（机械工程专业论文）攀钢轨梁厂加热炉现场总线模糊控制系统.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 abs t ract abs t r act t h i s a r ti c l e d i s c u s s e s t h e a p p l ic a t io n o f t h e f u z z y - c o n t ro l s y s t e m f o r t h e p a n g a n g加l ia n g h e a t in g s to v e b u rn i n g c o n t ro l s y s t e m b a s e o n f i e l d - b u s i n a l l u s io n t o th e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e o b j e c t : i n e r t ia a n d p u r e h y s te re s i s , d i s t r i b u t e p a r a m e t e r s n o n - l i n e a r it y , t h e n e e d t o a d j u s t th e t e m p e r a t u re o f v a r i o u s w o r k i n g p a r ts w it h t h e c h a n g e o f s t e e l r o l l in g r h y th m , c o m b i n e w i t h t h e r e q u e s t o f p a n g a n g s p r o d u c in g r a i l f o r h i g h s p e e d r a i l w a y , w e a d o p t t h e d e l t a v f i e l d - b u s c o n t r o l s y s t e m o f f i s h e r - r o s e m o u n t . t o a v o i d t h e d i ff i c u l t o f p a r a m e t e r m e a s u r in g a n d m o d e l in g i n t h e c o n t ro l , r e c k o n t h e t e m p e r a t u re o f t h e b i l l e t s s u r f a c e a n d c e n t e r , w e in t e g r a t e t h e f u z z y - c o n t ro l a n d th e n o r m a l p id c o n t r o l ( f u z z y - p i d ) t o r e a liz e t h e m o s t p e r f e c t a u t o - a d j u s t b u rn in g c o n tr o l s y s t e m . 玩t h i s s y s t e m , v a l u e o f t e m p e r a t u r e o f v a r i o u s w o r k i n g p a r ts c a n b e s e l f - a d j u s t e d a n d s e l f - c o r re s p o n d a n d o n - li n e p a r a m e t e r c a n b e s e l f - a d j u s te d t o o . t h e s y s te m c a n m o n ito r th e h e a t p a r a m e te r , t h e w o r k in g in s ta n c e o f v a r io u s o n - li n e d e v ic e a n d a l a r m w h e n e m e r g e n c e a p p e a r ; i t r e a l i z e t h e p r o t e c t i v e c o n t ro l o f h e a r th p r e s s , p i p e l i n e p r e s s a n d h e a t c o m m u t e r ; i t c a n s e n d i m p o r ta n t p a r a m e t e r t o t h e f a c t o r y - l e v e l mi s n e t w o r k . t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m a c h i e v e t h e p u r p o s e o f r a i s in g t h e c o n t ro l p re c i s i o n a n d t h e h e a t e d q u a l i t y o f b il l e t , r e d u c i n g t h e l o s t o f o x id a t io n a n d t h e p ly o f t h e d e c a r b o n iz a ti o n l a y e r , r e d u c i n g p o l l u t e t o t h e e n v i ro n m e n t a n d s a v in g t h e e n e r g y , w i n n in g m a n y e c o n o m i c b e n e fi t a n d s o c i a l b e n e fi t ke ywor d: o r d : g u i l ia n g h e a t i n g f u z z y - p i d b u rn in g c o n t r o l s t o v e , f i l e d - b u s , d i ff i c u l t 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 . 1 本课题的研究意义 1 . 1 . 1 加热炉控制系统的 重要意义 加热炉是一个具有大惯性、纯滞后和分布参数非线性的系统。使用的 燃料品种繁多，有高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气、重油等， 其加热方式有连续式和批量式， 炉内的热状态变幻难测， 钢坯温度分布等 许多重要参数难以 直接在线检测，炉型结构和工艺 参数复杂。 这些因素一 直阻碍着加热炉过程控制技术的进一步发展。高产、 优质、多品种、节能 降 耗最终达到降 低成本，以 获取最大利润一直是钢铁工业在竞争中 获得生 存和发展的目 标。 人们在生 产实践中 早己 注意到， 许多复杂的生产过程难 以 实现的控制目 标， 熟练的 操作工或技术人员却可以 操作自 如并获得满意 的 控制效 果。 而 这些熟练的 操作工 和 技术人员的 经验知识 若能 和控制理论 相结 合， 把它作为 控制理论 解决复 杂生 产过程的 一 个补充手 段， 那将使 控 制理论解决复杂生产过程有一个突破性进展。 近几年来，随 着信息技术和 计算机技术的 进步， 一种以 人工智能、 控制理论和计算机科学为基础的新 型控制技术智能控制的出 现，为控制界解决传统难题带来了 新的生 机。智能控制的范围很广， 在钢铁工业的应用中除少数智能机器人外，主 要 包括专家控制方法、 神经元控制、 模糊控制。 智能 控制技术的出 现为解 决 加热炉的 控制难 题， 谋求 钢铁企业 在 2 1 世纪发 展的一席 之 地， 提供了 新的途径。 1 . 1 . 2 加热炉控制系 统的国内 、外现状 我国自“ 六五”期间就己 将加热炉的计算机控制列为用电子技术改 造传统产生的三大突破口 之一。经过几十年的努力，国内冶金系统约有 2 0 0/ , 3 0 0/ o 。轧钢炉窑通过引进国外的先进设备或进行技术改造并装备了 计 算机系 统， 7 0 % 多的 炉 窑仍 采 用d d z - 1 1 1 型仪表， 各段 温 度控制仍 采用 人工调节实现. 8 0年代初， 开始了 智能控制器的 研究工作. 9 0年代中后 期，大批专家学者和工程技术人员为了将智能控制的研究成果，推广应用 在轧钢炉窑的过程控制中，做了 大量有益的尝试。 莱芜钢铁公司己于 1 9 9 7年初将神经元网络成功地应用于莱芜特钢厂 1 加热炉的燃烧控制中m 。该加热炉为 3段式推钢加热炉， 加热燃料采用 重庆大学工程硕士学位论文 绪论 为了 满足攀钢未来生产高 速铁路用 钢轨的加热要求， 实现现场级、 车 间级、厂级的信息集成， 提高产品质量、节约能源，攀钢 ( 集团)公司提 出了 轨梁加热炉技术改造的设想;使用步进炉加热钢坯， 提高加热质量， 消除水冷 “ 黑印， ，采用人工智能控制系统，实现钢坯的自 动加热;在万 能生产线设置2 座步进炉， 产量 1 6 0 t h . 座，改 造轨梁9 5 0 / 8 0 0 / 8 5 0 生产 线的3 座推钢炉为2 座步进炉， 产量 1 1 0 t h 座 ( 热装 1 5 0 t h 座) ， 并 将热加工工艺及过程计算机的 模型研究 及应用作为未 来进一步研究的 课题 之一，以 达到刘 产品的性能和质量进行分析、预测和控制8 1 1 . 3 1 . 3 . 1 本课题的主要研究内容及达到的目的 本课题的主要研究内 容 现场总线的 应用正处在发展阶段， 是未来自 动化技术的发展方向。 如何面对众多现场总 线作出 选择? 选择什么标准? 选择何种总线才能 满足 加热炉实时控制系统的 要求? 加热炉热工参数检测、控制复杂， 选择何种控制系统，既能根据 轧钢节奏的变化，设定各燃烧段最佳炉温、实现炉膛压力控制、现场参数 及设备运行状态监视、报警、生产管理、报表打印，又能实现系统的灵活 扩展及与厂级m i s 系统的联网。 根据加热炉工艺特点， 避开炉子控制中遇到的困难参数检测及建 模困 难等因 素， 而直 接根据 容易 检测的 炉 壁温 度， 再 根 据炉壁温度与 炉 膛 温度、 钢锭表面温度及钢锭中 心温度之间的升降关系来推知后三者的 温 度， 实 现困 难参数的间 擞组 合测量 19 ) ，同 时将模糊控制技术与常规 p i d 控制相结合， 保证其最佳的工作参数和良 好的控制品质。 1 . 3 . 2 本课题要达到的目 标 对热工参数及现场设备的运行情况进行监视、报等，实现炉膛压 力 控制、 管道压力 控制、 换 热 器的保 护 控制， 将重 要 参数送往厂m i s 网: 自 寻优并跟踪最佳 燃烧， 各段炉温自 动协调， 各设定值自 动修整， 各参数在线自 动整定; 指标: 炉温检 测温 度与实 际 温度误差续土1 0 1c ., 钢坯两端温差续士1 0 c 节能 ( 煤气)1 0 % 氧化烧损减少1 0 % 以上. 重庆大学工程硕士学位论文 2 加热炉工艺及控制要求 2 加热炉工艺及控制要求 2 . 1 轨梁加热炉现状 轨梁厂现有三座设计能力为 1 0 0 u h的推钢式加热炉，需改造的 2 # 炉 于 1 9 8 8年进行改造，炉体采用整体浇注，炉子有效尺寸为:2 9 5 3 5 x 6 8 0 4 m m ， 炉底面积 2 0 1 平方米， 加热钢种为:高 碳钢、 低碳钢、中 锰钢 及低合金钢， 钢坯规格为2 0 0 - 4 9 5 ( b ) x 1 9 5 3 7 2 ( h ) x 3 9 0 0 - 4 8 0 0 , 5 3 0 0 至6 0 0 0 ( l ) 二。 燃料为高、 焦炉m合煤气， 其低发热值为7 9 4 2 k j / n m 3 a 炉子分为火封段、上均热段、下均热段、第一上加热段、第二上加热段、 下加热段及预热段。 热工检测仪表采用d d z - 1 1 1 型常规仪表， 在控制室集中操作， 执行机 构采用由 各段的空 的气动长 行程执行器，二号加热炉未上残氧分析仪， 鑫人工经验操作。 各 检 测 点 离 控 翻 壁 在4 0 - 9 0 米 之 间 ， 大多数检钡 憔在 6 0米左右，高 焦炉煤气混合比 例信号取自 煤气加压站， 距2 b u 热炉控制室约8 0 0 米。 2 . 2 存在的问 题 采用热电 偶直接检测炉壁温度，由 于热电 偶插入深度不同， 测出的 温 度误差有 1 0 - 2 0 1c ，炉壁温度与钢坯温度之间误差较大 ( 5 0 左右) ，同 时没有采用钢坯的实际温度来修正;钢丝绳传动的执行器，因机械间隙， 误差在 1 0 。左右:无残氧分析仪， 过烧情况严重，浪费能源;且火封段 及第二上加热段采用手动操作，因此控制精度低，炉温不均匀，特别是炉 子东西侧温差达5 0 左右。 钢坯氧化烧损严重，为2 % 左右，脱碳层厚度 为 l m m左右，因 滑道产生“ 水印” ， 钢轨纵向断面尺寸波动较大，加热 质量不能满足高速铁路用钢轨的加热要求。 2 . 3 工艺改造方案 目 前，国外钢轨生产全部采用步进式加热炉，并在检测手段完备的 基础上实现加热过程计算机控制。为了使炉温均匀，特别是东西侧炉温 均匀，搞高钢坯加热质量，减少氧化烧损及脱碳，节约能源，提高炉子 控制精度，因此需将推钢式加热炉改为步进式加热炉。 重庆大学工程硕士学位论文 z 加热炉工艺及控制要求 2 .3 . 1 步进式加热炉的原理 步 进 式 炉 是 靠 专 用 的 步 进 机 构 使 钢 坯 在 b 厂一- 一 - 一 -i c 炉内 移动的一 种机 械化炉子。 步 进梁按 矩形! 轨迹运动。 开 始时， 步 进梁处在 钢坯下面的 一 一.一 - -十 最低位置，如图 2 - 1中的 a点， 这时钢坯 放在固定梁上。然后步进梁垂直上升， 超过a 匕 一- 一- 一 一 d 固 定梁时将钢坯托起，到达 b点位置。 接k 2 - 1步 进 轨 迹 着步进梁带着钢坯向前水平移动一段距离， 到达c点的位置。 然后步进梁垂直下降， 在通过固定 梁时， 把钢坯放在固 定 梁上后，到达d点的 位置。 最后步进梁在最低位置水平向 后移动一段距 离，回到a点位置， 这样完成了一个步进动作，按照这样的动作， 使钢坯 一步步前进，从装料端移送到出料端。 每 2 .3 .2 步进式炉的主要优点 和一般推钢式连续加热炉相比，步进式炉有如下优点: ( 1 )钢坯靠步进梁的运动在炉内通过，因此钢坯之间可以留出间隙， 不会产生粘结;钢坯之间空出 一定间隙， 还能缩短加热时间， 对氧化、 脱 碳要求严格的 钢坯， 还因 缩短在炉内的时间而减少氧化和脱碳; ( 2 ) 钢坯和步进梁之间 没有摩擦， 避免钢坯表面在加热过程中 产生 划伤; ( 3 ) 炉 子长度不受 推钢 长度的限 制; ( 4 ) 外形不太规整和厚薄不同的钢坯在装炉时不受限制; ( 5 ) 炉内 钢坯在必要时可以利用步进机构全部出空或退空， 修炉时 可以缩短停炉时间， 减轻出空 炉子的劳动强度; 待轧时可将钢坯倒退一段 距离，这样避免了出 料端钢坯的冷却、氧化和脱碳; ( 6 ) 通过改 变钢坯之间的间隙， 步进梁的水平行程和步进周期的时 间， 使加热操作比 较灵活。 例如当炉子产量降低时可将钢坯间 距加大， 减 少炉内 装料量， 但钢坯在炉内 加热的时间不变。 2 . 3 . 3 工艺流程简述 如图2 一所示， 助燃风机抽入大气中的空气、 经换热器预热，形成 3 5 0 c - 4 0 0 的 预热空 气， 压力6 0 0 0 p a ，由 空 气总 管 送到各 段可调 烧嘴; 高炉煤气、焦炉煤气在煤气调压站按 9 4 :6的比例混合，形成混合煤气， 重庆大学工程硕士学位论文 z 加热炉工艺及控制要求 压力 9 8 0 0 p a , 温度 3 4 c ，由 混合煤气总管送至各段可调烧嘴前 ( 此时压 力 在 1 0 0 0 p a 左右)与 预热空气 ( 引 射) 按一定比 例混合、 燃烧， 产生的 废气经烟道、换热器、烟囱 排入大气。 翻一上加翻砚 主 竺 丝一 a m 生辈 习 _ 下 .。 广卜 ( 1 ) 钢坯被吊车吊于上料台架后，由 上料台 架送至装料辊道，在此 安装有测长、计数及拨钢装置， 最后由 人工操作使钢坯中点与加热炉中心 线一致， 再通过步 进机构 将 钢坯送至炉内 加热。 步 进机构采用 连杆式，两 侧 连杆机构 采用同 步 轴机械同 步， 用两 个液压缸驱 动， 平 移梁为整体 框架 梁， 用一个油缸驱动， 为了 保证活动平移梁对钢坯实现“ 轻拿轻放” ， 靠 液 压系统调速来实 现， 调 速系 统采用比 例阀， 调速 控制信号由 步进机构同 步轴上安装的主令控制器发出; 系统缓冲采用 f d型平衡阀: 升降缸采用 差动连接。平移梁的导向不靠轮缘定向心，而靠布置在炉子中心线上的导 向 装置。加热好的钢坯由步进机构送至出料位置，采用取钢机取至出料辊 道，再送至轧钢系统。 ( 2 )燃烧系统和换热器:在火封段、上均热段、下均热段、第一上 加热段、 第二上加热段、 下加热段各段炉顶端部布置可调焰烧嘴， 该烧嘴 是 新一 代h k z 可调 焰烧嘴， 嫩烧效率高， 火焰 稳定， 操作灵活。 其 烧嘴前 风压为 1 9 6 2 - 2 4 5 3 p a , 煤气压力为7 8 5 - - 1 4 7 2 p a 。 步进式加热炉绝大多数只 对空气预热， 但也有对煤气预热的， 对煤气预热，由 于温度受到限制，节 能效果不理想且极不安全，因此对轨梁加热炉只预热空气，不预热煤气。 重庆大学工程硕士学位论文 2 加热炉工艺及控制要求 原 换热 器锈蚀漏风严重， 预 热效 果不好， 此次改造用新型高 效管 装状换热 器 取代原 有换热器， 预热 温度为3 5 0 - 4 0 0 0c ， 预热空气量为6 5 0 0 0 n m / h o 换热器分为四组， 便于检修和吊 装。 ( 3 ) 助燃风机选择:原有助燃风机经校核后完全满足加热炉 1 0 0 d h 的额定产量要求 ( 设计按 1 2 0 d h组织生产) ，为节省投资，利用原有风机。 改 造后风机风量可以自 动调节。 风机型号: 9 -1 9 n o 1 6 d ， 风量3 3 7 6 2 m / h , 全 压6 1 8 9 p a , 2台 。 其 所 配电 机改 型为y 3 1 5 l ,-6 、 功 率 1 1 0 k w， 转 速 9 6 0 ip m, 2 台。 ( 4 )炉底水封及除渣系统:为防止冷空气吸入炉内，炉子步进底处 采用水封。氧化铁皮由缝隙处落入水封槽，经刮渣板送入炉尾，从炉尾经 收集漏斗集中起来，水冲送入出料端的铁皮沟，然后统一运走。 2 . 3 . 4 加热炉技术性能 表2 - 1 序号名称单位计算数值 备 注 1炉子用途钢坯轧前加热 2 加热钢种 高、低碳钢、中锰钢、 低合金钢 3钢坯规格nn m 1 9 5 - 3 7 2 ( h ) x 2 0 0 - 4 9 5 ( b ) x3 9 0 0 - 4 8 0 5 3 0 0 - 6 0 0 0 ( l ) 4钢坯装炉温度常温 5 钢坯出炉温度 1 1 5 0 - - 1 2 5 0 6 均热段炉温 1 2 0 0 - 1 3 0 0 7 加热段炉温 -1 3 5 0 8出炉烟气温度 1 0 0 0 9炉底面积m a2 9 .5 3 5 x 6 .8 0 4 = 2 0 1 1 0炉子生产能力山! 的-1 加 1 1 有效炉底强度 k j / m、5 6 5 - - 6 7 8 1 2燃料种类高焦混合煤气 重庆大学工程硕士学位论文 2 加热炉工艺及控制要求 燃料低发热值 最大燃料消耗量 平焰烧嘴前煤气压力 可调焰及双焰烧嘴前压力 最大空气消耗量 平焰烧嘴前空气压力 可调焰及双焰烧嘴前空气压力 空气预热温度 k j/n m 7942n m 13一14 7 8 5 - - 1 4 7 2 7 8 5 5 4 6 2 6 1 9 6 2 2 4 5 3 pa一pa 巧一16 n m / h p a p a 17一18 1 9 6 2 n m / s 3 5 0 - 4 0 0 2 1 . 4 3 加一21 2 . 4 工艺对自 动化仪表、 控制系统的要求 ( 1 ) 加热炉主要检测、 控制仪表更换， 采用精度高、 性能可靠的仪 器; ( 2 ) 炉子供热控制由 六段改 为八段控 制， 即 火封段、 上均热东侧段、 上均热西侧段、 下均热段、 第一上加热东侧段、 第一上加热西侧段、 第二 上加热段及下加热段全部八段都采用计算机控制. 使每段控制区域面积减 小、 烧嘴数量少， 达到炉温容易 控制， 温度均匀， 钢坯加热质量好; ( 3 ) 增设残氧检测装置，自 动校正 空、 煤配比， 利用计算机丰富的 软 件 功 能 ， 采 用f u zz y - p d ) 相 结 合 的 复 合 控 制 算 法 对 影 响 炉 温 控 制的 炉 温设定、 空 煤气流量补正 等因 素 加以 改 进，以 提高 检测和 控制 精度; ( 4 )根据轨梁厂轧制节奏变化，设定其最佳炉温，在停轧时，对加 热炉进行自 动保温;另外需把9 5 0 轧机前钢坯温度信号送入计算机系统， 作为加温的修正信号: ( 5 )由于煤气热值难以 在线准确检测和控制，需将煤气调压站的高 焦炉 煤气混 合比 例信号 送入 计 算机， 便于监 控; ( 6 ) 计算机系统的选择需考虑以后与1 “ 加热炉、3 . 加热炉计算机系统 的联网; ( 7 )要求炉温检测温度与实际温度误差(1l o c.钢坯两端温差蕊 士1 0 c o 重庆大学工程硕士学位论文 3 d e l t a v现场总线系统 势、由 用户规定的 过程报警优先级和整个系统安全保证等功能， 还可具有 大范围管理和诊断功能。 操作员界面为 过程操作提供了先进的艺术性的工 作环境，并有内置的易于访问的特性。不论是查看最高优先级的报警、下 一屏显示， 还是查看详细的模块信息， 都采用直观一致的操作员导航方式。 3 ) 应用工作站 d e lt a v系统应用工作站用于支持d e 1 t a v系统与其它通讯网络， 如工 厂管理网 ( l a n)之间的连接。 应用工作站可运行第三个应用软件包， 并将第三方应用软件的数据链接到 d e l t a v系统中。 应用工作站同样具有 使用简单、位号组态唯一性的 特点。 此外还有经过现场验证的o p c服务 器。 基于这两点， d e lt a v系统应用工作站就能提供快速、可靠的信息集 成。 应用工作站通过经现场验证的o p c服务器将过程信息与其它应用软 件集成. o p c可支持每秒6 万多 个过程数据的 通讯， o p c服务器可以 用 于完 成带宽 最大的 通讯任务。 任 何时 间、 任何地点 都可获得安 全可靠的 数 据集成功能。 d e l t a v系统控制器与i o卡 件 d e lt a v系统的m 3 控制器是 基于9 0 年代技术开发的 控制器， 采用摩 托罗拉最新的p o w e r 8 6 0 芯片， 主频可高达5 0 m h z( 比 原来的6 8 0 4 0 芯片 主频高一倍) ， 7层的电 路板设计使得 m 3的 体积更小、 功能更强大，同 样的控制器硬件可完成从简单到复杂的 监视、 联锁及回 路控制。 特别值得 注意的是m 3 控制器完成这些控制功能的软件功能块完全符合基金会现场 总线标准. m 3控制器提供现场设备与控制网络中 其它节点之间的通讯和控制。 d e l t a v系统创建的控制策略 和系 统组态也可以 在这个功能 更强的控制器 中 使用。 m5 控制器提供m 3控制 器的所有特性和功能， 又增加批量控制 的 应用功能。功能强大的m 3 / m 5 控制器通过底板与 i o卡件连接. 在同 一个控制器中 可同时 任意混合安装常规 i o卡件和基金会现场总线接口 卡 件 ( h i ) . 所有的控制器与1 o卡件均为 模块化设计， 符合i 级ii区的防 爆要求，可直接安装在现场。 1 ) 控制器 d e lt a v系统控制器的功能特点: 自 动分配地址一 由 于控制器有自 动向d e l t a v控制网 络标识自 己的能 力，因此它是唯一的。当控制器被插入时，它自 动给自己分配一个唯一的 地址。 不需要开关， 不需要组态， 真正的即 插即 用。 自 动定位. 由 于具有l e d指示灯控伟 组 器的 物理位置很容易找到， 这种 提示作用使工作变得非常简单。 重庆大学工程硕士学位论文 3 d e l t a v现场总线系统 自 动 u 0检测一 控制器能 够 检测到所 有安 装在子系统上的阳 接口 通 道。 一插入1 0卡件， 控制器就能精确地知道v 0卡所连接的现场设备的 常用属性。这就减少了组态有关的无价值工作量，大大提高工作效率。 完全控制一 控制器接受所有 1 / 0接口 通道信号、实 现相关控制功能， 并完成控制网络的 所有通讯功能。时间 标签、 报警和趋势记录等也在控制 器中管理。 控制策略完全由 控制器执行。 在 5 0 m s内完成从输入通道接收 信息、调用控制算法并将输出数据输出 给执行机构的一系列工作。 数据保护一 将数据下装到 控制器时， d e lt a v系统 会保存下装信息。同 样， 用户在线改变控制器组态， 系统也 保存这些组态更改。 这样， 系统将 保存所有下装到控制器的 数据的 完整记录及所有曾 做过的在线更改。 向 下兼容， 可以 将现存控制策略和系统组态导出， 然后再将它们导入 到新的系统。 2 ) ro 卡件 d e l t a v系统的所有1 0卡件均匀为模块化设计，可即插即用、自 动识 别、 带电 插拔。 可提供二大类 1 0卡件: 一类是传统 1 0卡件，另一类是 现场总线接口 卡 件 ( h l ) ， 这二 大类卡件 可 任意混合 使用。 传统1 0件 传统1 0卡件是 模块化的 子系 统， 安 装灵活。 它可安 装在离 物理 设 备 很近的现场.传统v 0配备了 功能和现场接线保护键，以确保v 0卡能正 确地插入到对应接线板上。 基金会 现 场总 线接口 卡 ( h 1 ) h 1 卡可以 通过总线方式将现场总线设备信号 连接到d e 1 1 a v系统中。 一 个h 1 卡 可以 连 接2 段 ( s e g m e n t ) h l 现 场总 线， 每 段h 1 总 线 最 多 可 连接1 6 个现场总 线设备， 且 所 有设备 可在d e lt a v系 统中自 动识别其设 备 类型、 生产厂家、 信号通道等信息. 3 . 3 . 2 d e i t a v 系统软件及功能说明 d e lt a v 2程软件包括组态软件、 控制软件、 操作软件及诊断软 件. 组态软件 d e lt a v组态软件可以 简化系统组态过程。 利用标准的预组态模块及 自 定义模块可方便地学习 和使用系统组态软件。 d e lt a v组态非常直观， 标准的mi c ro s o ft w i n d o w s n t提供的友好界 面能更快的完成组态工作。 另外还配置了 一个图 形化模块控制策略 ( 控制 模块) 库、 标准图 形符号库和 操作员 界 面。 拖放 式、 图 形化的 组态方 法简 化初始工作并使维护更为简单。 重庆大学工程硕士学位论文 3 d e l t a v现场总线系统 d e l t a v系统预置的模块库完全符合基金会现场总线的功能块标准， 从而可以 在完全兼容现在广泛使用的h a r t智能设备、非智能设备的同 时， 在不修改任何系统软件和应用软 件的 条件下兼容f f 现场总线设备。 连接到控制网络中的d e lt a v控制器、 沁 和现场智能设备能 够自 动识 别并自 动地装入组态数据库中。 单一的全局数据库完全协调所有组态操作，从而不必进行数据库之间 的数据映象，或者通过寄存器或数字来引 用过程和管理信息的操作. 控制软件 d e l t a v的 控制软件在d e lt a v系统控制器中 提供完整的模拟、数字和 顺序控制功能。可以 管理从简单的监视到复杂的 控制过程数据， 通过标准 的拖放技术修改和组态控制策略， 而在线帮助功能使 d e lt a v系统的学习 和使用都变得更直观、更简单。 控制策略以最快 5 0 m s的 速度连续运行。控制软件包括显示、 趋势、 报警和历史数据的能力， 这些数据通过 v 0子系统 ( 传统 1 / 0 , h a r t , 基金会现场总线及串行接口) 送到控制器。 控制软 件还包括数字 控制 功能 和 顺 序功能图 表。 数字马达和数字阀门 控制提供了 全面的控制策略， 该策略在单个易于组态的控制位号下混合了 联锁、自由、现场启动一 停止、手动一 关闭泊动和状态控制。顺序功能图表 可以 组态不依 赖于 操作员而随 时间 变化的 动作。 它 们最适合于控制多 状态 策略。 可用于顺序和简单的 批量应用。 d e l t a v使用功能块图来连续执行计算、 过程监视和控制策略。 d e lt a v 功能块符合基金现场总线标准， 同时又增加和扩展了 一些功能块以 满足控 制策略设计更灵活的要求. 基金会现场总线标准的 功能块可以 在系统控制 器中执行，也可在基金会现场总线标准的 现场设备中执行。 操作软件 d e l t a v操作员界面软件拥有一整套高 性能的工具满足操作需要。 这 些工具包括操作员图形、报警管理和报警简报、实时趋势和在线上下文相 关帮助。 用户特定的安全性确保了 只 有那些有正 确的许可权限的操作员可 以 修改过程参数或访问特殊信息。 诊断软件 用户不需要记住用哪个诊断包诊断系统及如何操作诊断软件包。 d e l t a v系统提供了 覆盖整个系 统及 现场设 备的 诊断。 不论是尽快地检查 控制网 络通讯、 验证控制器 冗余， 还是检查智能 现场设备的 状态信息， d e lt a v系统的诊断功能都是一种快速简便获取信息的工具。 重庆大学工程硕士学位论文 4 加热炉现场总线模糊控制系统的设计 4 加热炉现场总线模糊控制系统的设计 轨梁厂 2 # 加热炉控制系统包括: 2 # 加热炉温度、压力、流量、残氧 分析仪等热工参数的检测与燃烧控制、炉膛压力控制、管道压力控制、换 热器的 保护控制; 辊道上料、步 进梁、 炉门， 风机等的联锁控制; 系统留 有向1 , 3 两座加热炉连网扩展的可能。 4 . 1 自 动化装配水平及控制方式 计算机系统采用配置灵活、 规模可变、扩展容易，能容纳多种 v 0 卡件的f c s系统， 完成对过程参数的 采集、监控和操作管理; 现场热工 参数的 测量、控制采用 f o u n d a t i o n fi e l d b u s 基金会现场总线仪表:开关 量信号经p r o f i b u s , s 7 -3 0 0 、 接口 卡与f c s系 统相联. 控制方式主要有 如下三种: qf c s自 动方式: 根据不同 的设定值，由 计算机系统独立完成过程 控制，也可用键盘进行人工设定; f c s手动方式: 在计算机系统手动状态下，可用键盘对各控制系 统进行手动控制: 现场手动方式:在上料辊道、出 炉操作台设手动控制。 4 . 2 选择现场总线控制系统时应考虑的几个问题 在实际 工程中，应用现场总 线技术构 成一个系统时，可 遵循以 下步骤 思考以 下几个问 题并给出答案作出选择，即可得到问题的解决方案。 4 . 2 . 1 项目 是否适用干 使用现场总线技术 世上没有包治百病的灵丹妙药， 任何一种先进技术， 超出 其适用范围 也不会得到好的效果。因此可 着重考虑以 下几个问 题: 现场被控设备是否分散? 这是决定使用现场总线技术的关键。现场总线技术适合于分散的、具 有通信接口 的现场受控设备的 系统。 现场总线的技术优势是节省了 大量现 场布线成本， 使系统故障易于诊断与维 护。 对于具有集中u o的单机控制 系统， 现场总线技术没有明 显优势.当 然， 有些单机控制， 在设备上很难 留出空间布置大量的1 / 0走线，也可考虑使用总线技术。 重 庆 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文4加 热 炉 1l z * ,9 翌% a 鱼rr. 丝竺生 系统对底层设备有信息集 成要求? 现场总线技术适合对数据集成有较高 要求的系统。 如需要建立车间 监 控系统、 全厂c i ms 系统。 在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备 及生产数据集成到管理层，为实现全厂信息系统提供重要的底层数据。 系 统 对底 层设 备 有 较 高的 远 程 诊 断、 故 障 报 普 及 参 数 化 要 求? 现场总线技术适合要求有远程操作及监控的系统。 4 . 2 . 2 系统实时性要求 所谓系统的实时性是指现场设备之间， 在最坏情况下完成一次数据交 换，系统所能保证的最小时间。 简单地说就是现场设备的通信数据更新速 度。以 下实际应用可能对系统的实时性提出 要求: 快速互锁连锁控制、 故障 保护: 现场设备之间需要快速互锁连锁 控制， 完成设备故障保护功能。 或系统实时性影响到产品加工精度。系统 实时性不高，可能 会导致设备损坏， 或产品加工质量。 闭 环控制: 现场设 备之间 构成闭 环控制系统，系统的实时性影响 到产品 质量，如产品薄厚不均、 大小不一、成份不同 等。 影响系统实时性因素如下: 1 ) 现场总线数据传输速率高具 有更好的实时性. 2 ) 数据传输量小系统具有更好的实时性。 3 ) 从站 数目 少系统具 有更好的 实时 性。 4 ) 主站数据处理速度快使系统具有更好的实时性。 5 ) 单机控制阳 方式， 比 现场总线方 式要有更 好的实时 性。 6 ) 在一条总线上的设 备具有 更 好的 实时性。 7 ) 有时主站应用程序的 大小、 计算复杂程度也影响系统响 应时间， 这与主站设计原理有关。 4 . 2 . 3 系统结构配置 决定 采用现场总线技术后， 从控制系统的结构形式、 选择哪种标准的 现场总线、如何与车间自 动化系统或全厂自 动化系统的连接三个方面来确 定系统的配置。 系统结构形式: 1 ) 分层? 现场层? 车间 层? 是否需要车间层监控? 2 ) 结构 ( 从站)? 有多少从站?分布如何?从站设备如何连接? 现 场设备是否具备接口?可否采用分散式y o连接从站? 哪些设备需选用智 重庆大学工程硕士学位论文 4 加热炉现场总线模糊控制系统的设计 能型u o控制。 根据现场设备地理分布进行分组并确定从站个数及从站功 能的划分。 3 )结构 ( 主站)?有多少从站?分布如何?如何连接? 4 ) 系统结构类型?根据现场设备是否具备现场总线接口， 分为三种 形式:总线接口型、单一总线型、混合型。 选择什么标准的现场总线 1 )根据系统是离散量控制还是流程控制，选择适合的现场总线是否 需要本质安全? 2 ) 现场总线数据传输速率? 根据系统对实时性要求及传输距离长短， 决定现场总线据传输速率。 3 ) 车间级监控及监控站?是否需要车间级监控?选用 f ms 、监控站 及连接形式。 4 )主站形式?根据系统可靠性要求及工程经费，决定主站形式及产 品。 如何与车间自 动化系统或全厂自 动化系统的连接 1 ) 是否需要车间级监控? 如果需要作车间级监控或需要为车间级监控留出接口，主站应配置 f m s 接口。 监 控站应接到f m s网 上， 因此 监 控站也要考虑配置f m s网 卡。 2 ) 设备层数据如何进入车间 管理层数据库? 设 备 层数据进入车间 管理 层数 据库， 首 先要 进入监控层 f m s的 监控 站， 监控站的监控软件包具有一个在线监控数据库， 这个数据库的数据分 两个部分，一是在线数据，如设备状态、数值数据、报普信息等:另一类 为历史数据，是对在线数据进行了一些统计分类以 后存储的数据，可作为 生产数据完成日 、月、 年报表及设备运行记录报表。 这部分历史数据通常 需要进入车间级管理数据库。自 动化行业流行的实时监控软件，如 f i x , i n t o u c h , w i z c o n , winc c , r s v i e w等， 都具有m i c r o系列 数据 库接口 ， 如a c c e s s , s y b a s e , f o b a s e 。 工 厂管 理层数 据库 通过 车间 管理层得到设备层数据。 4 . 3 现场总线仪表选择 4 . 3 . 1 ; 主要检测、控制内 容 混合煤气主管道压力检测、下下限 切断、调节; 混合煤气配比信号检测、监视; 重庆大学工程硕士学位论文 4 加热炉现场总线模糊控制系统的设计 ( 3 ) 混合煤气流量检测、监视; ( 4 ) 预热空气主管压力检测、下下限联锁; ( 5 ) 换热器前、 后温度检测、监视、上上限 报替; ( 6 ) 8 燃烧段的混合煤气流量 检测、 调节; ( 7 ) 8 燃烧段的 预热空气流 量 检测、 调节; ( 8 ) 各段炉膛温度检测、 控制; ( 9 ) 炉膛微差压检测、 控制; ( 1 0 ) 9 5 0 轧 机前钢坯温度检测; ( 1 1 ) 烟气含氧量检测; ( 1 2 ) 放散阀的 控制; ( 1 3 ) 汽化部 分的 水量、 水压、 液 位 检测、 控制; ( 1 4 ) 液压系统的油温、油压、 差压、 检测、 监视: ( 巧) 水封系统的水温、水压、水量、 检测、监视。 4 . 3 . 2 现场总线仪表的 选择 压 力、 差 压 、 流 量 变 送 器， 选 用f i s h e r r o s e m o u n t 公 司 的3 0 5 1 f 系列，它是以 微处理器为基础的智能系列现场仪表;数字技术的使用使其 有最大的精度 ( 1 0 . 1 %) 和量程范围，以 及使现场和控制单元之间的接 口 容易 ， 具 有远程调0 位和 满量 程， 远程诊断 功能; 具有温、 压补正 功能， 重 量轻、 便于安卿16 , 温度 变送器选用f is h e r r o s e m o u n t 公司的3 2 4 4 一体 化温 变， 具有 高稳定性、可靠性和精确度土 0 . 1 %， 具有温度传感器漂移检测特性，对 非关键点， 两点 温度检测可用一台 变送器。 调节阀 选用f is h e r 中国 ( 天 津) 分 公司生 产的d v c 5 0 0 0 f系列数 字式阀， 是一种全智能型， 有通讯能力，以 微处理器技术为基础的 新一代 仪 表，具有改善控制精度、 提高安全性、 环境保护、节省硬件开 支、 具有 故 诊断、 操作省时等 优点 n n 煤气 低压切断、 热风 放散阀 仍采用 z s l系 列长行程执行机构。 残氧分析仪选用r o s e m o u n t公司的 残氧分析仪， 其反映灵敏， 响应速度快， 在控制系统中可不考虑纯滞后补正， 此分析仪自 带过滤装置， 将空气中的氧作为标气，减少以后的维护成本。 重庆大学工程硕士学位论文 4 加热炉现场总线模糊控制系统的设计 4 . 3 . 3 现场总线部件的选择 网络数量的选择:主要根据现场总线拓扑结构规则、控制逻辑选 择; 拓朴结 构规则规定: 每条h 。 网 段最多 可接3 2 台 现场设 备， 在任意两 台设备间最多可使用4台串 联的中继器， 总长度9 5 0 0 m - 2 0 0 m ，每网段所 带设备的 数量取决于h ， 干线的 支线 数、电 缆电 阻、 总线供电电 源电 压、 现场设备的 最大消耗电 流和最小工作电 压等因素。 逻辑控制就是要方便地 取到反馈信号，并把它送到应该去的地方，为确保反馈信号准时送到，必 须限制网络上设备的数量或通信量。 加热炉现场总线按7 条网段设置， 8 段燃烧调节4 条网段， 炉内 压力、 温度1 条，公辅信号1 条，混合煤气配比信号1 条. 电缆的选择:f f总线有a , b , c , d 4 种类型，最大允许长度分 别 是1 9 0 0 m , 1 2 0 0 m , 4 0 0 m , 2 0 0 m , h : 最 大 长 度 是 干 线 长 度与 支 线 长 度 之和，一条网络可以是几种类型电缆混用，由下列公式决定: l ama 十 l b / mb + l c / / mc 十 l d / md - ! ) 在 t 及t 十 八 : 时 间 的 温 度 重庆大学工程硕士学位论文 5 加热炉现场总线模糊控制系统的实现 边界条件的 差分化，由5 一式及5 - 3 式得 、 kto+1,l 典乙 = 。 2 匀 ( 5 - 5 ) 9 一 a y ltf 一 t.k,i 由5 一式和5 - 5 式得出下列计算用的 差分方程式 1 ) 钢坯得内部各节点 k: 一 、 (xxt: 一 tikj一 )+ 2i 一 。 (x)一 。 。 ) 一 。 + folti 1.， + tk ,l l ( 5 - 6 ) 式 中 :f o 伽 ) f . ( ., ) 二 a - 0 川勿2 =a- r / 酝2 2 ) 坯料上表面各节点 tk+1 = f ltknj on.i一、 t:，+ 、)+ r+ tnk j+1)+ 2 l2 一 : (x)一 : v y i呼i ( 5 - 7 ) 式中:b i(y ) 一 a y t 书气温 度 健 潮坯断 面的 平均渴度 ay/a. ，计算中为室值。 实际上，严格计算时，应取各节点平均温度下的数值。 对内部各节点，由5 - 6 式知 ( i + f,2 一 。 呼“ ( 5 - 8 ) 或 a r _ 万一石 g a l =+= i l iv