果1 2 1 。因此，对加热炉数学模型、加热炉直 控制难以达到满意的效果 3 】。如何建立更适应现代生产要求的高效优质的加热炉计算机 i 1 2 文献综述 1 2 1 加热炉计算机监控的发展和现状h 1 钮i i 小 i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 时在多座加热炉上实现计算机控制，取得了节能、降耗和提高加热质量的效果。许多单 炉的能耗指标已达到世界先进水平。据统计，实现加热炉计算机控制，平均每座炉可节 能8 - - 。1 0 ，金属氧化烧损减少1 0 , - 一3 0 。 表1 1 国内外加热炉计算机控制关键技术 t a b l e1 1c r i t i c a lc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi nr e h e a t i n gf u r n a c ea th o m ea n da b r o a d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为了进行比较，将国内外炉窑计算机控制所采用的关键技术列于表( 1 1 ) ，由表可 见，国外在加热炉上所采用的控制技术国内都有研究和应用。虽然我国起步较晚，但理 论水平逐渐接近国际先进水平。 在工程应用领域，依靠成熟的理论为依据，加热炉控制技术快速发展。尤其是进入 2 0 世纪9 0 年代以后，随着计算机软、硬件技术与智能控制技术的发展，一些先进的科 技手段已成功地应用于加热炉的炉温控制中。目前，计算机自动控制系统在国内外的各 钢铁企业得到了非常广泛的应用，而且，作为钢铁工业强国的日本、美国等国家已有了 将专家系统和模糊控制应用于钢厂加热炉燃烧控制和炉温控制系统的报道。国内这方面 的研究起步较晚，但开展速度迅猛，已经取得了能够进行实际应用的研究成果。表( 1 2 ) 和表( 1 3 ) 分别对国外和国内加热炉温度控制技术的应用现状进行了概括总结。 表1 2 国外企业加热炉温度控制技术的应用情况 t a b l e1 2t e c h n o l o g yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o la p p l i c a t i o ni nr e h e a t i n gf o r e i g nc o u n t r i e sf u i - l l a g e 钢铁企业采用的温度控制技术及应用情况 e s s a r 钢厂 日本川崎钢铁厂 开发了加热炉温度控制模型r t c 系统，可在线模拟钢坯升 温与降温过程，完成加热炉与轧机的节奏匹配、钢坯加热过程优 化、各加热区温度设定点计算及制定待轧策略等功能 开发了加热炉燃烧控制专家系统，与数学模型相结合，系统 采片j 线性规划、优化模型计算满足出钢温度和时间的升温模式， 用专家系统选择优化模型的目标函数和约束条件，确定设定温度 采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃 新西兰h o o g o v e n s 钢厂 比控制、推钢速率控制和直接燃烧控制 实现了计算机在线最优控制，包括最佳加热曲线的确定和最 瑞典d o m n a r v e t 钢厂 优炉温控制 步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统具有过程温度控 美国y a m a t a k eh o n e y w e l l 公司 制、作业顺序管理、钢坯跟踪及生产管理功能 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 国内企业加热炉温度控制技术的应用情况 t a b l e1 3t e c h n o l o g yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o la p p l i c a t i o ni nd o m e s t i cr e h e a t i n gf u r n a c e 钢铁企业 采用的温度控制技术及应用情况 马鞍山钢铁公司 莱芜特钢厂 上海宝山钢铁公司1 5 8 0 热轧厂 武汉钢铁公司 采用分区控制策略，把p i d 控制、强比例控制与f u z z y 控 制相结合的复合控制系统，三者之间的转换条件是炉温设定 值与实际值的温度偏差e ，温差上下限通过分析现场数据确 定。 以n e u r o s h e l l 神经元网络为基本控制平台，采用b p 网 络中带阻尼反馈的r e c u r r e n t 网络的寻优功能寻找最佳空燃 比，投入运行后取得良好控制效果，炉温控制精度在设定值 的l o 内。 整个钢坯加热过程实现了数学模型网络控制，根据粗轧出口 带钢要求的目标温度，采用炉温或流量设定方法，对板坯温 度周期地进行计算。通过加热炉控制模型中的数据层别，实 现了对新增的不同规格与钢种的板坯出炉温度的准确控制。 将模糊控制技术用于常规p i d 控制器参数的自动整定，整个 加热炉实现了全自动控制，自寻优并跟踪最佳燃烧，各段炉 温自动协调，最大限度地修正各设定值，各参数在线自动整 定，控温精度 l 氧化烧损减少3 0 以上。 但是到目前为止，在我国拥有的千余座加热炉中，实现计算机控制的水平还很低， 即使在我国十大钢铁企业中也还存在人工操作的加热炉。另外，我国的加热炉计算机控 制系统大多数仅限于单炉控制，计算机控制系统与整个轧线计算机构成大系统的仅有宝 钢等少数几家，有的企业刚刚开始这项工作。而且在控制精度等方面我国的加热炉控制 与世界一流国家还有一定差距，需要进一步的提高完善。 1 2 2 加热炉数学模型概况 研究加热炉优化设计和优化控制数学模型的核心问题是对炉内热工过程进行数学 描述并求解炉内热交换场。从被加热的钢坯出发，热交换场分为钢坯内部热传导和外部 ( 炉膛) 热交换场两部分。内部热传导是简单的非稳态导热问题，通常采用有限差分法 或有限元法求解i 1 6 1 7 1 。吴彬对一维非稳态导热提出了连续状态变量解法t 1 引。该方法在 时间上连续，故不存在时间的截断误差和稳定性问题，并得出了关于时间离散的精确解， 这对于估计有限差分的误差和提高解的精度都是有益的。 与钢坯内部热传导相比，外部热交换是极其复杂的。这是由于炉膛内部气体流动和 东北大学硕士学位论文第一章绪论 燃烧析热场、热交换场等因素的耦合作用，尤其是炉内辐射的复杂性。加热炉作为直接 燃用燃料的工业炉窑，炉内火焰温度和烟气温度都很高，是典型的高温设备，因此炉膛 内热交换辐射占主导地位，约占9 0 以上【1 9 t2 0 1 。大部分炉子热过程数学模型以求解辐 射换热为主。 早期对辐射换热的研究是以量子理论为基础的【2 l l 。从2 0 世纪2 0 年代开始，为充分 预示炉内辐射换热以实现工业炉最佳设计的目的，辐射换热工程计算越来越受到人们的 重视。最初计算辐射换热的方法是射线跟踪法( r a y t r a c i n g ) ，即跟踪从一个封闭系统中 的某一个表面发射的辐射线，然后用无穷级数表示表面间的多次反射，最终确定各表面 间的辐射换热。1 9 5 3 年，p o l j a k 提出了净辐射法( n e tr a d i a t i o nm e t h o d ) 2 2 1 。“净辐射”包 括自身辐射和投来辐射的反射，避免了射线跟踪无穷级数的计算，使表面间的辐射换热 可以用一个封闭的线性方程组来表示，即h o t t e l 所称作的“热网络法 2 3 1 。当系统中有 参与性介质时，h o t t e l 针对等温吸收性介质提出的平均光程法( m e a nb e a ml e n g t h m e t h o d ) 是一种较好的工程近似2 抛6 1 。 实际燃烧系统内辐射换热的求解十分复杂，目前还没有一种模型可以通用于不同的 系统和不同的燃烧种类。因此，辐射换热的模型研究较其他传热方式显得更为多样化， 最近几十年发展起来的各种辐射模型，一般都有自己的适用对象，并针对不同的侧重点 进行了简化。求解辐射场的基本出发点是辐射能量传递方程【2 7 j v ) ，= 一( 屯+ 起) ，+ 屯l + 卺i m o j ( 1 1 ) h m j k 在高温温度场中，方程( 1 1 ) 为能量方程 夤 ：i _ i ( p c t ) + v ( p c t v ) = v ( 名v f ) + s ( 1 2 ) a f 提供源项s 的辐射分量s ，这是各种模型的共同点。对方程( 1 1 ) 采用不同的描 述手段，就形成了不同的数学模型方法。例如，段法( z o n em e t h o d ，或称区域法) 瞄 2 8 2 卅以积分方程的形式进行描述；流法( f l u xm e t h o d ，或称通量法) 【3 2 1 、球i 皆、法( s p h e r i c a l h a r m o n i c s ) 3 3 - 3 7 1 、离散坐标法( d i s c r e t eo r d i n a t e sm e t h o d ) 3 8 - - 4 2 】以微分方程的形式来描述， 这类方法统称为微分近似法；蒙特卡洛法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 4 3 - - 4 7 】、离散传递法 ( d i s c r e t et r a n s f e rm e t h o d ) 4 8 - - - 5 0 】用概率模拟的方式描述。针对辐射换热的复杂性和特殊 性，v i s k a t a 5 1 1 将各种求解辐射换热的数学模型分为四大类：精确解、段法、流法和蒙特 卡洛法。 段法是h o t t e l tc o h e n 于2 0 世纪5 0 年代末提出的辐射模型方法，现已成为应用最广 泛的数学模型方法之一【5 2 1 。段法模型的机理严谨，计算结果较为理想，常被用作检验其 他辐射模型的标准。尽管如此，段法也有自身的局限性，如因辐射交换面积计算量大而 占用过多的计算机内存和计算时间、对参与性介质热物性的适应性差、难以与其他传输 方程的数值方法相耦合和高次非线性能量平衡方程组的求解对初值要求较高等。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为克服段法的缺点，研究者将段法与其他辐射换热模型结合，解决段法求算交换面 积时计算量过大的问题。一个典型的例子是段法与蒙特卡洛法的结合【5 玉5 4 1 。鉴于蒙特卡 洛法的灵活性，可直接用于计算交换面积，特别是当介质的辐射特性不随温度改变时， 可用蒙特卡洛法一次性计算辐射全交换面积，然后供段法反复使用，这样可大大降低段 法的计算时间。陈海耿和宁宝林用流法辐射换热量的反算法确定全交换面积，并提出流 法全交换面积矩阵的分区修正法1 5 5 1 ，以提高整体精度。s a s s e 提出的混合六通量段法模 型( h y b r i ds i x f l u x z o n em o d e l ) 5 6 j ，综合了段法和六通量模型的特点，通过对相邻段辐 射传播方向特性的修正，来提高算法的精度并减少计算时间。另外，为计算段法的辐射 交换面积，还提出了数论网格法【5 7 1 ，逐次局部再分法以及均匀离散射线法【5 9 ，硎。 流法将微元面上复杂的半球空间辐射，简化为只沿坐标轴方向变化的辐射热流，然 后求解通用的输运微分方程。由于流法简便易掌握，因此常用于工程计算。它的一个最 大特点就是网格的划分与有限差分和有限元法一致，且得到的热流方程与通用方程形式 一致，因而可以很方便地与动量方程和能量方程联立求解。流法所需的计算时间比较少， 但它采用“接力的方式来描述辐射，机理上是有缺陷的，因而误差较大。 蒙特卡洛法的雏形可以追溯到1 7 7 7 年b u f f o n 的随机投针试验。这种方法是以辐射 的概率模拟来计算热辐射，其基本思想是发射的离散化、发射的随机化和吸收的随机化。 它对非均匀介质及复杂几何炉型有较好的适应性，而且在处理多重积分时，误差与积分 重数无关，便于求解交换面积。当对计算精度要求不是很高时，其计算量很小；但由于 所发射能束的方向和位置是由计算机所产生的随机数决定的，蒙特卡洛法不可避免地存 在统计误差。随着科学技术的发展，蒙特卡洛法在辐射换热中的应用也得到改进和发展， 如能差迭代【4 8 j 和重点抽样1 6 l j 等。 由于辐射求解的复杂性，上述基于区域能量平衡的模型一般在离线分析中使用。为 实现模型在线控制，一些研究对外部热交换场进行简化，其中广泛采用的是总括热吸收 率法【6 2 “3 1 ，即m 法或矽阼法，对于以炉温为基础的体系，称为缸法比较确切。该法 将影响炉内传热的众多因素通过实测反算的一个无因次系数总括热吸收率c f 加以 概括。对阼的实验研究方法( 如焓增法、断面温差法和表面温度梯度法) ，实质上是参 数辨识。矽c ，的测算结果不仅受炉子结构参数和操作参数的影响，而且实验是在稳态工 况下进行的，具有较大的片面性。文献m 】介绍了日本钢铁学会加热炉委员会的报告，在 众多炉子上的研究表明：邙几乎无规律可循。虽然如此，对九f 的在线补偿和理论求算 的研究仍在不断深入，石伟、陈海耿等人将段法全交换面积推广到热电偶上，以理论方 法计算了办。【6 5 埘】。使用该方法实现缸的动态补偿，在机理上是成熟的，并可进一步 研究其简化算法。 一些工程研究对辐射进行了简化，如前苏联锅炉热力计算标准中的米多尔分段算 法，将辐射屏蔽在一个段内求解；一维分区计算法采用假想面简化段问辐射【6 8 】。又如， 吴彬、陈海耿提出了连续加热炉“三元模型 6 9 1 ，采用段间辐射解耦的方法实现了能量 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 平衡方程组的在线求解，并实现了全交换面积的动态补偿。 1 3 研究内容与研究方法 本课题以天津天铁冶金集团有限公司1 7 5 0 m m 热轧带钢加热炉为研究对象，采用 “三元模型建立炉内温度场，并计算出热电偶温度。 以w i n c c 作为加热炉数据采集监控系统s c a d a ( s u p e r v i s o r ) c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 软件平台，对加热炉控制系统中的各种资源( 设备、标签量、画面等) 进 行配置和编辑；以“三元模型”为主体的加热炉模型为数据源，以直接通讯方式建立模 型与数据监控软件平台的连接，为w i n c c 组态的各种变量提供数据；开发处理数据报 警及系统报警系统；提供多种数据驱动程序；编辑各类报表的生成和打印输出；使用c 脚本或者v b 脚本对组态动态流程画面；连接m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 数据库存储历 史数据并支持历史数据查询，等等。 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l 简称d d c ) ，计算机通过模拟量输入通道( a i ) 和开关量输入通道( d i ) 采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信 号，并通过模拟量输出通道( a 0 ) 和开关量输出通道( d o ) 直接控制生产过程。因此d d c 系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。d d c 控制系统有多种燃烧控制方案，为了兼顾节能和系统响应性能，以及烧嘴特性的影响， 排除各种现场因素对空气消耗系数口值的干扰，本课题中采用带氧量校正的改进型双交 叉限制燃烧控制方案。依据该燃烧控制方案对已建立的加热炉模型进行直接控制，也可 以通过w i n c c 监控平台对加热炉模型进行控制。d d c 控制系统与w i n c c 间采用o p c ( 全称为o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 通讯方式进行通讯。 ” 建立计算机监督控制系统s c c ( 全称为s u p e r v i s i o n r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) 。根据反映 生产过程状况的数据和数学模型进行必要的计算，为d d c 控制系统以及各种加热炉模 拟调节器提供各种指导性信息，以特定目标为标准寻求最优炉温，进行炉温决策，为生 产优质产品提供保证。s c c 控制平台作为服务器与w i n c c 客户端之间以o p c 方式进 行高质量的数据通讯，根据现场实际情况及时给出控制策略。 本课题设计的是单用户项目，项目的计算机既用做进行数据处理的服务器，又用做 操作员输入站，同时还集成计算机二级监控服务器，是以最经济的形式模拟现场实际的 控制系统的状况。详见图( 1 1 ) 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 计算机控制系统网络图 f i g 1 1n e t w o r kp l a n n i n go fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 东北大学硕士学位论文第二章连续加热炉仿真模型 第二章连续加热炉仿真模型 2 1 连续加热炉概况 2 1 1 加热炉类型 本课题以天津天铁冶金集团有限公司1 7 5 0 m m 热轧带钢工程加热炉为研究对象进行 加热炉温度场模拟和加热炉模拟控制。 该加热炉可用于板坯加热，单、双排布料，是典型的空、煤气双蓄热步进梁加热炉。 2 1 2 热轧带钢生产线产品大纲及标准 本课题中所研究的加热炉所生产的产品情况如表( 2 1 ) 和表( 2 2 ) 所示。 表2 1 按用途分配的年产量 t a b l e 2 1p r o d u c t i o nb ye n d - u s ed i s t r i b u t i o n 序号品种名称年产量万t 比例 产品规格 备注 热轧商品卷 6 62 2 2 平整分卷原料卷 7 0 第二步实施后， 1 2 1 6 8 4 0 年产量为1 1 6 万t ， ( 8 0 0 ) 1 6 0 0 产品最小宽度8 0 0 m m 薯 平整：1 2 6 3 5x8 4 0 ( 8 0 0 ) 1 6 0 0 第二步实施后， 2 3 3 分卷：1 2 1 2 7 8 4 0 产品最小宽度8 0 0 m m ( 8 0 0 - 1 6 0 0 ) 3冷轧原料卷1 6 45 4 7 4 合计 3 0 01 0 0 1 8 - 6 8 4 0 ( 8 0 0 1 6 0 0 ) 第二步实施后， 产品最小宽度8 0 0 m m 第二步实施后， 年产量为3 5 0 万t 9 - 东北大学硕士学位论文 第二章连续加热炉仿真模型 表2 2 生产钢种和代表钢种 t a b l e 2 2p r o d u c t i v ea n dr e p r e s e n t a t i v es t e e 序列 品种名称 碳素结构钢 代表钢号 q 1 9 5 - - 。q 2 7 5 标准 g b 9 1 2 8 9 g b 3 2 7 4 8 8 g b 7 1 0 9 1 2优质碳素结构钢0 8 、0 8 a i 、1 0 # 4 0 # g b 7 11 8 8 g b 3 2 7 5 91 3 焊接结构用耐热钢 q 2 3 5 n h 、q 2 9 5 n h g b t 417 2 2 0 0 0 4 锅炉及压力容器用钢 2 0 9 、1 6 m n g 、2 0 r 、1 6 m n r 5 焊接气瓶用钢 g b 7 1 3 1 9 9 7 g b 6 6 5 4 19 9 6 h p 2 4 5 一h p 3 4 5g b 6 6 5 3 9 4 6 船体用结构钢a 、b 、d 、a 3 2 、a 3 6g b 7 1 2 2 0 0 0 7 汽车大梁钢 8 低合金结构钢 9 高耐候性结构钢 1 0 桥梁用结构钢 l l 高层建筑结构钢 0 9 s i v l 、1 6 m n lg b 3 2 7 3 8 9 q 2 9 5 、q 3 4 5 q 2 9 5 g n h 、q 2 9 5 g n h l 、 q 3 4 5 g n h 、q 3 4 5 g n h l q 2 3 5 q 、q 3 4 5 q q 2 3 5 g j 、q 3 4 5 g j g b 9 1 2 1 9 8 9 g b 3 2 7 4 8 8 g b 厂1 一1 7 1 2 0 0 0 g b 厂1 714 2 0 0 0 y b 4l0 4 2 0 0 0 1 2 高强度结构钢 q 4 2 0 、q 4 6 0 、q 5 0 0 、q 5 5 0 g b t 1 6 2 7 0 1 9 9 6 1 3管线钢x 4 2 - x 7 0 ( x s 0 ) a p i 1 4 d p 钢、t r i p 钢 l o - 东北大学硕士学位论文第二章连续加热炉仿真模型 2 1 3 坯料 板坯规格 厚度：2 3 0 m m 、2 5 0 m m 宽度：9 0 0 - - 一1 6 5 0 m m 长度：8 0 0 0 - 10 4 0 0 m m ( 长尺坯) 4 0 0 0 - - 5 0 0 0 m m ( 短尺坯) 板坯质量：m a x3 0 8 t 代表板坯规格：2 3 0 1 2 0 0 9 5 0 0 m m 质量2 0 4 5 t 板坯尺寸公差： 厚度：5 m m 宽度：1 5 m m 长度：3 0 m m 弯曲度：长尺坯 4o m m 短尺坯 2 0 m m 镰刀弯：长尺坯 4o m m 短尺坯 2 0 m m