（计算机应用技术专业论文）蓄热式加热炉计算机控制系统的研究和开发.pdf

中南大学硕士论史 蓄热式加热炉优化控制系统的研究与开发 摘要 随着智能控制的快速发展人们在模糊控制理论探索和实际应用两个方面，都进行了 大量研究，并取得了比较好的成果。本文以涟钢四轧厂加热炉燃烧过程为背景，介绍了加 热炉燃烧优化控制系统的研究和设计方法。它根据熟练看火工人的正常操作，利用各种反 映加热炉的热工参数及控制参数的检测数据，提出用一种模糊推理的方法来求得加热炉燃 烧过程的控制模型，即控制规则，并且用此模型构造出种模糊控制器，实现了加热炉燃 烧过程的自动控制，这样，既主动利用了看火工人现有的操作经验，又解决了看火经验不 能很好地直接用热工参数来反映的矛盾。为加热炉燃烧过程的自动控制开辟了一条新途径， 为模糊理论在加热炉燃烧过程中的应用打下了扎实的基础。 首先，本文结合加热炉的钢坯加热工艺过程，给出了国内外燃烧优化控制现状。然后 介绍了课题的基本情况以及系统设计方案。紧接着重点讲述燃烧优化控制模型的建立过程 和方法。最后讨论了系统软硬件设计和实现，这里重点突出了系统软件的设计思想和设计 方法。系统软件采用v c 编制，主要包括了流程监视模块、变频排烟模块、实时曲线模块、 历史曲线模块、历史参数模块、棒状图模块等。系统通过现场调试运行，实现了炉况参数 监视炉温模糊控制等功能。现场运行情况证实系统具有一定的可靠性和实用性，能够满 足现场要求的精度。 关键词：加热炉，燃烧过程优化控制，模糊推理，控制模型，应用软件设计，过程监视， 模糊控制 生童= ；苎兰堡主堡垒 蔓垫塞塑垫生垡丝丝型墨丝盟竺塑：! ! 堕 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，p e o p l ed o i n g l o t so fr e s e a r c ho nf u z z y c o n t r o lt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n ，t h e yo b t a i nag o o dm a n y a c h i e v e m e n t s t h i st h e s i si l l u s t r a t e s t h er e s e a r c ha n dd e s i g nw o r ko nc o m b u s t i o no p t i m i z i n gc o n t r o ls y s t e mo f h e a t i n gf u r n a c ew i t h t h eb a c k g r o u n do fs i z h ad e p a r t m e n ti nl i a n y u a ns t e e lc o m p a n y u s i n gt h eh e a t i n gf u r n a c e s p y r o l o g yp a r a m e t e ra n ds u r v e yd a t a o fc o n t r o lp a r a m e t e r ，i tp r o p o s e saf u z z yr a t i o c i n a t i o n m e t h o dt oo b t a i nc o n t r o lm o d e lo fh e a t i n gf u r n a c e sc o m b u s t i o np r o c e s sa c c o r d i n gt ot h es k i l l e d w o r k e r sn o r m a lo p e r a t i o n af u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h i sm o d e l s o 。i tr e a l i z e st h e a u t o m a t i cc o n t r o lo fh e a t i n gf u r n a c e sc o m b u s t i o np r o c e s s t h em e t h o di tp r o p o s e sn o to n l y m a k e su s eo fs k i l l e dw o r k e r so p e r a t i o ne x p e r i e n c e ，h u ta l s os o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h es k i l l e d w o r k e r se x p e r i e n c ec a nn o tr e f l e c th e a t i n gf u m a c e sp y r o l o g yp a r a m e t e rd i r e c t l y i tp i o n e e r sa w a yf o ra u t o m a t i cc o n t r o lo fh e a t i n gf u r n a c e sc o m b u s t i o np r o c e s s i ta l s og r o u n d sf o rf u z z y c o n t r o lt h e o r y sa p p l i c a t i o ni nh e a t i n gf u r n a c e sc o m b u s t i o np r o c e s s f i r s t ，c o m b i n i n g w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fh e a t i n gf u r n a c e sc r a f t p r o c e s s ，t h i s t h e s i s i n t r o d u c e st h ea c t u a l i t yo fc o m b u s t i o no p t i m i z i n gc o n t r o li nt h ew o r l d t h e ni td i s c u s s e st h e b r a s st a c k so ft h ep r o j e c ta n dt h es y s t e md e s i g ns c h e m e f u r t h e r ，t h em o d e l i n gp r o c e s sa n d m e t h o do ff u z z yc o n t r o lo fh e a t i n gf u r n a c ea r ee x p a t i a t e d l a s t ，i t e x p l a i n st h ed e s i g n a n d r e a l i z a t i o no ft h ec o m b u s t i o nf u z z yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n ，h e r et h et h o u g h ta n dt h em e t h o d so f s y s t e m d e s i g na r ee m p h a s i z e d t h es y s t e ms o f t w a r e ， d e v e l o p e db yv c ，c o m p r i s e sf l o wm o n i t o rm o d u l e ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds m o k ee x h a u s t m o d u l e ，r e a lt i m ec u r v em o d u l e ，h i s t o r i cc u p c em o d u l e ，h i s t o r i cd a t as e a r c hm o d u l ea n dc l a r a i c h a r tm o d u l e f u n c t i o n so fp a r a m e t e r sm o n i t o r i n g ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n go f h e a t i n gf u r n a c e a f er e a l i z e di nd e b u g g i n ga n d r u n n i n g t h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yh a v eb e e np r o v e d k e yw o r d s ：h e a t i n gf u r n a c e ，c o m b u s t i o no p t i m i z i n gc o n t r o l , f u z z yr a t i o c i n a t i o n ，a u t o m a t i c c o n t r o l ，s y s t e md e s i g ns c h e m e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，s y s t e ms o f t w a r e ， p a r a m e t e r sm o n i t o r i n g , t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g l l i ! 塑_ 大竺堡主堡奎 蔓垫茎! ! 垫生垡些丝型墨堑堕堕塑! ! ! 型羔 1 1 钢坯加热工艺过程 第一章绪论 钢锭轧前处理过程是钢铁生产过程中的一个十分重要的环节。所谓轧前处理过程，即 指从铸锭到粗轧的全部生产过程。涟源钢铁集团的钢锭轧前处理过程，具体可以叙述为 下面这样一个过程：钢水由炼钢炉进入钢包，然后从钢包被倒入锭模中成型，即固化和 冷却。由于对钢锭再成型过程的金相结构有一定的要求，故需一定的镇静时间，其长短决 定于钢种。当钢锭在锭模内完成镇静之后被拖到脱模场，对于沸腾钢，则在那里将锭模 脱掉，钢锭便直接露在空气之中，而对于镇静钢，则在那里松动锭模，然后将锭送至加热 炉区。由于钢锭在模内或暴露在大气之中，损失大量的热量，故当锭进入加热炉区时，表 面温度已远低于轧机对温度的需求。加热炉的任务是将内外温度不均匀的钢锭送至加热炉 内，通过用燃料加热，使钢锭的温度逐步均匀，且满足初轧机的要求。一旦钢锭达到了加 热的指标，则将它们从炉内取出，经钢锭传送线送初轧机轧制。 图11 蓄热式加热炉工作原理圈 涟源钢铁集团四轧厂采用的加热炉为蓄热式加热炉，该蓄热式加热炉利用高效蓄热燃 烧技术，采用煤气做主燃料。通过煤气和空气的混合燃烧给炉体内的钢坯加热。主要由蓄 热式燃烧器、自动控制系统和换向阀构成，其工作骧理如图1 1 所示。从鼓风机出来的常 温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器b 后在经过蓄热式燃烧器b 时被加热，在极短时 间内常温空气被加热到接近炉内温度( 一般比炉温低s o 1 0 0 0 c ) 被加热的高温热空气进入 炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股禽氧曩大大低于2 1 的稀薄贫氧高温气流，同时往 稀薄高温空气附近注入与从烟道跑出的烟气换热后的燃气，燃料在贫氧( 2 2 0 ) 状态下实 现燃烧与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过男一个蓄热式燃烧器a 捧入大气。炉膛内 高温热烟气通过营热式燃烧器a 时，将显热储存在蓄热式燃烧嚣a 内。然后经过换向阀排 出为利用余热烟道中设置煤气换热器。使煤气换热至一定温度工作温度不高的换向 阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态。从而达到 节能和降低n 0 2 排放量等目的常用的切换周期为3 0 2 0 0 秒。由于燃烧器内的蓄热室的 中南大学硕士论文 蓄热式加热炉优化控制系统的研究与开发 阻力损失比较大，自然排烟的难度较大，烟气的排出须依靠引风机提供动力。如此周而复 始。控制系统方面，预热段、加热段和均热段各有1 个温度控制段。另外，对炉膛压力，换 热器温度保护，总管煤气压力及总管空气压力等安装了检测与控制装置。 在涟钢蓄热式燃烧系统中，燃烧器、燃烧器内的蓄热室和换向阀是主要部件。对于蓄 热室，一般要求具有良好的导热系数、较大的单位体积蓄热量、较小的阻力损失、积灰后 易清扫。采用陶瓷球形式。换向阀由于换向动作频繁，要求其可靠性、耐久性以及密封性 能好，采用专门设计的四通阀。 加热炉炉体在物理上可分为预热段，加热段，均热段。划分依据是各段的加热作用， 段与段之间没有明确的界限。加热炉的工艺流程如图1 2 所示。钢坯进入加热炉后经预热、 加热、均热达到轧制目标温度，完成全过程。预热段主要是将刚送进炉口的钢坯预热。温 度一般应保持在8 5 0 1 1 0 0 c 。钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制 升温速度。钢坯经过预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加 热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。般，温度应保持在 11 5 0 1 2 2 0 c a 均热段主要将钢坯均匀加热到1 2 0 0 1 3 0 0 c 。若均热段温度过高，将出现钢 体打滑现象，温度过低则不能出钢。这三段的温度互相耦合，互相影响。另外，进入炉 口的钢坯温度也会影响钢坯烧透所需要设定的温度，进冷坯，则设定温度应该要高些。热 坯则设定温度应低些。 均熟段 i 加热段 f 预热段 幽1 2 加热炉工艺流程图 若炉温经过一段时间达不到设定的温度。此时，炉体不能出钢，称为待温；换辊或者 加热不同型号的钢坯时，为避免炉温升得太高，应减少煤气流量和空气流量，炉体不能出 钢，称为保温。 不同钢种所需的加热时间不同。钢坯温度愈高因钢种不同而造成加热时间的差别愈 小钢坯断顽尺寸也是影响加热时间的重要因素，铜坯断面尺寸愈大，所需加热时间也愈 长。 在钢坯加热过程中预热段、加热段、均热段炉温分布等决定了出炉钢坯温度，是影响 产品质量的重要因索，因此在生产过程中必须及时监测，严格控制。 1 2 国内外控制现状 1 2 1 国外控制现状 自6 0 年代计算机进入工业领域，国外许多国家( 如美、苏、日，西德) 就开始了加热炉 计算机优化控制的研究及应用7 0 年代中后期，国际上对加热炉数学模型及相应的优化控 制策略的研究日益活跃，控制系统在加热炉上的应用不断完善。8 0 年代末期，在工业发达 2 生堕查兰堡兰j ：堡三! ! ； 蔓垫垫垫垫生垡些丝型墨竺竺婴塞皇茎茎 的国家，己普遍实现t j n 热炉的计算机的双级控制，并实现了与整个轧线及全企业联网。 ( 1 、瑞典a b b 公司加热炉在线过程模型 瑞典a b b 公司与荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司研究部门合作j ，成功研制了带钢热轧 机使用的在线过程模型。这些模型对带钢热轧机所需要的各种控制功能，执行预设定和优 化控制，其中包括板坯加热炉最佳加热曲线的计算和燃烧控制计算及优化控制。用过程模 型确定氧化层表面的实际温度，钢离线静态和动态模型仿真推导出对所有可用板坯确定最 佳加热曲线。测量粗轧机的出口温度。对炉子的每个区段进行反馈，然后将反馈值换算成 出炉温度。此加热炉在线控制过程已成功地应用于瑞典的d o m n r v e t 厂加热炉实行计 算机分级控制后，燃料节约6 1 。 ( 2 ) 美国l u k e n s 钢铁公司加热炉控制系统 该公司两座加热炉配置一套计算机控制系统口j 。此控制系统由加热炉计算机、轧机计 算机监控两个炉子的加热过程。第一级控制系统实现加热炉各个区的空燃比、炉压、空气 压力和热风放散等控制，并实现包括燃料选择在内的全部逻辑功能。为保证加热炉的最佳 推出速度和生产调度模型程序将增速、减速、速度保持以及停止和恢复生产等一系列信 息传递给轧机自动化计算机。为了及时不断地向轧机提供温度适宜的热钢坯，对钢坯加热 速度和轧机轧制进行比较，以决定加热炉向轧机传送钢坯的间距，系统根据此间距的极限 速度值计算温度设定值，设定值选择程序根据生产率、产品尺寸、以及预测的产品温度等 信息进行温度设定值选择，把钢坯有效地加热到要求的出炉温度。该系统的关键是实时一 维热传导机理模型。为精确地得到加热炉的温度曲线，每个炉子沿长度方向规则地安装九 根热电偶进行温度测量。两级计算机系统投入运行后，在节能、高产、高质量等方面均取 得了较好的效果。 1 2 2 国内控制现状 我国从8 0 年代初开始进入轧钢加热炉计算机优化控制应用阶段。十多年来，我国的科 学工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了许多重要的研究成果。将数学模型与 炉温控制相结合引入人工智能的方法，在多座加热炉上实现计算机优化控制，取得了节 能、降耗和提高加热质量的效果。许多单炉的熊耗指标已达到世界先进水平。据统计，实 现加热炉计算机优化控制，平均每座炉可节能8 l o 【3 l i 减少金属氧化烧损1 0 3 0 。与工业发达国家相比，我国的加热炉计算机优化控制理论水平已赶上国际先进水平， 但起步晚，并且发展十分不平衡。到目前为止，在我国拥有的千余座加热炉中，实现计算 机优化控制的不足4 0 。另外，我国的加热炉计算机优化控制系统大多数仅限于单炉控制， 计算机优化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- 而且各企业管理水平差异较大，炉况不同，有些较先进的计算机优化控制 系统没有发挥应有的作用。控制效果不佳；有的企业炉况较差影响了整个系统的控制。 1 3 课题的来源、目的与意义 1 3 1 课题来源 本课题“蓄热式加热炉燃烧优化控制系统”是涟源钢铁集团公司委托我院信控所开发 的横向课题。控制对象是涟源钢铁集团公司四轧厂的蓄热式加热炉。 涟源钢铁集团公司四轧厂的蓄热式加热炉主要用于生产钢卷带材。原南山寇公吾1 甜* 堕查兰堡主丝壅 蔓垫壅塑垫丝垡垡丝型墨竺竺竺塞生茎垄 的加热炉燃烧控制系统，存在以下问题： ( 1 ) 由于蓄热式加热炉采用焦炉煤气和高炉煤气的混台煤气作燃料，它们的配比经常变 化，所以，煤气热值也经常变化。由于，没有热值测量仪，原来的p i d 双环控制方式，为了 适应这种煤气热值经常变化的情况，阀门闭环不停调节阀门开度，不仅得不到很好的响应 性能，而且调节阀由于操作过于频繁，很多已经损坏，更加加重了自动控制的难度。 ( 2 ) 原来的控制软件由于一些方面的原因，不能启用，工人只能通过仪表监视加热炉 工况，严重影响了生产的顺利进行与产品的质量和产量，自动化程度很低。 ( 3 ) 无法保存历史数据，无法统计和打印，不便于管理。 ( 4 ) 原系统工艺操作随意性大人为因素影响检查结果，难以确保操作规程的执行。 因此设计加热炉计算机控制系统，同时保留原有的d c s 控制系统，以满足钢卷带材生 产的实际需要。 1 3 2 目的 为满足钢坯加热过程控制的需要，适应煤气热值不稳定的情况，加热炉计算机控制系 统必须具有下述功能： ( 1 ) 实时监测加热炉燃烧的过程参数，进行模拟画面监视、三段炉温监视、过程参数 监视和历史数据检索、实时曲线和历史曲线显示、报警及其记录、控制棒形图操作、报表 打印等，满足实时监视和数据管理的要求1 4 】。 ( 2 ) 采用模糊专家控制策略，根据炉温设定值实现三段炉温的模糊专家控制，同时提 供在计算机上的手动控制功能，基本达到三段炉温的实时控制。升降温的要求。 ( 3 ) 以现场设备为基础，实现计算机与智能调节器，数显表、数据采集器以及变频器 的数据通讯，建立两级计算机燃烧优化控制系统。 ( 4 ) 提供对变频器调速控制的接口，实现对变频器的计算机控制。 1 3 3 意义 加热炉是轧钢厂生产工序中重要的咽喉设备，也是该工序中能耗最大的设备。改进加 热炉的目的是在完成金属轧前加热的同时，尽可能提高炉子韵生产指标( 包括产量、加热质 量和能耗等) 。对于结构一定的炉子，操作参数是影响炉子指标的积极活跃因素【，i 。加热炉 优化控制就是要实时准确地优化各操作参数，以构成合理的炉内温热制度，使之获得最优 的生产指标。采用专家模糊控翩方法，实现计算机燃烧优化控制，可以保证工艺和技术经 济指标的先进性，创造可观的经济效益嘲。 ( 1 ) 节约能源 实现台理的燃烧控制，可大幅度降低燃料化学不完全燃烧热损失和排烟损失。与人工 操作相比化学不完全燃烧热损失可由原来的5 1 5 降到1 | 三i 下；空气过剩系数由原 来的1 3 1 ，6 准确地控制在1 1 1 3 之间，而使摊烟热损失降低1 2 1 8 ，燃耗降低 4 8 一11 2 脚。 在加热炉中，金属加热终了温度通常在l l o o 左右，为了保证加热终了钢温不低于轧 钢工艺规定的温度，只好把出炉钢温定得尽可能高些而实现以钢温为目的的计算机优化 控制后，可将出炉钢温偏差控制在士1 5 。理论计算表明加热终了钢温平均下降5 0 1 0 0 ，可使燃耗下降4 8 f 3 】o ( 2 ) 减少金属在炉内的氧化烧损 金属在炉内停留时间一定时，造成氧化烧损偏高的原因主要是空气过剩系数过大和金 4 生塑查兰堡主笙壅 一i 墼熊竖堕垫竺笪丛兰塑堕受堕塑堕坠! ! 堕 属表面温度过高。实验表明，1 0 号碳索钢表面温皮由1 2 0 0 降为1 0 5 0 。c ，加热时间相同 时，其氧化烧损减少3 7 1 【3 1 。此外，实现加热炉计算机优化控制，可提高控制精度，改 善产斛质懿避免事故：减少修炉次数，提高作业率；减少环境污染；提高操作平符理水 平。 ( 3 、因为有了所有加热过穗的曲线以及对应的钢材特性t 便丁了解各种钢种的特性， 以此米改善钢材的生产j ：艺，从而提高产鼎质嫩。 ( 4 ) 安全性 南j ：加热炉通过采州高温煤气和空气的混合气体燃烧- 米加热钢坯，如果煤气压力手空 气压力过人和过小，变频器的跳闸等情况都很容易引起安全市故。加热炉优化控制系统控 制算法设计中计莽流鲢时充分考虑刘这些因索并且可以在上侥机中改置是甭南变频器控 制引风机，尽量消除这种蜜全隐患；同时在上位机实现了寅时报管功能，人人提高了系统 的安全性。 在h 前推广的咀：f 序：常能为目的的连铸连轧、热送热裟、直接轧制、低温轧制等技术 中，加热炉的计算机优化控制对j ：保证上述一l ：2 的实施也是十分重要的。 1 4 基本控制思想 对生产过程进行优化是模糊控制技术的重要应用之一。模糊控制技术趋近代控制理论 中的一种高级策略和新颖技术。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理 币i 综合决燕过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提商成为智能控制技术的一个 重要分支。 将模糊集合理论运用于自动控告4 而形成的模糊控制理论pj 在近年米得到了迅速的发 展，其原闪在于对那些时变的非线性的复杂系统。当无法获得精确的数学模型的时候利 用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。在轧钢过群温度控制系统中要得到正确而 且精密的数学模酗是相当匿难的。对于这些系统却具有犬敲的以定性的形式表示的极艇重 要的先验信息，以及仅仅j l i i 语言规定的性能指标。同时。要求过程的操作人员是系统的基 本组成部分等。所有这些郝是一种不精确性应j ： j 一般的控制理论实现起来控制效果不是 很好但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过稗操作人员的控制方法是 建立在直观的和经验的基础上他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务。 于是，把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一缎条r i ：语匈然后运用模糊集合理论将 其定懿化。使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略这样就构造了以模糊集合理 论为基础的模糊控制器h l 。因此，考虑前醒已有系统的缺陷和问题。结台加热炉燃烧过程 的非线性、太滞赢、时变性筠特点。本课题采朋基于模糊控制理论的方法实现炉温控制。 1 5 论文构成 本论文共分八章，第一章介绍了轧钢：l 艺以及加热炉控制现状。还宵有荚课题的基本 情况和基本思路。第二二章引出系统的总体结构。包括二级计算机控制系统的软f l ：，硬件以 及软硬件的通信。第三章介绍了控制策略结合模糊控制的萋本理论着重讲述了炉温模 糊控制模型的建立过穰- 第四章主要介绍了实现监视和控制功能于一体的软件系统的功能 羊计重点讲述了软件功能模块，尤其是算法模块的实现第五章介钌 了加热炉燃烧优 化控制系统在调试中采“l 的技术以及出现的问题和解决方法。最后，第a 章，对本文所做 的i ：作作以总刍! i 对课题的进一步深入挺山建议展望智能方法进行炉温控制灼前景。 主壹查堂堡圭丝兰董垫苎堂堂堕型竺垡望整墨竺塑型羔皇! 堕 2 1 总体设计 第二章系统总体结构 根据课题要求加热炉计算机控制系统采用了如图2 1 所示的两级计算机控制系统结 构【”。 图2 i 控制系统结构 第一级由s d c 4 0 、s d c 3 1 智能控制器、变频器a c s 6 0 0 、数据采集器j t m 3 5 0 a 和数 显表t r m 0 0 6 等组成。作为工控机与过程对象的接口，采集工控机集中监视所需的温度、 流量、压力等信号，通过r s2 3 2 r s4 8 5 转换器与工控机通信。 通过控制器实现预热段、加热段、均热段煤气、空气阀开度的直接控制，从而实现炉 温控制；根据工况调节变频器，控制引风机的引风量。达到对炉压、 烟的间接调节及节 能的目的；数据采集器采集空气总管压力、煤气总管压力、炉压和新增的三段蓄热室热电 偶温度；数显表获得预热段、加热段、均热段蓄热室温度等参数。 第二级由工控机构成。用于钢坯加热过程的实时监测，包括各种参数的显示与查询， 实时曲线的显示，历史曲线的显示与查询：修改和发送预热段、加热段、均热段炉温、煤 气和空气阀开度设定值、空燃比等：智能控制算法实现也在工控机实现。第二级采用模糊 控制直接提供六个s d c 3 l 所需的阀门开度设定信号： 加热炉燃烧控制系统还包括空气总管压力、煤气总管压力、炉压、排烟控制，由于这 些控制回路的p i d 控制器的通信接口都已损坏。故不在本系统控制范囝内。 改造后的控制系统采用小型集散两级控制方式i ”l 。如图2 2 所示数显表t r m 0 0 6 完 成预热、加热和均热段蓄热室、废气温度及煤气预热温度、挟热前和换热后烟温的温度信 号采集；数据采集嚣j t m 3 5 0 a 采集炉压、煤气总管压力、空气总管压力和预热、加热、 均热段蓄热室温度信号( 新增) ；变频器对引风枫实行开环控制，输出频率在2 s 至9 0 之 间连续可调，以实现节能的目的：由于2 # 柜中控制器触通信接1 2 1 均已损坏，未对原山武公 司设计的空气压力、煤气压力、炉压和排熘渗冷控制做改动由于变频器位置离监控室较 远，通信线与高压电线走同一通道，通信线受到的干扰较大，为避免其干扰对监控室控制 器、数据采集器、数显表与工控机通信的影响，变频器单独占用工控机的另一r s 2 3 2 串口。 6 主堕查兰堡主堡塞 董垫查型垫竺垡些丝型墨竺堕婴墨! ! 至茎 c o m 2 口 孛裱 t r m 0 0 6i l t r m 0 0 6l l j t m 3 5 0 t e l 0 4 t e 2 0 4t e 3 0 4 t e l 0 4 a t e 2 0 4 at e 3 0 4 a t e l 0 5t e 2 0 5t e 3 0 5 t e 0 0 4t e 0 0 5t e 0 0 6 p e 0 0 1 p e 0 0 2 唧0 3 一恻孳一惴恽 引肌盎l a i r 叫c 洲g az ) j t 矗e 2 0 3 lc m a i r 叫c m g a i t 盎e 3 0 3 i a i r o ”lcmgatet03 t e 2 0 3 t e 3 0 3 z ， 上上上上上上 2 2 硬件构成 圉2 2 炉温控制系统结构框匿 根据系统的总体设计结构，采用了下列硬件设备： ( 1 ) a d v a n t e c i l 6 1 0 p 研华工业控制计算机一台( c p u 为p i i l 9 0 0 ，2 5 6 m 内存，4 0 g 硬 盘) 用来做上位机实现软件的监控功能； ( 2 ) 2 l 英寸p h i l i p s2 0 1 b 彩色显示器一台： ( 3 ) a d a m - 4 5 2 0 转换器一个，用于实现工控机串口r s2 3 2 与变频器r s4 8 5 信号的转 换；m w f _ , 4 8 5 c 转换器一个，用于实现工控机串口r s2 3 2 与其他低层设备r s4 8 5 总线信 号的转换； ( 4 ) h s 2 5 2 4 直流2 4 v 电源一个，供给上述转换器壹流电； ( 5 ) e p s o n l q - 1 6 0 0 k i i 打印机一台，用于打印程序中输出的数据和报表i ( 6 ) 3 个通用多回路控制器s d c 4 0 8 5 g 4 a s 0 9 2 0 0 ，分别提供三段炉温闭环控制；2 个通 用多回路控制器s d c 4 0 8 2 g 4 a s 0 6 2 0 0 用于炉压和煤气压力闭环控制；6 个单回路控制器 s d c 3 1 2 g a 0 4 4 6 0 ，分别提供三段空气和煤气阀门闭环控制：2 个单回路控制器 s d c 3 1 2 g a 0 0 4 5 0 ，用予炉压和煤气压力阀门闭环控制； ( 7 ) 1 个j t m 3 5 0 a 数据采集器： ( 8 ) 9 个t r m - 0 0 6 数显表； ( 9 ) 1 个a c s 6 0 0 变频器。 2 3 控制方案 参考山武公司所提供的关于原有系统的设计方案i l l 】，以预热段控制器为例，控制结构 如图2 , 3 所示。 7 ! 塑查兰堡兰丝苎望壁堑型型型皇垡垡丝型墨竺苎旦墨兰墨兰 t e l 0 3 圈2 ，3 预热段控制器信号连线图 以上图中参数说明如表2 1 所示。 表2 1 参数说明 位号名称 t e l 0 3 预热段温度 f t l 0 2预热段煤气流量 f t l o l 预热段空气流量 电 动 执 行 器 f v l 0 2 电 动 执 行 器 f v l 0 1 原有控制系统由c l 这个s d c 4 0 控制器提供温度闭环控制回路。输入为温度偏差、实 际空气流量、实际煤气流量，输出为空气流惫设定值和煤气流薰设定值，这两个输出分别 作为两个s d c 3 l 的输入设定值。c 2 这个s d c 3 i 控制器提供空气流量双环控制。包括空气 流量闭环和阀门闭环，输入为实际空气流量值和从s d c 4 0 传过来的空气流量设定值还有实 际的阀门开度反馈。输出为空气阀门开度设定值。c 3 这个s d c 3 1 控制器提供煤气流量双 环控制，包括煤气流量闭环和阀门闭环，输入为实际煤气流量值和从$ d c 4 0 传过来的煤气 流量设定值还有实际的阀门开度反馈，输出为煤气阀门开度设定值。另外，在s d c 4 0 和 s d c 3 1 内部还实现了输出量交叉限幅，以达到空燃比的要求。但即使如此这种控制方式 在面对热值变化很快以及复杂的工况情况时，效果比较差。 8 ! 堕查堂堡主堡塞 萱垫苎塑垫苎生些丝型墨竺堕塑苎：! ! ! 堕 因此，在新控制方案中，引入专家模糊控制的智能控制方法是非常合适的- 考虑到原 系统已有的炉温、流量控制回路，决定仍然采用双回路控制方式，实际调研发现，炉温偏 差可能很大，如果单纯采用模糊控制，控制精度和响应速度会很难兼顾，故炉温偏差大时 采用专家控制以加快响应速度；而传统的交叉限幅在控制周期足够短时效果才会比较好， 如果采用了模糊控制，控制周期会比较长，再加上交叉限幅，控制效果反而不好，因此， 不再采用交叉限幅的方法。 设计后的炉温控制回路方块图如图2 4 所示。 图2 4 控翩系统各回路方块国 w 加窿p l l 0 2 ，v 2 睫r 黜 ，撇r l 强 i 矗 “s 工控机进行模糊温度跟踪和煤气、空气流量跟踪；底层设备s d c 3 l 完成煤气、空气阀 位跟踪。工控机采集炉温计算偏差和偏差变化率。当炉温偏差太大时采用煤气流量专家 计算模块，根据专家经验，直接给出煤气流量设定值。否则采用煤气流置模糊计算模块。 计算煤气流量设定值。这个煤气流量设定值经过空燃比乘法器算出空气流量设定值，空 气流量设定和煤气流量设定值经过流量跟踪模块输出润门开度设定值，由s d c 3 1 控制器实 现阀位跟踪。 由于三段炉温控制机理非常相似，所以，三段炉温控制方法都采用上述方法。 2 4 通信网络 在数据通信网络中，采用总线形式的连接方式工控机与底层设备均连接到总线上 9 中南大学硕士论文蓄热式加热炉优化控制系统的研究与开发 作为总线上的节点。数据通信网络的物理层由通信接1 ：3 和传输介质组成，如图2 5 所示。 工控机通过r s4 8 5 r s2 3 2 转换口连接在总线上。转换器有两个，一个用于连接变频 器，另一个连接其它底层设备的总线。 t x d r x d r t s g n d t x d r x d 踟 g n d 图2 5 通信网络连接 为了实现工控机与低层设备通信，必须参考设备相应手册按照上图对原有硬件设备的 网络连接方式作些更改。并对原设备方式设置进行修改，这里不详述。 主堕查堂堡主丝壅 董垫塞塑垫生垡垡丝型墨竺塑堕墨! i ! 堕 第三章控制策略 智能燃烧控制是针对燃料热值的非周期频繁变化引起炉温不能快速响应设定值的问题 而设计的1 ”。当燃料热值发生较大变化时。原某一范围内的燃料与空气流量就不适应，势 必引起炉温的波动如升温速度减慢保温曲线呈波浪型等，从而使得经过加热炉加热后的钢 坯达不到轧制要求。智能燃烧控制通过检测炉温的变化，改变燃料、空气流量的变化范围 可以适应燃料热值的大范围变化最终将炉温尽快控制在设定值范围内。涟钢四轧厂加热 炉优化控制策略就是采用智能燃烧控制，它包括专家控制和模糊控制两部分i i ”。在实际炉 温偏差很大时，采用专家控制以加快响应速度，而当偏差在一定范围内时，采用模糊控制 策略，这样，既能满足控镱4 精度，响应速度也根快。 3 1 专家控制 3 1 1 专家控制概述 专家控制作为智能控制的一个重要组成部分具有高可靠性、长期运行的连续性、在 线控制的实时性、优良的控制性能、抗干扰性、使用的灵活性以及维护的方便性等特点。 其控制性能满足工业过程控制的一般要求。广泛应用在发电站、电力系统、工业控制、工 厂自动化、智能机器人等领域。 用于加热炉燃烧过程的专家控制则可以用如图3 1 所示的简化结构来表示i ”l ，包括知 识库、推理机和人机接口。 炉混控制知识人 一推理机 机 接 i 一设定流量| b 口 l 塾望璧 图3l 燃烧过程专家控制基本结构 知识库是专家系统的核心，包括两部分内容：一是与炉温控制有关的数据信息，二是 进行推理时用到的一般知识以及领域专家的专门知识和经验。这些知识和经验可以用产生 式规则的形式来描述，如公式( 3 i ) 所示： r ：i f条件t h e n 动作 ( 3 j ) 以数据的形式存储在知识库中。在( 3 1 ) 公式中。r 表示规则的编号，条件表示系统的状态， 动作表示得出的结论。当给定的条件满足时，刚采取相应的动作。 为了建立知识库，必须解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉及到如何从领域专 家那里获得专门知识和经验。知识表示则是如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识。 在本系统中，主要是在课题初期调研时总结历史数据参考有关炉温控制的专家知识形成 的知识库。 推理机根据知识库中的知识幂经验，进行推理，并得出结论。 人机接口是人与系统进行信息交换的界面。它不仅提供向知识库输入新知识、修改知 ! 塑查兰堡兰鲨苎 董垫苎塑垫生垡垡丝型墨堕塑型墨：! ! ! 苤 识库中的知识、解释推理的过程和说明推理的结果。也负责识别解释输入的问题和数据等 信息，并把这些信息转化成为系统内部的表示形式，在本系统中就是识别炉温偏差的范围， 同时，输山煤气流量偏差值和空气流量偏差值。 3 1 2 专家控制的知识描述 专家系统最常用的知识描述方法是产生式规则描述方法【1 ”，它把人类专家的知识描述 成i f - t h e n 的形式，如式( 3 1 ) 所示。这种描述方法的含义是：如果给定的条件满足，则采取 相应的行动。人类解决问题的经验和方法，有相当大的一部分可以用这种描述方法来表示。 条件部分可以是逻辑组合或表达式，例如； ( 1 ) 条件la n d 条件2a n d a n d 条件n ； ( 2 ) 条件1o r 条件2o r o r 条件n ( 3 ) x 2 + y 2 z 2 。 其中a n d 和o r 分别表示与逻辑和或逻辑，工，y 和z 表示对象的状态变量。 行动部分可以是中间结果、最终结果或相应动作。 通过课题初期调研获得的历史数据进行总结，得到了如下用于当炉温偏差特别大的情 况下的1 8 条知识( 炉温偏差= 炉温反馈值一炉温设定值) ： r 1 ：i f是预热段a n d - 7 0 炉温偏差4 0 。ct h e n煤气流量增加1 0 0 0 m 3 h r 2 ：i f 是预热段a n d - 1 0 0 炉温偏差一7 0 ct h e n煤气流量增加1 5 0 0 m 3 h r 3 ：i f 是预热段 a n d 炉温偏差1 0 0 ( 2t h e n煤气流量增加2 0 0 0 m 3 h r 4 ：i f是加热段a n d - 7 0 炉温偏差4 0 ( 2t h e n煤气流量增加2 0 0 0 m 3 h r 5 ：i f是加热段 a n d - 1 0 0 ( 2 炉温偏差7 0 t h e n煤气流量增加4 5 0 0 m r 6 ：i f是加热段a n d 炉温偏差1 0 0 ( 2t h e n煤气流量增加8 0 0 0 m 3 h r 7 ：l f是均热段a n d - 7 0 炉温偏差 - 4 0 c t h e n 煤气流量增加】0 0 0 m 3 h r 8 ：i f是均热段a n d 一1 0 0 c 炉温偏差- 7 0 ct h e n 煤气流量增加1 5 0 0 m 3 h r 9 ：i f 是均热段 a n d 炉温偏差- 1 0 0 ( 2t h e n煤气流量增加2 0 0 0 m 3 h r 1 0 ：i f 是预热段a n d4 0 c 炉温偏差 7 0 ct h e n 煤气流量减少1 0 0 0 m 3 h r l l ：i f 是预热段a n d7 0 炉温偏差 1 0 0 ct h e n 煤气流量减少】5 0 0 m 3 h r 1 2 ：i f 是预热段a n d炉温偏差1 0 0 ct h e n煤气流量减少2 0 0 0 m a h r 1 3 ：i f 是加热段 a n d4 0 炉温偏差 7 0 c t h e n煤气流量减少2 0 0 0 m 3 h r 1 4 ：i f是加热段a n d 7 0 c 炉温偏差 1 0 0 ct h e n煤气流量减少4 5 0 0 m 3 h r 1 5 ：i f是加热段a n d 炉温偏差1 0 0 1 2t h e n煤气流量减少8 0 0 0 m 3 h r 1 6 ：i f是均热段a n d 4 0 c 炉温偏差( 7 0 t h e n 煤气流